ENERGÍA SOLAR

El sol es una estrella de tipo medio, se estima que tiene una vida de 5000 millones de años. Tiene un radio de 700.000 Km. con una masa solar de 330.000 veces la masa de la Tierra. En la parte externa se produce la fusión que emite. Se le considera un cuerpo negro ideal, que es energía en forma de E = mc2 aquel que absorbe la energía y emite toda la energía que tiene.

La intensidad máxima en un punto de la Tierra es 1’4 Kw/m2 si es ideal, es decir, si en el camino no se perdiese nada.

Las ondas del Sol llegan como ondas electromagnéticas en forma de fotones, se propagan a la velocidad de la luz e = 300.000 Km/seg. Un rayo tardará unos 8 minutos en llegar a la Tierra. Se considera que el sol en un Segundo libera una energía a una temperatura constante de 5900 Kelvin. Y que emite en diferentes longitudes de onda y dependiendo de estas, también están los rayos ultravioleta, el espectro visible y los rayos infrarrojos.

La intensidad de la radiación que llega a la parte exterior de la atmósfera de la Tierra se conoce como constante solar (G). No es un valor constante puesto que la distancia entre el

Sol y la Tierra tampoco lo es, y esa intensidad es dependiente de la distancia. Oscila en valores entre 1400 y 1310 w/m2, tomándose como valor establecido 1353 w/m2. Sin embargo, después de atravesar la atmósfera se cuantifica que la constante solar es de 1100 w/m2.

Hacia la superficie de la Tierra y le alcanzan tres tipos de radiaciones:

Radiación directa – Es la que llega a la Tierra en línea recta desde el círculo solar.

Radiación difusa – Se difunde y dispersa al chocar con la atmósfera. Sufre muchos cambios de dirección, por ello da la sensación que procede de la bóveda celeste. Es capaz de alcanzar una superficie aunque no esté expuesta al sol.

Radiación de Albedo – Procede de cuerpos cercanos (por ejemplo un edificio). No se suele considerar a efectos de cálculo porque tiene un valor despreciable.

Algunos efectos que producen las radiaciones solares son por ejemplo el color del cielo. Es de color azul por el choque de las radiaciones con las moléculas de nitrógeno y oxígeno. En el atardecer y amanecer, los rayos del sol llegan más oblicuos por lo que la cantidad de aire a atravesar es mayor, por esa razón se ve de color rojizo. La radiación total será la suma de todas las radiaciones. Las radiaciones no llegan en la misma medida, ni siquiera la directa y la difusa.

La energía que llega a una superficie:

Irradiación (E)

Es la cantidad total de energía en forma de radiación que llega a una superficie determinada

en un tiempo establecido. En el S.I. la unidad es el Julio.

Irradiancia (I)

Es la energía incidente por unidad de tiempo y superficie. En el S.I. se mide en W/m2.

Como es lógico la energía debida a la radiación directa que puede interceptar una superficie expuesta a los rayos solares, depende del ángulo que forma la misma con dichos rayos.

cos.αI’ = I.

El aparato medidor de la radiación se conoce como piranómetro.

Astronomía de posición solar

La Tierra va girando alrededor del sol y tarda en dar una vuelta completa 365 días. A la región que hay entre la órbita de la Tierra y el Sol se le conoce como elíptica. Va girando sobre sí misma tardando en dar una vuelta completa 24 horas. La razón por la que las horas de sol son mayores en verano, así como lo que da lugar a las estaciones del año es que el eje de la Tierra está desviado unos 23’5º. No influye en esto la distancia con el sol.

Cuando observamos el sol, vemos que aparece por el este y se pone por el oeste.

Además no tiene la misma altura en invierno que en verano, por eso para indicar la posición del sol tendríamos que dar dos coordenadas que son el Azimut, que es el ángulo que forma la posición del sol respecto al sur y la altura solar, que es el ángulo que forma la posición del sol respecto a la superficie horizontal.

Los colectores deberían ir orientados hacia el sur porque así el sol incidiría prácticamente todo el día. Si no fuese posible, habría que elegir la más favorable con desviaciones menores del 25%.

Para considerar la sombra de los colectores o de un obstáculo hay que tener en cuenta el solsticio de invierno, debido a que es cuando más bajo está el sol y más sombra se produce.

Respecto a la inclinación de los colectores, debe buscarse que los rayos del sol incidan lo más perpendicular posible en el colector, por lo que se deben de inclinar. Esta inclinación varía en función de la latitud del lugar ±10%.

El colector o Panel Solar

El colector solar es el objeto que capta la radiación solar y la convierte en energía calorífica.

En el mercado se pueden encontrar los siguientes tipos:

El Colector de placa plana

Es el convertidor solar térmico que convierte la energía solar en energía térmica extraída del mismo mediante un fluido y que aprovecha el efecto invernadero. La conversión se realiza mediante una placa metálica que transfiere la energía térmica a un líquido en contacto con la placa. Otros elementos del colector son:

Cubierta transparente– Permite aprovechar más energía mediante el conocido efecto invernadero. Impide que la radiación infrarroja emitida por el absorbedor se pierda, posibilitando que la misma vuelva a la placa absorbedora y sea aprovechada. Proporciona la estanquidad necesaria para evitar la entrada de agua o aire. Se debe prestar especial atención a su resistencia mecánica, pues debe soportar la fuerza del viento o la presión de la nieve acumulada. Los materiales más empleados son:

El vidrio – La transmisión energética debe ser elevada y depende del espesor, del ángulo de incidencia y del tipo de vidrio. Suelen ser recocidos o templados, lo que mejora sus propiedades mecánicas sin empeorar la óptica. Deben soportar las posibles presiones externas, así como las dilataciones o enfriamientos rápidos (debido a tormentas).

Plástico – Presentan propiedades ópticas similares al vidrio, facilitando también el efecto invernadero. Pesan poco y son poco frágiles, además tienen baja conductividad térmica.

Como inconvenientes está el posible abombamiento al dilatarse y que son inestables a la luz ultravioleta reduciéndose con el tiempo su transmisión energética.

Doble vidrio – Aumentan el efecto invernadero y reducen las pérdidas por convección. Aumentan la temperatura de la placa absorbedora y la del fluido caloportador. Sin embargo, son elevados en precio y las pérdidas ópticas con lo que serán de aplicación exclusiva en condiciones ambientales frías.

El absorbedor – Recibe la radiación solar y la convierte en calor que se transmite al fluido calorportador. Las formas son diversas: placas metálicas separadas unos milímetros, una placa metálica con tubos soldados o embutidos o dos placas metálicas con un circuito en su interior. La cara expuesta al sol debe captar la mayor cantidad de rayos de sol por lo que se suele pintar de color negro u oscuro para conseguir una superficie selectiva (muy absorbente a la radiación y baja emitividad).En cuanto a la transmisión del calor desde la placa al líquido es muy buena en absorbedores de doble lámina y algo peor con tubos adosados. Es importante evitar los puentes térmicos entre el absorbedor y la carcasa, debiendo estar bien aislados térmicamente (calorifugados).

Aislamiento posterior – Se emplea para reducir las pérdidas térmicas en la parte trasera del

absorbedor que debe ser de baja conductividad térmica. Los materiales pueden ser lana de vidrio, lana de roca, corcho, poliestireno o poliuretano. Se suele incluir una lámina reflectante (aluminio) tras la placa absorbedora que refleja la radiación posterior reenviándola a la placa.

La carcasa – Protege y soporta los elementos de colector, permitiendo además anclar y sujetar el colector al edificio. Debe resistir los cambios de temperatura (dilataciones) sin perder la estanquidad. Debe resistir la corrosión. Se hacen colectores completamente estancos al aire, si bien pueden realizarse estancos al agua pero no al aire (orificios en la parte baja).