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Energía Solar

El sol

Es una masa de materia gaseosa caliente que irradia a una temperatura efectiva de unos 6000ºC. La distribución espectral de la radiación de esta fuente de energía, medida fuera de la atmósfera terrestre, se indica, se indica por una línea de trazos continuo en la figura 1, y de ella aproximadamente la mitad esta en la región visible del espectro, cerca de la otra región visible del espectro, cerca de la otra región infrarroja y un pequeño porcentaje de la región ultravioleta,. El sol esta a una distancia de 149490000 kilómetros de la Tierra, y la constante solar, esto es, la intensidad media de radiación medida fuera de la atmósfera en un plano normal la radiación es aproximadamente 1.94 cal/min. cm3.

 

Radiación que llega a la Tierra.

La intensidad de la radiación solar que llega a la superficie de las Tierra se reduce por varios factores variables, entre ellos, la absorción de la radiación, en intervalos de longitud de onda específicos, por los gases de la atmósfera, dioxido de carbono, ozono, etc., por el vapor de agua, por la difusión atmosférica por la partículas de polvo, moléculas y gotitas de agua, por reflexión de las nubes y por la inclinación del plano que recibe la radiación respecto de la posición normal de la radiación.

 

Localidad y sus latitudes

Diciembre

Kilocal/m2

Junio

Kilocal/m2

Promedio anual

San Juan, Puerto Rico, 18º N

4.177

5.425

5.262

El Paso, Texas, 32º N

3.274

7.408

5.525

Fresno, California, 37º N

1.655

7.106

4.502

Madison, Wisconsi, 43º N

1.220

5.398

3.309

Seattle, Washington, 47º N

624

6.184

3.146

Londres, Inglaterra, 52º N

488

4.720

2.387

Mesina, Sudáfrica, 22º S

6.293

3.635

5.086

Buenos Aires, Argentina, 35º S

7.188

2.075

4.286

Mt. Stronlo, Australia, 35º S

6.374

2.048

4..258

 

La intensidad de la radiación medida en la superficie de la Tierra varia de 1.6 a 0.

El total de la energía solar que llega a la Tierra es enorme. Lo EE.UU., por ejemplo, reciben anualmente alrededor de 1500 veces sus demandas de energía total. En un día de sol de verano, la energía que llega al tejado de una casa de tipo medio seria mas que suficiente para satisfacer las necesidades de energía de esa casa por 24 hora. En la tabla 1 se dan valores típicos de la radiación que se recibe en la superficie de la Tierra. La figura 2, muestra la cantidad de radiación recibida en superficies orientadas de modo diferente en días claros (latitud 42°N).

La distribución espectral de la radiación en la superficie de la tierra ha sido extensamente estudiada y se ha propuesto una serie de curvas a modo de patrón, para diferentes masa de aire. la masa de aire , m, se define como la radiación y el espesor cuando el sol esta en el cenit y el observador a nivel del mar. la curva de trazos en la figura 1 muestra la curva patrón propuesta por una masa de aire igual a 2.

la tabla II indica la distribución de energía transmitida en tres intervalos de longitud de onda, para diversas masas de aire, m, y se basa en la constante solar de 1.896 cal/min. cm.

 

Intervalo de longitud de onda, m

Energía transmitida, cal./(min.)(cm2)

 

m = 0

1

2

3

4

5

Ultravioleta, 0.29-0.40

0.136

0.057

0.029

0.014

0.008

0.004

Visible, 0.40-0.70

0.774

0.601

0.470

0.371

0.295

0.235

Infrarrojo, por encima de 0.70

0.986

0.672

0.561

0.486

0.427

0.377

Totales

Calorías por minuto, por cm2

1.896

1.330

1.060

0.871

0.730

0.616

 

Usos posibles de la energía solar.

En una lista parcial de posibles usos de la energía solar, figuran:

    • Calefacción domestica
    • Refrigeración
    • Calentamiento de agua
    • Destilación
    • Generación de energía
    • Fotosíntesis
    • Hornos solares
    • Cocinas
    • Evaporación
    • Acondicionamiento de aire
    • Control de heladas
    • Secado

Se han ensayado todos los usos citados de la energía solar en escala de laboratorio, pero no se han llevado a la escala industrial. En muchos casos, el costo de la realización de estas operaciones con energía solar no pueden competir con el costo cuando se usan otras fuentes de energía por la gran inversión inicial que es necesaria para que funcionen con energía solar y por ello la mayor parte de los estudios de los problemas de utilización de esta energía esta relacionado con problemas económicos.

Las instalaciones solares pueden considerarase clasificadas por tres tipos de aplicación. Primero, hornos solares, usados como medio de laboratorio para obtener altas temperaturas en diversos estudios y propuestos para usos semi industriales. En segundo lugar los usos potenciales de disposiciones solares sencillas, como cocinas, refrigerantes y bombas de irrigación en regiones no industrializadas, con radiación segura y en donde los actuales recursos de energía no son satisfactorios o resulten caros. Un tercer grupo de aplicación de energía solar podrá competir en el futuro económicamente con otras fuentes de energía en algunas zonas de países industrializados, como los EE.UU., si los adelantos técnicos en este campo o los cambios en el costo de la energía de otras fuentes llegan a alterar su costo relativo.

Los problemas con que se tropieza para recoger la energía solar, almacenarla y usar la energía resultante, son los mismos para numerosos usos potenciales de esta fuente de energía y se estudian uno por uno en lo que sigue. la discusión acerca de los usos posibles se estudia mas adelante.

 

Aplicaciones de la energía solar

En lo que sigue se discuten mas detalladamente los principios expuestos en relación con las diferentes aplicaciones de la energía solar para calefacción, enfriamiento y refrigeración de recintos, evaporación y destilación, generación de energía, hornos solares y diferentes usos.

 

Calefacción solar como medio de bienestar

La calefacción solar tiene interés principalmente por dos razones; en primer lugar, la calefacción para bienestar importa en los EE.UU. aproximadamente un tercio de las demandas totales de energía para calefacción, y en segundo lugar, las módicas temperaturas empleadas para calefaccionar recintos permiten uso de colectores de plancha plana que funcionan a temperaturas relativamente bajas y con rendimiento razonablemente bueno. Los estudios de calefacción domestica indican que el colector de plancha plana orientado en la posición indicada e incluido en la estructura del edificio como parte integrante de ella, es el tipo de colector para esta aplicación. El almacenamiento de calor por transiciones de fase en productos químicos, por calentamiento de lechos de guijarros, con colectores de aire o mediante tanques de agua con colectores calentadores de agua.

El tamaño del colector y el numero de unidades de almacenamiento se determinan por la carga de calefacción del edificio, el análisis del tiempo solar y los costos de combustible. Un simple análisis indica el almacenamiento de calor suficiente que se requiere para satisfacer las demandas calorificas del edificio durante el periodo nublado mas largo previsto, basado en el registro de datos meteorológicos, si la carga de calefacción ha de provenir totalmente de la energía solar. En el norte de los EE.UU., por ser los ciclos del tiempo muy variables, no es económicamente practico confiar en la energía solar para toda la carga de calefacción; los análisis indican que deben utilizarse fuentes de calor auxiliares. Estudios detallados del tiempo solar y de los factores económicos, realizados por Hottel y sus colaboradores en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, indican que en Cambridge el sistema de calefacción solar mas económico es el que proporciona dos tercios de la carga de calefacción.

 

Enfriamiento y refrigeración.

El uso de energía solar para enfriamiento de recintos o acondicionamiento de aire tiene atractivo porque hay una buena relación entre el suministro de energía y la demanda de enfriamiento y por la posibilidad de usar una parte de todo el sistema de calentamiento solar para el acondicionamiento del aire. Se han propuesto varios sistemas básicos para el acondicionamiento de aire por energía solar, entre ellos los sistemas de deshumectacion y de enfriamiento por absorción de calentados por el sol.

Un esquema de deshumectador activado por el sol, en el cual como desecante se usa trietilenglicol, es el que la figura 4. El aire que ha de circular en el espacio acondicionado se deshumedece en una cámara de rociado donde se pone en contacto con el trietilenglicol concentrado y frío.

La solución de glicol absorbe humedad del aire y vuelve a circular por cambiadores temidos adecuados hasta una cámara de rociado y despojo donde se pone en contacto con el aire calentado por el sol y se seca para volver a circular hacia el absorbedor de la corriente de aire que circula hacia la casa y se devuelve a la atmósfera en el aire calentado por el sol que atraviesa la cámara de despojo. Puede usarse un refrigerante de evaporación para enfriar el aire seco. Este tipo de unidad seria útil e regiones de humedad relativamente alta.

Se ha propuesto el uso de un sistema de refrigeración mecánico en el que trabajo de compresión se hace por un motor que funciona por la energía del sol, y en el cual el acondicionamiento del aire o del refrigerante seria de diseño convencional. Estos sistemas tiene el inconveniente de que se necesita conversión de energía calórica a mecánica. Otro método es el uso de calor en los refrigerantes de tipo de absorción. La figura 5 es un diagrama de un ciclo posible para refrigeración por absorción de un sistema de tipo solar. la energía del sol se usa para calentar un fluido que circula por un generador o rehervidor de la unidad de refrigeración por absorción. La unidad de absorción funciona de modo corriente, como en acondicionador de aire por gas de Servel, con las modificaciones necesarias en el diseño según el nivel de temperatura de que se puede disponer con los colectores que se usan. También seria posible usar el colector solar como rehervidor o generador y evitar de este modo el uso de un fluido intermedio para la transferencia de calor y de u cambiador térmico.

 

Hornos solares

Los hornos solares son reflectores parabólicos o lentes construidos con precisión para enfocar la radiación solar en superficies pequeñas y de este modo poder calentar "blancos" a niveles altos de temperatura. El limite de temperatura que puede obtenerse con un horno solar esta determinado por el segundo principio de la termodinámica como la temperatura de la superficie del sol, esto es 6000 ºC, y la consideración de las propiedades ópticas de un sistema de horno limita la temperatura máxima disponible. Se han usado hornos solares para estudios experimentales hasta 3500 ºC y se han publicado temperaturas superiores a 4000 ºC. Las muestras pueden calentarse en atmósferas controladas y en ausencia de campos eléctricos o de otro tipo si así se desea.

El reflector parabólico tiene la propiedad de concentrar en n punto focal los rayos que entran en el reflector paralelamente al eje.

Como el sol comprende un ángulo de 32', aproximadamente, los haces de rayos no son paralelos y la imagen en el foco del receptor tiene una magnitud finita. Como regla empírica, el diámetro de la imagen es aproximadamente la razón de longitud focal/111. La longitud focal determina el tamaño de la imagen y la abertura del reflector la cantidad de energía que pasa por el área focal para una velocidad dada en incidencia de radiación directa. El cociente entre la abertura y la longitud focal es, pues, una medida de flujo de energía disponible en el área focal y con arreglo a este flujo se puede calcular una temperatura de cuerpo negro.

La utilidad de los hornos solares aumenta con el uso de heliostatos, o espejo plano móvil, para llevar la radiación solar al reflector parabólico. esto permite el montaje estacionario de una parábola de ordinario en posición vertical, con lo cual se pueden colocar aparatos para atmósfera controlada y movimiento de muestras, soportes de blancos, y otros, sin necesidad de mover todo el equipo. El poder de reflexión del heliostato varia de 85 a 95% según su construcción, por lo que resulta para el horno una perdida de flujo del 5 al 15%, y la disminución correspondiente a las temperaturas que se alcanzan. La tabla III muestra algunas propiedades de cuatro hornos solares.

Se construyen hornos solares de hasta 3 metros de diámetro con espejos de una sola pieza de aluminio, cobre o de otros elementos y se han construido hornos mas grandes de múltiples reflectores curvos.

El reflector o blanco usado en los hornos solares puede ser de varias formas. Las sustancias pueden fundirse en si mismas en cavidades de cuerpo negro, encerrarse en envoltura de vidrio o de otra materia transparente para atmósferas controladas, o introducirse en un recipiente rotatorio "centrifugo".

 

a

b

c

d

Material del espejo

cobre

vidrio

aluminio

vidrio

Superficie de reflexión

rodio

plata

aluminio

plata

Abertura, a

1.524 m.

2.0 m.

3.05 m.

10.67 m.

Longitud focal, f

66 cm.

86.1 cm.

86.4 cm.

6.0 m.

Cociente, a/f

2.31

2.32

3.53

1.78

Reflector auxiliar

ninguno

heliostato

ninguno

heliostato

Diámetro de la imagen, calculado

6.1 mm

7.6 mm

4.9 mm.

53.3 mm.

Radiación reflejada al blanco, Kw, calculada suponiendo incidencia directa de 0.8 Kw./m2

1.30

1.94

4.67

54.0

 

La medición de las temperaturas del blanco en los hornos solares se hace por fusión de sustancias de punto de fusión conocidos y por medios pirometricos ópticos o de radiación.

Se usan hornos solares en gran variedad de estudios experimentales, entre ellos, la fusión de materiales refractarios, la realización de reacciones químicas e investigación de las relaciones de fase en sistemas de alto punto de fusión como sílice alúmina.

La estabilización del oxido de circonio refractario por adición de pequeñas cantidades de CaO en recipientes centrífugos es uno de los muchos trabajos publicados por Trombe, quien también ha eliminado flúor de mezcla de fosfatos por calentamiento en un horno en presencia de sílice y vapor de agua, según la reacción:

[Ca3(PO4)2]3.CaF2 + xSiO2 +H2O ® 3 Ca2(PO4)2 + (SiO2)x.CaO + 2HF

Se ha preparado, con buen rendimiento, oxido de circonio calentando silicato de circonio a 1400 ºC con carbonato de sodio, Según la ecuación:

ZrSiO4 + 2Na2CO3 ® Na4SiO4 + 2CO2 + ZrO2

Entre otros usos propuestos para los hornos solares figuran los experimentos de pirólisis instantánea en investigación química inorgánica y orgánica y estudios geoquimicos de rocas y minerales.

 

Características de células para conversión solar

células de silicio

Coeficiente de absorción en función de la longitud de onda

La brecha de energía , por la que se calcula la eficiencia teórica de conversión de materiales voltaicos, determina la absorción espectral característica del material en la región de absorción fundamental. El silicio tiene un corte de absorción en 1.2 u con fuerte aumento en el coeficiente de absorción hacia longitudes de onda mas larga. Esta característica se ve en la figura 10. La región fundamental es la región sensible de la célula de silicio.

 

Respuesta espectral.

Por las características de absorción del silicio se ve que los fotones con energía de 1.02 e.v. o mas grande, pueden producir pres hueco-electron. Sin embargo, la energía excedente de 1.02e.v. no se usa en el proceso de conversión de energía. La respuesta espectral de la célula fotovoltaica de silicio se da en la figura 11.

La curva A es el rendimiento de energía medido para intensidades iguales de radiación débil, en función de la longitud de onda. La sensibilidad máxima se ha tomado arbitrariamente como unidad. La curva C es el producto de las curvas A y B, reducidas de nuevo a la unidad para la sensibilidad máxima. Esta curva muestra cual es la porción útil de la radiación solar mas útil para la célula.

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