La radiación solar La energía radiante proveniente del Sol es enorme supera miles de veces la necesidades de energía de la humanidad es renovable no es contaminante
El sol El Sol es una estrella mediana Diámetro de 1,390,000 km Dos mil cuatrillones de toneladas de gas de hidrógeno Temperatura del orden de 14 millones de grados centígrados Ocurren reacciones de fusión nuclear en su interior Núcleos de Deuterio se transforman en Helio
El sol La radiación es emitida desde la superficie a una temperatura promedio de aproximadamente 6,000 K Los rayos del Sol recorren aproximadamente 180 millones de kilómetros en el espacio para llegar a la Tierra Tardan casi 8 minutos Se manifiestan como radiación solar
Diagrama simplificado del sol (Gp:) R (Gp:) 0.23 R (Gp:) 0.7 R (Gp:) 40% de masa 15% de volumen 90% de energía generada T=~8 – 40 x 106 K ?= 105 kg/cm3 (Gp:) T = 6,000 K ? = 10-5 kg/cm3 (Gp:) Zona convectiva T = 130,000 K ? = 70 kg/cm3 (Gp:) Cromósfera (Gp:) Fotósfera (Gp:) Corona
Constante solar La radiación solar llega a la atmósfera de la Tierra con una intensidad de 1,350 W/m2 Se presenta en tres niveles de energía: Ultravioleta Visible Infrarrojo
Espectro de radiación Composición de la radiación solar: Ultravioleta [7%] Visible [47%] Infrarroja [46%] Irradiación solar extraterrestre Irradiación solar al nivel del mar Radiación de un cuerpo negro a 5,900 K Longitud de onda (m x 10-6) Irradiancia espectral (A) IR UV V
Movimiento de traslación terrestre
Radiación Solar Anual (KJ/ cm2) Zona de máxima insolación mundial
El área total de desiertos es de cerca de 20 millones de kilómetros cuadrados inciden aproximadamente 50 x 1015 W/año Si se aprovechara únicamente el 5% de esa cantidad se proporcionaría alrededor de doscientas veces el consumo mundial requerido Zona de máxima insolación mundial
Al norte del Ecuador: Gran desierto del oeste Norteamericano Desierto de Thar en la India Desierto de Arabia Saudita Desierto de Sahara Al sur del Ecuador: Desierto de Atacama en Sudamérica Kalahari en Sudáfrica Gran desierto de Victoria Desierto de Australia Regiones de gran insolación
La República Mexicana se encuentra localizada entre los 14° 33' y 32° 43' de latitud norte con una superficie de casi dos millones de kilómetros cuadrados en gran parte de su territorio, regiones de alta insolación Regiones de gran insolación
Insolación promedio anual en México
Conversión de la Energía Solar Existen dos procedimientos principales de conversión de la energía solar: conversión fotovoltáica conversión fototérmica
Se emplean sistemas fotovoltáicos la radiación solar se convierte directamente en electricidad mediante un dispositivo semiconductor denominado celda fotovoltáica Conversión Fotovoltaica de la Energía Solar
La fotocelda es el elemento unitario de un sistema fotovoltaico tiene la propiedad de convertir directamente la radiación solar en electricidad, por medio del efecto fotoeléctrico El efecto se presenta en materiales fotosensibles semiconductores al incidir una radiación electromagnética libera un electrón y deja un hueco libre Principio de operación de la celda fotovoltaica
Efecto fotoeléctrico Energía electromagnética Fotón Hueco libre P+ Electrón libre e- Material Semiconductor
Materiales de Construcción Materiales semiconductores usados para celdas solares: Silicio monocristalino Silicio policristalino Silicio amorfo Sulfuro de cadmio y sulfuro de cobre Telurio de cadmio Seleniuro de cobre e indio Arseniuro de galio
Principio de funcionamiento de una celda solar
La corriente eléctrica generada es proporcional a: El área expuesta a la radiación solar A la intensidad de la radiación solar El voltaje depende de las características del campo eléctrico interno, o sea del material mismo
Curvas Corriente voltaje (policristalino, 80W) Características de Operación
Las celdas se conectan: en serie y paralelo para incrementar su voltaje y corriente, respectivamente. Conexión de las celdas Módulo fotovoltaico
La potencia máxima de los módulos comerciales varía de 3 a 300 W El voltaje fluctúa entre 16 y 17.5 V A mayor intensidad de radiación solar, mayor corriente generada.
Arreglo fotovoltaico conectado en serie y paralelo
Características Relevantes El proceso de generación ocurre en un sólido por lo que no se degrada Dura indefinidamente No requiere de ningún tipo de mantenimiento No usa otro combustible para generar que la radiación solar Es un generador liviano y de pequeñas dimensiones fácil de transportar
Aplicaciones Pequeñas cargas aisladas: Telecomunicaciones Electrificación rural Bombeo de agua Iluminación municipal Telefonía rural protección catódica
Las aplicaciones a gran escala están limitadas por su alto costo y necesidad de grandes espacios En diversos países ya se contemplan como una solución para abastecer el crecimiento de la demanda eléctrica
Conversión Fototérmica de la Energía Solar Los sistemas fototérmicos convierten la radiación solar en calor El calor se puede usar para: Calentar edificios Calentar agua mover turbinas para generar electricidad secar granos destruir desechos peligrosos.
Los colectores térmicos solares se dividen en tres categorías, según el nivel térmico: Baja temperatura Media temperatura Alta temperatura Clasificación de los Colectores Solares Térmicos
Colectores de baja temperatura El colector solar plano es el aparato más representativo de la tecnología solar fototérmica
Los colectores solares planos proveen calor útil a temperaturas menores de 65°C Sus aplicaciones son muy variadas Unicamente están limitadas por la temperatura máxima del fluido de trabajo Colectores de baja temperatura
Cuando los requerimientos de temperatura son de 30 a 90ºC, están: calentamiento de agua para uso sanitario doméstico calefacción de albercas calefacción ambiental aplicaciones institucionales comerciales e industriales refrigeración doméstica y comunal secado de alimentos y productos agrícolas Colectores de baja temperatura
Tipos de colectores solares planos: Colector desnudo (sólo el absorbedor) En México, el calentamiento de albercas es la aplicación más generalizada de esta tecnología. Las temperaturas que se alcanzan en el agua son de alrededor de 25 a 30ºC. Colector con gabinete: Para agua caliente doméstica Las temperaturas que se alcanzan en el agua son de alrededor de 55 a 65ºC.
Colectores de media temperatura Con esta tecnología es posible alcanzar temperaturas hasta de 500°C Los tipos principales son: Cilindro parabólicos Cilindro parabólicos compuestos
Los sistemas de concentración solar tienen como finalidad incrementar el flujo de radiación solar sobre los receptores Deben seguir al sol tener ajustes periódicos Colectores de media temperatura
Aplicaciones Instalación para agua de una lavandería en una cárcel
Central eléctrica fototérmica de 354 MW
La principal aplicación es para la generación de electricidad Su principal desventaja es que requieren de radiación solar directa disponible en cielos claros y seguimiento solar de los dispositivos en todo momento Colectores solares para temperaturas elevadas
Los colectores de plato parabólico emplean el mismo principio que los de canal parabólico, pero el desarrollo es circular con lo que pueden alcanzar mayores temperaturas
Aplicaciones Tratamiento de materiales y procesos químicos Cocina solar
Hornos solares Investigación científica Horno Solar de Odeillo-Font-Romeu, Francia Temperaturas hasta 3,000 C
Torre central solar consisten en un gran número de espejos que se orientan automáticamente para reflejar los rayos solares concentrándolos en un absorbedor central se utiliza para producir vapor y mover un turbogenerador
Conversión fototérmica de la energía solar, temperaturas elevadas
