TEMA 2: CONVERSION DE

LA ENERGIA SOLAR

Vamos a ver más a fondo los diferentes procesos de conversión de la energía solar más importantes: A-. Conversión directa. ● Procesos térmicos

● Procesos térmicos pasivos. ● Arquitectura solar pasiva.

● Lentes de Fresnel. ● Procesos térmicos activos.

● Efecto concentración. ● Efecto solar térmico.

● Procesos Fotonicos. ● Efecto fotoeléctrico externo. ● Efecto fotovoltaico.

B-. Conversión indirecta. ● Procesos eólicos. ● Procesos fotoquímicos. ● Procesos termodinámicos. ● Conversión fotobiológica.

A-. Conversión directa:

1-. Procesos termicos

1.1-. Procesos termicos pasivos:

1.1.1-. Arquitectura solar pasiva.

Como ya hemos visto, es la captación directa de la energía

solar en las viviendas o edificios, mediante la aplicación de criterios arquitectónicos bioclimáticos.

En un edificio podemos desarrollarlo con los medios

siguientes:

1. Captación directa con vanos acristalados verticales con vidrios dobles con cámara de aire, lunas de baja emisividad y alto factor solar, patios acristalados...

QUE ES LA EMISIVIDAD DE UN VIDRIO: Para comprender mejor cual es el principio de funcionamiento de un vidrio de baja emisividad debemos primero entender que es la emisividad de un material. La emisividad puede ser definida como la capacidad que tienen los materiales para emitir calor a partir de las propiedades de su superficie. Todos los materiales emiten calor, pero algunos lo hacen más rápidamente que otros. Por ejemplo el vidrio común float tiene una emisividad elevada (E=0.80), razón por la cual pierde calor rápidamente. Por otro lado un metal como la plata pulida brillante tiene una emisividad mucho menor E=0.20, hecho que le permite retener calor por más tiempo, por dicha razón el té en una tetera de plata permanecerá caliente durante más tiempo que en una tetera de vidrio común.

COMO ES UN VIDRIO DE BAJA EMISIVIDAD: Un vidrio

de baja emisividad es un cristal revestido cuyo aspecto es prácticamente el mismo que el de un cristal incoloro. Una de sus caras tiene aplicado un revestimiento de baja emisividad que permite que buena parte de la radiación solar de onda corta del sol atraviese el vidrio y refleja la mayor parte de la radiación de onda larga, que producen entre otras fuentes, los sistemas de calefacción, conservándolo en el interior de los ambientes.

QUE ES EL FACTOR SOLAR DE UN VIDRIO: el factor

solar de un vidrio nos define la cantidad de radiación solar que atravesara el un cristal respecto a la radiación solar que incide sobre el.

Atrio o patio acristalado Una singularidad en la captación directa es la captación a través del techo, ya sea mediante el uso de claraboyas o ventanas inclinadas, o mediante atrios acristalados. Los atrios acristalados generalmente se incorporan en la arquitectura tradicional en regiones frías o con fuertes oscilaciones térmicas diarias, en las que los ciclos diurnos son muy cortos durante el invierno. Cuando se emplean en climas con

veranos calurosos hay que incluir apantallamientos interiores o exteriores.

La penetración solar a través de elementos acristalados de cubierta, sumada al efecto invernadero, permite calentar el aire confinado en el patio, y distribuirlo a los espacios interiores. Al mismo tiempo, la radiación solar incidente en fachadas interiores y pavimentos, según dimensiones, permite su utilización como elementos de acumulación térmica. También permiten asimismo potenciar la iluminación natural.

Un ejemplo de atrio acristalado es el edificio Lloyd´s of London en Londres (Inglaterra). El núcleo del edificio está formado por un atrio de catorce alturas, coronado por un arco. Alrededor del atrio las galerías se adaptan a diferentes usos.

2. Captación directa e indirecta con elementos tipo invernadero

Consisten en una galería acristalada, separada de las estancias interiores por un muro másico de color oscuro. La radiación recibida incrementa su temperatura interior acumulándose en el muro másico y penetrando en los espacios interiores.

Algunos de los criterios de diseño que se deben tener en cuenta para este tipo de sistema son:

• Se colocarán entre 0,1 y 0,5 m2 de acristalamiento por cada m2 de superficie a calefactar, habiendo además entre 0,6 y 1,6 m2 de superficie acristalada por cada m2 de suelo del invernadero.

• La superficie del muro másico presenta un color oscuro y una textura rugosa para facilitar la captación de la radiación solar.

• El muro másico presenta un espesor entre 20 y 25 cm.

• Se deben diseñar protecciones solares para este tipo de sistemas (al igual que los muros Trombe).

3. Muros de inercia: Consisten en un muro macizo orientado al sur, de piedra, hormigón, ladrillo macizo, etc., de un espesor entre 25 y 40 cm, con la superficie exterior oscura y protegido con un vidrio, para aprovechar las ventajas del efecto invernadero, situado a unos pocos cm de ésta. Durante el día, la

radiación solar incidente produce el calentamiento del muro, que acumula el calor y lo cede, por radiación, al interior con un retardo de 12 horas (por la noche). En verano para evitar el sobrecalentamiento, conviene protegerlo de la radiación o disponer de aberturas para poder ventilar el muro. Algunas variantes de este tipo de muros son los muros Trombe y muros de agua.

4. Muros acumuladores térmicos (Trombe). Un muro Trombe o muro Trombe-Michel es un muro o pared orientada al sol, preferentemente al norte en el hemisferio sur y al sur en el hemisferio norte, construida con materiales que puedan acumular calor bajo el efecto de masa térmica (tales como piedra, hormigón, adobe o agua), combinado con un espacio de aire, una lámina de vidrio y ventilaciones formando un colector solar térmico.

Su funcionamiento se basa en la diferencia de densidad del

aire caliente y el aire frío, que provoca corrientes en una u otra dirección dependiendo de las trampillas que estén abiertas. Estas corrientes de aire caliente o templado calientan o refrescan introduciendo o extrayendo el aire caliente del edificio o las habitaciones donde se instale.

Su construcción es la siguiente: consistente en un muro de

hormigón, ladrillo macizo o piedra que recibe y acumula energía solar en una de sus caras con intermedio de un acristalamiento a una distancia aproximada de 12 cm. y que cede calor progresivamente al interior.

En estos sencillos esquemas podemos ver cómo circulan las corrientes de aire frío (flechas azules) y aire caliente (flechas rojas), dependiendo de la posición de las trampillas (amarillas) que hay en el muro del edificio (naranja).

Calentamiento de la vivienda en invierno. Posición cuando no se utiliza

A continuación se exponen brevemente algunos de los aspectos a tener en cuenta para el diseño de este tipo de muros:

• Se colocarán aproximadamente entre 0,3 y 0,8 m2 de muro por cada m2 de superficie interior a calefactar.

• La superficie del muro másico debe presentar un color oscuro y una textura rugosa para facilitar la captación de la radiación solar y evitar las pérdidas por reflexión.

• El cálculo del espesor del muro se tiene que hacer con mucha precisión para ajustar el desfase de la onda térmica. El espesor de la cámara de aire deber ser de unos 10 cm.

• Se deben diseñar protecciones solares para estos muros.

La temperatura de trabajo oscila entre 50 y 70ºC. Esto puede producir problemas de sobrecalentamiento en verano, por lo que se le debe dotar de las protecciones solares adecuadas de forma que no estén soleadas en verano. Como inconveniente a la hora de aplicar este sistema en un edificio es que se trata de un muro pesado y con un color oscuro que puede no ser aceptado estéticamente

5-.Muros de agua

Variante de los muros de inercia que utilizan el agua como material de almacenamiento de calor. El agua tiene una capacidad calorífica mayor y una mayor conductividad que los materiales de construcción habituales, lo que produce una mayor capacidad de almacenamiento y una más rápida transferencia de calor hacia el interior. Ninguno de los dos sistemas de muros de agua ha tenido mayores desarrollos que los experimentales, dado lo incómodo de su manejo.

• Sistemas horizontales de captación: formados por bolsas de plástico negro rellenas de agua ancladas a una cubierta metálica, que durante el día se caliente, para cederlo por conducción a través de la cubierta del edificio. Por la noche deben protegerse, cubriéndolas, para evitar su enfriamiento.

• Sistemas verticales de acumulación: utilizan bidones o depósitos llenos de agua, con los que se conforma parcialmente el cerramiento. Los destinados a interior, suelen ser columnas de agua o muros insertados en una estructura metálica.

6-. Iluminación natural. La tipología empleada en la fachada sur consigue una

iluminación natural interior, incluso en días totalmente cubiertos, bastante habituales en las zonas de las viviendas proyectadas, suficiente para actividades que necesitan niveles altos de iluminación como lectura, manipulación de alimentos, etc. Esta característica no es habitual con las aperturas de huecos normalmente diseñadas en las viviendas convencionales de estas zonas que exigen iluminación artificial durante gran parte del año, incluso en horas diurnas. 1.1.2-. Lentes de Fresnel.

La Lente de Fresnel, llamada así por su inventor Augustin

Fresnel, es un diseño de lentes que permite la construcción de lentes de gran apertura y una corta distancia focal sin el peso y volumen de material que debería usar en una lente de diseño convencional.

Cuando las lentes son grandes, su grosor puede hacerse excesivo, haciendo la lente muy pesada y cara. En vez de ello, se puede mantener los radios de curvatura de las lentes separándolas en anillos circulares.

Corte transversal de dos lentes de potencia equivalente: 1. de Fresnel, 2. plano-convexa tradicional.

LA LENTE DE FRESNEL CONSISTE ENTONCES EN UN CONJUNTO DE LENTES, CASI TODAS PRISMAS, QUE CONVIERTEN LA LUZ PROVENIENTE DE UNA FUENTE PUNTUAL EN UNA COLECCIÓN DE RAYOS PARALELOS (ló mismo que una lente convexa pero con menor espesor)

El grosor de la lente en cada anillo es diferente, eliminando

el enorme espesor que tendría la lente de ser sus superficies contínuas, mientras que la superficie presenta un aspecto escalonado. Se emplean en lupas planas con formato de tarjeta de crédito, linternas de los faros, faros de los automóviles, indicadores de dirección, etc.

1.2-. Procesos térmicos activos.

1.2.1-. Efecto concentración.

Como ya hemos visto las centrales térmicas solares funcionan con este sistema.

Tenemos dos sistemas:

1-. Tecnología cilindrica parabolica. La tecnología cilindro parabólica basa su funcionamiento en

el seguimiento solar y la concentración de los rayos solares en unos tubos receptores de alta eficiencia térmica localizados en la línea focal del cilindro. En esto tubos un fluido transmisor de calor, tal como aceite sintético es calentado por los rayos solares concentrados a una temperatura de aproximadamente 400ºC. Este aceite es bombeado a través de una serie de intercambiadores de calor para producir vapor. El calor presente en este vapor, se convierte en electricidad en una turbina de vapor convencional.

Las plantas cilindro parabólicas permiten almacenar el calor

mediante tecnología de sales.

2-. Concentrador solar:

Una central térmica solar o central termosolar es una instalación industrial en la que, a partir del calentamiento de un fluido mediante radiación solar y su uso en un ciclo termodinámico convencional, se produce la potencia necesaria para mover un alternador para generación de energía eléctrica como en una central térmica clásica. Consiste en el aprovechamiento térmico de la energía solar para transferirla y almacenarla en un medio portador de calor, generalmente agua.

Esta es una de las ventajas de la tecnología CSP, el almacenamiento térmico. La tecnología más comúnmente utilizada para almacenar esta energía son las sales (Nitratos) de almacenamiento térmico. La composición de estas sales es variable, siendo la más utilizada la mezcla de Nitrato Potásico, Sódico y últimamente se ha incorporado el Nitrato Cálcico.

Constructivamente, es necesario concentrar la radiación solar para que se puedan alcanzar temperaturas elevadas, de 300 º C hasta 1000 º C, y obtener así un rendimiento aceptable en el ciclo termodinámico, que no se podría obtener con temperaturas más bajas. La captación y concentración de los rayos solares se hacen por medio de espejos con orientación automática que apuntan a una torre central donde se calienta el fluido, o con mecanismos más pequeños de geometría parabólica. El conjunto de la superficie reflectante y su dispositivo de orientación se denomina heliostato.

1.2.2-. Efecto solar térmico. (En el que nos centraremos) Se llama sistema solar térmico a toda instalación destinada

a convertir la radiación solar en calor útil. Un sistema solar de baja temperatura es aquel cuya

temperatura de trabajo es menor de 100 °C. Este sistema, de forma general, requiere el acoplamiento de tres subsistemas principales:

El captador solar es el elemento fundamental de cualquier

sistema solar térmico. Tiene como misión captar la energía solar incidente y transmitirla al fluido que circula por él.

La energía que recolectan estos dispositivos es radiación directa y, en menor medida, difusa, lo que significa que se podrá generar algún calor en los días nublados.

La necesidad de energía no siempre coincide en el tiempo

con la captación que se obtiene del sol, por lo que es necesario disponer de un sistema de acumulación que haga frente a la demanda en momentos de poca o nula radiación solar, así como a la producción solar en momentos de poco ó nulo consumo.

Para los sistemas solares térmicos se utiliza un depósito-

acumulador donde se almacena energía en forma de agua caliente. El intercambiador de calor en una instalación solar se coloca

cuando se quiere transferir el calor de un fluido a otro, sin que estos se mezclen, independizando de esta manera los dos circuitos.

Las bombas de circulación son aparatos accionados por un

motor eléctrico, capaces de suministrar al fluido una cantidad de energía suficiente para transportar el fluido a través de un circuito, venciendo las pérdidas de carga existentes en el mismo.

El vaso de expansión: su función es absorber las dilataciones del fluido contenido en un circuito cerrado, y producidas por aumentos de temperatura.

Válvulas y accesorios: Las válvulas son elementos

intercalados en la red hidráulica capaces de regular e interrumpir el paso del agua por la instalación.

Purgadores y desaireadotes: Estos elementos se colocan en

los puntos más altos de la instalación. Los purgadores son los elementos encargados de evacuar

los gases, generalmente aire, contenidos en el fluido caloportador, facilitando así el correcto funcionamiento de la instalación.

Los desaireadores aseguran que los gases disueltos en el fluido sean separados del mismo, de forma que se facilite su evacuación del circuito hidráulico hacia el exterior mediante el purgador.

Termómetros manómetros y demas instrumentos de medida

y control.

2-. Procesos Fotonicos.

2.1-. Efecto fotoeléctrico externo.

Es la formación y liberación de partículas eléctricamente cargadas que se produce en la materia cuando es irradiada con luz u otra radiación electromagnética. El término efecto fotoeléctrico designa varios tipos de interacciones similares. En el efecto fotoeléctrico externo se liberan electrones en la superficie de un conductor metálico al absorber energía de la luz que incide sobre dicha superficie.

2.2-. Efecto fotoelectrico:

2.2.1-Componentes de una instalación solar fotovoltaica.

a) Clasificación de las instalaciones solares

fotovoltaicas.

La clasificación de las instalaciones solares fotovoltaicas

(ISF) la podemos realizar en función de la aplicación a la que están destinadas. Así, distinguiremos entre aplicaciones autónomas y aplicaciones conectadas a la red. 1-. Aplicaciones autónomas.

Producen electricidad sin ningún tipo de conexión con la red eléctrica, a fin de dotar de este tipo de energía al lugar donde se encuentran ubicadas. Su esquema suele ser el siguiente:

Pueden distinguirse dos bloques.

1-. Aplicaciones espaciales: sirven para proporcionar energía eléctrica a elementos colocados por el ser humano en el espacio, tales como satélites de comunicaciones, estaciones espaciales… La investigación en esta área propicio el desarrollo de los equipos fotovoltaicos tal y como los conocemos en la actualidad.

2-. Aplicaciones terrestres, entre las cuales cabe destacar las profesionales: - Telecomunicaciones: telefonía rural, vía radio; repetidores (de telefonía, televisión, etc) - Electrificación de zonas rurales y aisladas: estas instalaciones, que se pueden realizar en cualquier lugar, están pensadas para países y regiones en desarrollo y en cualquier zona en la que no existe acceso a la red eléctrica comercial (en Europa hay cerca de un millón de personas sin acceso a esta red): viviendas aisladas, de ocupación permanente o periódica, refugios de montaña, etc. En ciertos países como Cuba o Brasil, se emplean en locales comunitarios (consultorios médicos, escuelas, pueblos, aldeas…) - Señalización.: se aplica, por ejemplo, a señales de tráfico luminosas, formadas por diodos LED, alimentados por un panel solar y una batería. - Alumbrado publico: se utiliza en zonas en las que resulta complicado llevar una línea eléctrica convencional. - Bombeo de agua: estas instalaciones están pensadas para lugares tales como granjas, ranchos, etc. Se pueden realizar en cualquier lugar. Su uso puede ser tanto para agua potable como para riego. - Redes VSAT: redes privadas de comunicación (para una empresa, un organismo oficial, etc) que actúan a través de satélite. La energía solar se utiliza para alimentar las estaciones de la red.

- Telemetría: permite realizar medidas sobre variables físicas y transmitir la información a una central (p.e.: control de la pluviométrica de la cuenca de un río) - Otras aplicaciones como juguetes, alumbrado de jardines… 2-. Aplicaciones conectadas a la red. En ellas el productor no utiliza la energía directamente, sino que es vendida al organismo encargado de la gestión de la energía en el país. Tienen la ventaja de que la producción de electricidad se realiza precisamente en el periodo de tiempo en el que la curva de demanda de electricidad aumenta, es decir durante el día, siendo muy importante los kilovatios generados de esta forma. Su esquema suele ser el siguiente:

Cabe distinguir: - Centrales fotovoltaicas y huertos solares: recintos en los que se concentra un número determinado de instalaciones fotovoltaicas de diferentes propietarios con el fin de vender la electricidad producida a la compañía eléctrica con la cual se haya establecido el contrato. La energía vendida puede estar a nombre de una persona, una sociedad, etc. Cada instalación tiene su propietario y todas ellas se ubican en el mismo lugar. Esto posibilita mejoras en el mantenimiento de la instalación, vigilancia, pólizas de seguros…

- Edificios fotovoltaicos: es una de las últimas aplicaciones desarrolladas para el uso de la energía fotovoltaica. La rápida evolución en los productos de este tipo ha permitido el uso de los módulos como material constructivo en cerramientos, cubiertas y fachadas de gran valor visual. Además, la energía fotovoltaica es el sistema de energías renovables mas adecuado para la generación de la electricidad en zonas urbanas sin provocar efectos ambientales adversos. La integración arquitectónica consiste en combinar la doble función, como elemento constructivo y como productor de electricidad, de los módulos fotovoltaicos.

La mayoría de estos sistemas han sido integrados en tejados, porque es allí donde alcanzan la máxima captación de energía solar, pero últimamente se esta comenzando a integrarlos en muros y fachadas, en las que, por ejemplo el vidrio es reemplazado por módulos de laminas semitransparentes. A la hora de realizar este tipo de instalaciones se tienen en cuenta consideraciones estéticas (en la elección del tipo de panel), además de las relacionadas con el rendimiento energético.

b) Elementos de una ISF

De manera general, una instalación solar fotovoltaica (ISF) se ajusta a un esquema como el mostrado en la siguiente figura. Veremos el funcionamiento de cada elemento.

OJO: Diodo: componente electrónico fabricado con una unión P-N, que tiene la particularidad de conducir la corriente eléctrica solo en un sentido. Su símbolo es:

Efecto fotovoltaico: propiedad que tienen determinados materiales de producir una corriente eléctrica cuando incide una radiación lumínica sobre ellos.

1-. La célula solar: características básicas.

El elemento principal de cualquier instalación de energía solar es el generador, que recibe el nombre de célula solar. Se caracteriza por convertir directamente en electricidad los fotones provenientes de la luz del sol. Su funcionamiento se basa en el efecto fotovoltaico.

Una célula solar se comporta como un diodo: la parte expuesta a la radiación solar es la N, y la parte situada en la zona de oscuridad, la P. Los terminales de conexión de la célula se hallan sobre cada una de estas partes del diodo: la cara correspondiente a la zona P se encuentra metalizada por completo (no tiene que recibir la luz), mientras que en la zona N el metalizado tiene forma de peine, a fin de que la radiación solar llegue al semiconductor.

Por tanto su funcionamiento es el siguiente: La conversión

de la radiación solar en energía eléctrica tiene lugar en la célula fotovoltaica, que es el elemento base del proceso de transformación de la radiación solar en energía eléctrica.

La luz está formada por partículas, los fotones, que

trasportan energía. Cuando un fotón con suficiente energía golpea la célula, es absorbido por los materiales semiconductores y libera un electrón. El electrón, una vez libre, deja detrás de sí una carga positiva llamada hueco.

Por lo tanto, cuanto mayor será la cantidad de fotones que

golpean la célula, tanto más numerosas serán las parejas

electrón-hueco producidas por efecto fotovoltaico y por lo tanto más elevada la cantidad de corriente producida.

Parámetros fundamentales de la célula solar ● Corriente de iluminación (Il): la corriente generada cuando incide la radiación solar sobre la célula. ● Corriente de oscuridad: es debida a la precombinación de los pares electrón-hueco que se produce en el interior del semiconductor. ●Tension de circuito abierto (Voc): la máxima tensión que se obtiene en los extremos de la célula solar, que se da cuando no esta conectada a ninguna carga. Es una característica del material con el que esta construida la célula. ● Corriente de cortocircuito (ISC): máximo valor de corriente que puede circular por la célula solar. Se da cuando sus terminales están cortocircuitados.

Cuando la célula solar es conectada a una carga, los valores

de tensión e intensidad varían. Existirán dos de ellos para los cuales la potencia entregada sea máxima: Vm (tensión máxima) e Im (intensidad máxima), que siempre serán menores que VOC e ISC. En función de estos valores, la potencia máxima que puede entregar la célula solar será:

Pm = Vm Im

Esto nos permite definir un parámetro de la célula solar que recibe el nombre de factor de forma (FF) y que se calcula mediante la formula:

FF = (Vm Im) / (VOC ISC)

Así pues, el factor de forma es el cociente entre la máxima

potencia que puede entregar la célula a la carga y el producto de la tensión de circuito abierto y la corriente de cortocircuito. En las células solares más habituales, los valores típicos de FF son 0,7 o 0,8.

En una célula solar la producción de corriente depende de la

irradiancia (nivel de iluminación), de tal forma que a medida que aumenta al irradiancia, aumenta la intensidad a través de la célula.

2-. El panel solar

Un panel o modulo fovoltaico esta formado por un conjunto de

células, conectadas eléctricamente, encapsuladas, y montadas sobre una estructura de soporte o marco. Proporciona en su salida de conexión una tensión continua, y se diseña para valores concretos de tensión (6V, 12V, 24V…), que definirán la tensión a la que va a trabajar el sistema fotovoltaico.

Los tipos de paneles solares vienen dados por la tecnología de fabricación de las células, y son fundamentalmente:

• Silicio cristalino (monocristalino y multicristalino9 • Silicio amorfo.

Potencia de la célula solar.

La potencia que proporciona una célula de tamaño estándar (digamos de 10 x 10 cm) es muy pequeña ( en torno a 1 o 2 W), por lo que generalmente será necesario tener que asociar varias de ellas con el fin de proporcionar la potencia necesaria al sistema fotovoltaico de la instalación. Es de este hecho de donde surge el concepto de panel solar o modulo fotovoltaico, cuyos elementos y características acabamos de ver.

Según la conexión eléctrica que hagamos de las células, nos

podemos encontrar con diferentes posibilidades:

La conexión en serie de las células permitirá aumentar la tensión final en los extremos de la célula equivalente.

La conexión en paralelo permitirá aumentar la intensidad

total del conjunto.

Los elementos conectados en serie tienen todos la misma corriente, mientras que los elementos asociados en paralelo tienen todos la misma tensión.

Agrupamiento y conexión de paneles

Dependiendo de la instalación que estemos desarrollando, y

de la aplicación para la que se ha diseñado, existe la posibilidad de utilizar un solo panel o un conjunto de paneles que se

montaran agrupados sobre un determinado soporte y conectados entre si eléctricamente.

En aplicaciones de poca potencia, es posible hasta la

utilización de paneles solares flexibles, que permitirán aplicaciones como alimentar un equipo de comunicaciones, recargar la batería de un teléfono, etc.

Cuando necesitemos una potencia elevada que no se puede obtener con un único modulo fotovoltaico, se recurre a la conexión en grupo de varios paneles solares.

La conexión de paneles en serie aumentara la tensión final

de la instalación, y la intensidad será igual para todos los módulos. Si los módulos son diferentes, la intensidad la fijara aquel cuyo valor sea menor.

Ejemplo: agrupamiento de paneles.

En el montaje de una instalación fotovoltaica se van a

utilizar paneles con las siguientes características:

Modelo tensión Potencia A.5 17V 5W A-10 17V 10W A-20 17V 20W

La potencia total que se espera consumir en la instalación

es de 40W, trabajando a 12 voltios DC. Hay que decidir que panel usar, cuantos debemos usar y la forma de conectarlos.

Todos los paneles nos pueden dar más de los 12 V que necesitamos. Los tenemos que conectar en paralelo para que nos den la intensidad suficiente para lograr 40 W.

Necesitaremos: 40W/ 5W = 8 paneles del modelo A-5 Necesitaremos: 40W/ 10W = 4 paneles del modelo A-10 Necesitaremos: 40W/ 20W = 2 paneles del modelo A-20

Decidiremos que modelo utiliza según el espacio que tengamos y el coste de la instalación.

La conexión de los módulos fotovoltaicos se realiza por la

parte posterior de los mismos, en una caja de conexiones preparada para tal fin. Esta caja de conexión contiene los diodos de protección (diodos de by-pass), que solo dejaran pasar la corriente en un sentido, y se opondrán a la circulación de la misma en el sentido contrario. Tienen varias misiones:

Impedir que las baterías de la instalación se descarguen a

través de los paneles. Evitar que se invierta el flujo de corriente entre bloques

interconectados en paralelo cuando en alguno de ellos se produce una sombra.

Proteger individualmente cada panel de posibles daños

ocasionados por sombras parciales que se produzcan por circunstancias especiales. 3-. El regulador.

Para un correcto funcionamiento de la instalación, hay que

instalar un sistema de regulación de carga en la unión entre los paneles solares y las baterías. Este elemento recibe el nombre de regulador y tiene como misión evitar situaciones de carga y sobredescarga de la batería, con el fin de alargar su vida útil.

El regulador trabaja por tanto en las dos zonas. En la parte

relacionada con la carga, su misión es la de garantizar una carga

suficiente al acumulador y evitar las situaciones de sobrecarga, y en la parte de descarga se ocupara de asegurar el suministro eléctrico diario suficiente y evitar la descarga excesiva de la batería.

Dado que los módulos solares tienen una tensión nominal

mayor que la de la batería, si no existiera regulador se podrían producir sobrecargas.

El motivo de que esta tensión nominal de los paneles sea así

se debe fundamentalmente a dos razones: ● Atenuar posibles disminuciones de tensión por el aumento

de la temperatura. ● Asegurar la carga correcta de la batería. Para ello la

tensión V OC del panel deberá ser mayor que la tensión nominal de la batería.

El dimensionado de la instalación solar se realiza de manera

que se asegure el suministro de energía en las peores condiciones de luminosidad del sol. Por ello se toman como referencia los valores de irradiación en invierno. Esto puede provocar que en verano la energía aportada por los módulos solares sea en ocasiones casi el doble de los cálculos estimados, por lo que, si no se conecta el regulador entre los paneles y las baterías, el exceso de corriente podría llegar incluso a hacer hervir el electrolito de los acumuladores, con el riesgo que ello conlleva.

El regulador debe proteger tanto la instalación como a las

personas que lo manejen, por lo que deberá llevar sistemas que proporcionen las medidas de seguridad adecuadas para cada uno de los casos.

4-. Acumuladores. Tipos de baterías. La llegada de la energía solar a los módulos fotovoltaicos no

se produce de manera uniforme, sino que presenta variaciones por diferentes motivos. Algunas de estas variaciones son predecibles, como la duración de la noche o las estaciones del año, pero existen muchas causas que pueden producir alteraciones de manera aleatoria en la energía recibida, como puede ocurrir con un aumento de la nubosidad en un determinado instante.

Este hecho hace necesario utilizar algún sistema de

almacenamiento de energía para aquellos momentos en que la radiación recibida sobre el generador fotovoltaico no sea capaz de hacer que la instalación funcione en los valores diseñados. Para ello se utilizaran las baterías o acumuladores.

Las baterías son dispositivos capaces de transformar la

energía química en eléctrica. El funcionamiento en una instalación fotovoltaica será el siguiente:

E. eléctrica (generación) --���� E. química (almacenamiento) -

���� E. eléctrica (consumo)

Las baterías son recargadas desde la electricidad producida por los paneles solares, a través de un regulador de carga, y pueden entregar su energía a la salida de la instalación, donde será consumida.

Tres son las misiones que tienen las baterías en las

instalaciones fotovoltaicas: • Almacenar energía durante un determinado número de

días. • Proporcionar una potencia instantánea elevada. • Fijar la tensión de trabajo de la instalación. Uno de los parámetros más importantes que tener en

cuenta a la hora de elegir un acumulador es la capacidad. Se define como la cantidad de electricidad que se puede lograr en una descarga completa del acumulador partiendo de un estado de carga total del mismo. Se mide en amperios hora (Ah), y se calcula como el producto de la intensidad de descarga del acumulador durante el tiempo que esta actuando.

Ejemplo: en una instalación fotovoltaica, cuya tensión de

trabajo es de 12voltios, se esta utilizando un acumulador cuya capacidad es de 200 Ah. Calcular el tiempo que tarda en descargarse cuando se conecta a la salida un aparato cuya potencia consumida es de 12 vatios.

Lo primero que calculamos es la intensidad que va a circular

por la instalación cuando este conectado el aparato. P = V•I = > I = P/V = 120/12 = 10A

La corriente de descarga será de 10 amperios. Puesto que

C= 200Ah el tiempo en el que se descargara la batería:

T= C/I = 200/10 = 20 horas.

Además de la capacidad, debemos considerar otros

parámetros en los acumuladores que vamos a utilizar en las instalaciones fotovoltaicas:

Eficiencia de carga: relación entre la energía empleada para

recargar la batería y la energía realmente almacenada. Interesa que sea un valor lo mas alto posible, próximo al 100%. Si la eficiencia es baja, será necesario aumentar el número de paneles solares para obtener los resultados deseados.

Autodescarga: proceso mediante el cual el acumulador, sin

estar en uso, tiende a descargarse. Profundidad de descarga: cantidad de energía, en tanto por

ciento, que se obtiene de la batería durante una determinada descarga, partiendo del acumulador totalmente cargado. Esta relacionada con la duración o vida útil del acumulador. Si los ciclos de descargas son cortos (en torno al 20%, por ejemplo), la duraron del acumulador será mayor que si se le somete a descargas profundas (por ejemplo del 80%).

Teniendo presente el concepto de profundidad de descarga

de una batería, a las descargas muy acusadas se les llama descargas profundas, y a las ligeras, descargas superficiales.

A la hora de elegir los acumuladores, es importante tener

en cuenta el efecto de la temperatura sobre los mismos. La capacidad aumenta a medida que aumenta la temperatura, y al revés, disminuye cuando baja la temperatura del lugar donde se encuentran ubicados. Si puede haber temperaturas inferiores a 0ºC en la instalación habrá que elegir un acumulador de mayor capacidad que el calculado.

5-. El inversor.

El inversor se encarga de convertir la corriente continua de

la instalación en corriente alterna, igual a la utilizada en la red eléctrica: 220 v de valor eficaz y una frecuencia de 50 Hz.

Es un elemento imprescindible en las instalaciones

conectadas a la red, y estará presente en la mayoría de instalaciones autónomas, sobre todo en aquellas destinadas a la electrificación de viviendas.

La misión del inversor en las instalaciones autónomas es

proporcionar una corriente alterna como la de la red eléctrica, con el fin de que se puedan conectar a la misma electrodomésticos de los utilizados habitualmente en las viviendas. En este caso, las variaciones que pueda sufrir la corriente no tienen la importancia que en el caso de los inversores de las instalaciones conectadas a la red.

En el caso de las instalaciones conectadas a la red, el

inversor debe proporcionar una corriente alterna que sea de las mismas características de la red eléctrica a la que esta

conectado, tanto en valor eficaz (230V) y sobre todo en la frecuencia (50Hz); no se permiten prácticamente variaciones, con el fin de evitar perturbaciones sobre la red eléctrica de distribución.

Como vemos la principal diferencia entre las dos instalaciones es que en las autónomas se cuenta con los acumuladores para almacenar la energía y los reguladores de carga de los mismos, mientras que en las instalaciones conectadas a la red, la energía no se almacena, sino que se pone a disposición de los usuarios a través de la red eléctrica según se produce. En este tipo de instalaciones existirán equipos de medida, tanto de la energía que se vende a la red eléctrica como del propio consumo de la instalación productora.

B-. Conversión indirecta:

1-. Procesos eólicos.

Se puede tomar a la energía eolica como una energía solar, puesto que la energía solar calienta la atmosfera creando el movimiento del aire.

Aproximadamente el 2% de la energía que llega del sol se transforma en energía cinética de los vientos atmosféricos. El 35% de esta energía se disipa en la capa atmosférica a tan solo un kilómetro por encima del suelo. Del resto se estima que por su aleatoriedad y dispersión solo podría ser utilizada 1/13 parte, cantidad que hubiera sido suficiente para abastecer 10 veces el consumo de energía primaria mundial del año 2002 (10.000 Mtep), de ahí su enorme potencial e interés.

La masa de aire en movimiento es energía cinética que

puede ser transformada en energía eléctrica.

Al incidir el viento sobre las palas de una aeroturbina se produce un trabajo mecánico de rotación que mueve a su vez un generador para producir electricidad. La cantidad de energía que contiene el viento antes de pasar por un rotor en movimiento depende de tres parámetros: La velocidad del viento incidente, la densidad del aire y el área barrida por el rotor.

La velocidad a la que el aire pase por las palas resulta

determinante, pues la energía cinética del viento aumenta proporcionalmente al cubo de la velocidad a la que se mueve. Por ejemplo: si la velocidad se duplica, la energía será ocho veces mayor.

El principal inconveniente a la hora de producir energía a partir del viento es que éste no es un recurso del que se pueda disponer de forma constante. Igual aparece que desaparece.

Esto resulta especialmente problemático para gestionar la oferta de energía dentro de la red general de suministro, en especial cuando los parques eólicos superan ya los 9.000 MW de potencia.

Por este motivo, el Real Decreto 436/04 introdujo una gran

novedad en el sector eólico español, y es la obligación de predecir con antelación cuánta energía se va a producir para poder participar en el mercado energético (una obligación que se extenderá también a las instalaciones que permanezcan en tarifa regulada en enero de 2007 y tengan más de 10 MW de potencia).

Esto está forzando a poner a punto sistemas de predicción

meteorológicos que ayuden a estimar con la mayor precisión posible el viento que soplará en cada zona. Y, dentro de este

proceso, resulta especialmente interesante el Ejercicio de Predicción, pionero en el mundo, puesto en marcha a mediados de 2004 por la Asociación Empresarial Eólica (AEE) en España.

Este ejercicio, que también cuenta con la participación del

Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE), consiste en analizar el estado actual del arte de la predicción eólica (niveles de resultados alcanzables, detección de variables con más trascendencia en los resultados, influencia del tipo de modelo de predicción seleccionado, importancia de la cuenca eólica considerada, influencia del tamaño y características del parque y de los aerogeneradores, etc.), además de detectar fuentes de mejora de los modelos y del propio intercambio de información entre los parques eólicos y los modelos de predicción.

Cómo es un aerogenerador

1-. La torre: Soporta la góndola y el rotor. Hoy en día

suelen ser tubulares de acero. Las de celosía (perfiles de acero soldados) son más económicas, pero han dejado de usarse por estética y por ser más incómodas e inseguras para los trabajadores. En terrenos rugosos, las torres más altas captarán vientos de mayor velocidad.

2-. Rotor: Conjunto formado por las palas y el buje que las

une. Sirve para transformar la energía cinética del viento en energía mecánica. Cuanto mayor sea el área barrida del rotor mayor será la producción. Los rotores pueden ser de paso variable (que permiten girar sobre sí mismas a las palas) o de paso fijo (en el que no pueden girar). También puede ser de velocidad variable (cuando la velocidad de giro del rotor es variable) o constante.

3-. Las palas: Las palas de un aerogenerador son muy

similares a las alas de un avión. Hoy en día, la mayoría de las turbinas cuentan con tres palas. Y suelen ser de poliéster o epoxy reforzado con fibra de vidrio.

4-. Góndola: En su interior contiene los diferentes

dispositivos que van a transformar la energía mecánica del rotor en energía eléctrica. Además, en su exterior cuentan con un anemómetro y una veleta que facilitan información continua a todo el sistema para su control.

5-. Multiplicador: Multiplica la velocidad de giro que llega

del rotor para adaptarla a las necesidades del generador. El movimiento de giro de los aerogeneradores suele ser bastante lento. El rotor de una turbina de 1.500 kW de potencia, por ejemplo, suele girar a una velocidad de entre 10 y 20 revoluciones por minuto (r.p.m.). El multiplicador aumentará esta velocidad hasta las 1.500 r.p.m.

6-. Generador: Transforma la energía mecánica en energía

eléctrica, tal y como hace la dinamo de una bicicleta, aunque generando normalmente corriente alterna. El alternador puede ser síncrono o asíncrono. El primero suministra una energía de mayor calidad, pero es más caro y complejo. Esta es la razón por la que el asíncrono es el más extendido de los dos.

7-. Controlador electrónico: Un ordenador controla

continuamente las condiciones de funcionamiento del aerogenerador mediante el análisis de las señales captadas por múltiples sensores que miden temperaturas, presiones, velocidad y dirección del viento, tensiones e intensidades eléctricas, vibraciones...

8-. Sistemas hidráulicos: Elementos auxiliares que

permiten el accionamiento del giro de las palas sobre su eje, así como el frenado del rotor o el giro y frenado de la góndola. Sistema de orientación: Los aerogeneradores disponen de un sistema de orientación que, con ayuda de los datos recogidos por la veleta, coloca siempre el rotor de manera perpendicular al viento.

2-. Procesos fotoquímicos.

La fotoquímica, una subdisciplina de la química, es el estudio

de las interacciones entre átomos, moléculas pequeñas, y la luz (o radiación electromagnética).

La primera ley de la fotoquímica, conocida como la ley de

Grotthus-Draper (por los químicos Theodor Grotthuss y John W. Draper), establece que la luz debe ser absorbida por una sustancia química para que dé lugar a una reacción fotoquímica.

La segunda ley de la fotoquímica, la ley de Stark-Einstein, establece que para cada fotón de luz absorbido por un sistema químico, solamente una molécula es activada para una reacción fotoquímica. Esto es también conocido como la ley de la fotoequivalencia y fue derivada por Albert Einstein en el momento en que la teoría cuántica de la luz estaba siendo desarrollada.

La fotoquímica puede ser introducida como una reacción que

procede con la absorción de luz.

Mediante estas reacciones se crea la biomasa. La biomasa puede considerarse como energía solar almacenada. Esta energía se consigue mediante el proceso de la fotosíntesis. La biomasa tiene diferentes fuentes, la que nos interesa es la biomasa procedente del proceso de fotosíntesis.