¿Qué es la energía solar?

Podemos asimilar la Tierra una nave espacial cuyos recursos le llegan de forma diaria en forma de rayos de sol. Lo que conocemos como energía solar es el único aporte que recibe el planeta y se sirve de él, para alimentar todos los procesos biológicos que dan lugar a la vida.

La radiación solar no es un producto homogéneo sino un conjunto de radiaciones de distintas propiedades físicas con diferentes longitudes de onda, cuya “fotografía” se conoce como espectro. La luz y el calor son dos de las expresiones de ese paquete al que llamamos radiación.

El origen no está inmóvil como los yacimientos fósiles sino en constante movimiento. Como ese movimiento lleva asociado los días, las noches y las estaciones, la cantidad de energía que nos suministra no es constante como en el caso del gas, sino variable. La energía solar es natural, es ecológica, es gratis y es abundantísima e inagotable.

Una primera observación del espectro nos dice que el conjunto de la radiación que recibimos es un conjunto de radiaciones electromagnéticas, de diferentes longitudes de onda, que varían entre 0,2 y 4 micras. La relación entre esa longitud de onda y su poder energético es inversa. Las radiaciones de menor longitud son las de más capacidad y viceversa.
 

El siguiente punto a abordar es el de la cuantificación de la energía contenida en la radiación incidente. Se ha demostrado experimentalmente que el Sol envía energía en una cantidad constante que es de 1.353 W/m2. No todas las ondas del espectro contribuyen a todos los fenómenos sino que, por el contrario, existe una delimitación clara de longitudes de onda y efectos.

La luz sólo está producida por las ondas cuyas longitudes de onda están entre 0,35 micras correspondientes al color violeta, y 0,75 micras correspondientes al rojo. Por encima y por debajo de estos valores, no se produce luz visible para el ojo humano. El calor se produce de forma mayoritaria en el intervalo que va de 0.5 a 0.78 micras lo que se acopla bastante bien a la parte de los colores que van del amarillo al rojo.

Conforme la radiación atraviesa la atmósfera, sufre los fenómenos de reflexión y de absorción, que hacen que aproximadamente la mitad de la radiación incidente sea devuelta hacia el espacio antes de alcanzar la superficie terrestre. Las nubes, el contenido atmosférico de polvo, gases y, sobre todo, vapor de agua, contribuyen a diluir la radiación que ha de llegarnos.

Cuanta más cantidad de los factores citados encuentre la radiación a su paso, mayor será la parte reflejada y absorbida y menor la radiación que quedará disponible para su uso.
 

Energía térmica solar

El recorrido de la radiación solar al atravesar la atmósfera es mayor por la mañana y por la tarde que al medio día y, a su vez, cambia conforme la Tierra va orbitando alrededor del Sol debido a que esa órbita es elíptica acercándonos en invierno y alejándonos en verano. Parece obvio citar que a mayor recorrido a través de la atmósfera, se produce una mayor difusión de la radiación.

Esta es la causa principal que disponiendo de una fuente constante en la atmósfera exterior, contemos con una energía variable a lo largo del día, además de hacerlo estacionalmente y que, en valor medio anual, sólo llega a alcanzar la cuarta parte de su valor fuera de la atmósfera.

Así pues, el problema de conocer la potencia de la radiación incidente es el primer dato que no es de definición simple, y exige el uso de tablas que indican los valores que estadísticamente se puede esperar a las diferentes horas del día a lo largo de los meses del año. La Figura 1 indica el modo en que cabe esperar que varíe la energía que recibe un determinado lugar en las épocas extremas de invierno y verano.
 

Es importante aclarar que esta radiación que estamos contabilizando es una mezcla de lo que se llama radiación directa, aquella capaz de producir sombras, y radiación difusa, que es la componente que nos llega de toda la bóveda al haber sido difundida y reflejada por las diferentes partículas. Ésta, que no es capaz de producir sombras, es la única existente en días nublados y en las horas del amanecer y anochecer en las que hay luz, pero no está el Sol sobre el horizonte.

Suponiendo la Tierra fija y el Sol dando vueltas, un observador vería que el Sol sigue unas trayectorias, el Sol nace en un amplio sector situado hacía el Este y se pone dentro de otro sector igualmente amplio situado al Oeste. Es decir, este tipo de tecnología estará dotada de seguidores solares que seguirán al sol de forma que obtenga el mayor rendimiento de la radiación directa. De las dos, la componente difusa es la que aporta un menor porcentaje al total del valor, a la vez de ser la más difícil de estimar.

La componente directa es la que ha sido objeto de estudios más precisos y de la que existen relaciones matemáticas que intentan ligar todos los factores que intervienen. Sólo dos días al año (21 de marzo y 21 de septiembre), llamados equinoccios, el Sol nace por el Este y se pone por el Oeste dando lugar a días en los que el día y la noche duran doce horas exactas. El resto del año el día y la noche tienen períodos de duración diferentes, siendo el día más corto el solsticio de invierno (21 de Diciembre) y el más largo el solsticio de verano (21 de Junio).
Además de variar el tiempo, que está sobre el horizonte, el Sol varía la altura que es capaz de alcanzar al mediodía. La posición del Sol, queda determinada mediante dos ángulos que son la altura y el azimut La altura se define como el ángulo que forma el Sol, el observador y el horizonte mientras que el azimut es el ángulo que forma la proyección de la línea Sol-observador con la dirección sur.

En cuestiones de energía solar, el uso de esos ángulos puede ser relevante a la hora de saber si un árbol o un edificio va a hacer sombra sobre nuestro equipo solar en algún momento del año.

El captador solar

El captador solar, generalmente llamado colector solar, es básicamente una trampa de calor diseñada para transformar la radiación solar en calor, aprovecharlo en su mayor parte y evitar en lo posible pérdidas al ambiente El primer objetivo de transformar la radiación solar en calor se hace a base de interponer una superficie sólida, que en adelante llamaremos absorbente, con un coeficiente de absorción lo más elevado posible, razón por la que todos los colectores solares tienen un color negro característico.
 

Para evitar en lo posible esta pérdida, se interpone un vidrio ante esta cara superior y el ambiente. Aunque la capacidad aislante del vidrio es muy reducida, su contribución es notable, ya que reduce enormemente las pérdidas por convección, además de las de radiación debido al efecto invernadero.

En el caso de la radiación solar, la radiación térmica se emite en una longitud de onda pequeña, ya que este detalle es el que permite que el vidrio pueda utilizarse como aislante.

La estructura molecular del vidrio es una especie de rejilla en la que los átomos están separados por una distancia similar a la de la longitud de onda que llega del Sol. El vidrio es transparente a la luz que llega del Sol. Pero no al calor porque la longitud de onda de esa radiación es mucho mayor y ya no es capaz de atravesar la malla que forman los átomos del vidrio. El tercer paso en el funcionamiento de colector es conseguir extraer de él el calor que capta, a base de hacer circular un fluido por su interior.

Para facilitar la transmisión del calor captado por el absorbente al fluido térmico, se procura que el absorbente sea un material con un coeficiente de transmisión de calor lo más elevado posible (metal) y, por otro lado, que el fluido térmico circule por un circuito diseñado de tal forma que fluido y absorbente tengan la mayor superficie de contacto posible.

El caudal de fluido que hagamos circular va a ser el determinante de la temperatura que alcance y, por tanto, del nivel térmico de que podremos disponer.

Dónde colocar los captadores solares.

Por supuesto al Sol, y no es una frase gratuita. Para que capten la mayor cantidad de calor posible deben estar lo más al sur posible y lo más perpendicular que podamos a la dirección de los rayos del sol. Como hemos comentado lo más optimo es que los captadores “sigan al sol” para absorber la mayor parte de la radiación directa.

Inclinación

Geométricamente, la inclinación que más radiación capta, es aquella que se encuentra perpendicular a los rayos del Sol cuando éstos tienen mayor intensidad.
La inclinación que más radiación capta a lo largo del año, para un lugar determinado, es la de la latitud del lugar (en la península, entre 36 y 43).

Las aplicaciones térmicas de la energía solar

Los usos de la energía solar térmica son variados, los cuales se exponen a continuación. En el caso de Bogaris Energy haremos más hincapié en los proyectos que estamos desarrollando de energía solar térmica con tecnología de captadores de cilindro parabólico: Agua caliente para uso doméstico o industrial, climatización de piscinas, calefacción, refrigeración y generación eléctrica.

Mediante captadores cilindro parabólicos

La energía térmica transmitida del captador de cilindro parabólico al fluido térmico, es utilizada para calentar agua y generar vapor, cuya energía calorífica se transforma en energía mecánica que genera electricidad en el alternador de la turbina. No todo el calor del fluido térmico se utiliza para generar electricidad “on line” sino que parte es almacenada en acumuladores térmicos. Por la noche este calor almacenado pasa nuevamente al fluido térmico para generar vapor que seguidamente se turbinará para producir eléctricidad tal y como se ve en la figura 3.

Mediante torre concentradora

La energía térmica es reflejada desde el captador a la torre o receptor solar, ésta es utilizada para calentar agua y generar vapor, cuya energía calorífica se transforma en energía mecánica que genera electricidad en el alternador de la turbina. No todo el calor del fluido térmico se utiliza para generar electricidad “on line” sino que parte es almacenada en acumuladores térmicos. Estos acumuladores cederán esta energía para solventar la ausencia de energía térmica solar durante el paso de las nubes, tal y como se ve en la figura 4.