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El Calor Solar

Una gran parte de la radiación solar incidente sobre la Tierra se almacena en forma de calor cerca de la superficie. Un 47% de ésta es absorbida por los océanos y continentes mientras que el 24% de radiación la absorbe la atmósfera.  La capacidad de la tierra firme y del mar para actuar como absorbedores de energía solar y como almacenantes de calor tiene mucha importancia para la biosfera. Las formas de vida presentes en la Tierra dependen del efecto invernadero, que posibilita que las temperaturas se mantengan dentro de determinados límites. Los océanos son los acumuladores de calor más importantes de toda la biosfera. Casi la mitad de la energía solar absorbida por los océanos se utiliza para evaporar el agua. La otra mitad se transfiere a la atmósfera como calor sensible de convección, pero la parte más importante se re-irradia a la atmósfera.

Ya se ha mencionado el uso pasivo de energía solar directa, por ejemplo para secado de ropa, secado bajo sol de cosechas, alimentos, materiales, calentamiento de agua, calefacción natural y otros. Sabemos que es también, saludable nuestra exposición a radiación y calor solar, sin embargo existen límites para el uso directo de radiación y calor solar en nuestro organismo so pena de sufrir quemaduras y enfermedades serias.  

Otras aplicaciones de la energía primaria se basan en la producción de calor o de electricidad que, posteriormente, son utilizados para el consumo. Para la conversión de la radiación solar en energía térmica se requiere un material que absorba la luz del sol y sea capaz de transmitir la energía absorbida a un fluido portador. También puede convertirse la radiación solar en electricidad mediante dos etapas: primero, convirtiéndola en calor, y luego, convirtiendo el calor en electricidad por medio de ciclos termodinámicos convencionales. Refiriéndonos a la primera forma de conversión, la energía solar térmica aprovecha el calor generado por el sol para calentar un fluido. El calor recogido en los colectores o placas solares puede destinarse a satisfacer numerosas necesidades. Por ejemplo, se puede obtener agua caliente para consumo doméstico o industrial; para dar calefacción o refrigeración a nuestros hogares, hoteles, colegios, fábricas o para la climatización de piscinas. La aplicación más generalizada de los sistemas solares es la generación de agua caliente sanitaria, tanto en servicios de hoteles como en viviendas, residencias, hospitales, camping, instalaciones deportivas y otros tipos de residencias.

En el área solar termoeléctrica se desarrollan centrales de media y alta temperatura. Él es la causa de los vientos, de la evaporación de las aguas superficiales, de la formación de nubes, de las lluvias y, por consiguiente, de los saltos de agua. Su calor y su luz son la base de numerosas reacciones químicas indispensables para el desarrollo de los vegetales y de los animales que con el paso de los siglos han originado combustibles fósiles como el carbón o el petróleo. La radiación solar tiene otra importancia capital: otras formas de energía renovable, como el viento, las olas o la biomasa no son más que manifestaciones indirectas de ésta. La radiación solar interceptada por la Tierra constituye la principal fuente de energía renovable a nuestro alcance. La energía solar térmica hemos dicho, se puede obtener, activamente, a través de unos elementos específicos por los que circula un fluido que absorbe la energía radiada del Sol; pasivamente, se hacen desarrollos a través de una serie de aplicaciones conocidas como bioclimatismo. En este último caso, su uso está relacionado con un aspecto que se está popularizando mucho: la optimización de diseño de los edificios para disminuir hasta donde sea posible las necesidades de calefacción y de refrigeración adicionales. Esta aplicación puede ser muy útil en los hogares, pero también en piscinas, hoteles y polideportivos. El uso de sistema activo se orienta principalmente a cubrir parte de las necesidades térmicas de un edificio, como la producción de agua caliente sanitaria y calefacción. Este conjunto de aplicaciones es lo que se llama energía solar activa de baja temperatura. En los últimos años, la energía solar térmica ha conseguido un grado de madurez que la convierte en una buena opción técnica y económica. En este sentido, la aplicación de la energía solar para producir agua caliente sanitaria es una de las posibilidades que ofrece una rentabilidad más atractiva. Los últimos avances y líneas de investigación se han centrado en la mejora de los materiales y elementos de control, regulación y seguimiento del funcionamiento de las instalaciones.  


La energía solar termoeléctrica agrupa un conjunto de tecnologías diferenciadas que se caracterizan por realizar concentración solar con el fin de alcanzar temperaturas que permitan la generación eléctrica. Su aplicación puede llegar a constituir una forma de generación de energía competitiva y con las ventajas que corresponde a una fuente renovable y respetuosa con el medio ambiente. Las centrales de torre y los colectores cilíndrico-parabólicos son más apropiados para proyectos de gran tamaño conectados a red, en el rango de 30-200 MW, mientras que los sistemas disco-parabólicos son modulares y pueden ser usados en aplicaciones individuales o en grandes proyectos. La energía solar termoeléctrica forma parte del conjunto de energías renovables cuya principal aplicación es la producción de energía eléctrica, en ausencia de procesos de combustión y por tanto sin emisiones de gases que producen efecto invernadero. No existe impacto sobre el medio físico, ni sobre la calidad del aire, ni sobre los suelos; tampoco se provocan ruidos ni se afecta a la hidrología existente. Tampoco entraña ningún riesgo para la seguridad.


Para conseguir energía eléctrica a partir de calor existe la posibilidad de utilizar procesos directos de conversión. Uno de estos procesos directos de conversión utiliza el efecto termoeléctrico asociado al calentamiento de la unión de dos materiales conductores diferentes, que pueden ser metales o semiconductores. Para aplicaciones que requieren entre 80 y 120ºC, existen los colectores de vacío que suelen emplear una superficie de captación formada por una serie de tubos con aletas, recubiertos de una superficie selectiva y circulando el fluido caloportador en su interior. Para alcanzar mayores temperaturas, resulta imprescindible concretar la radiación solar mediante procedimientos ópticos con dispositivos de lentes. En la actualidad, los procedimientos más desarrollados en las instalaciones de media temperatura son los de reflexión mediante espejos. Para este rango de temperaturas, corresponden a los concentradores lineales con superficie reflexiva cilindroparabólica. Los colectores cilindroparabólicos constan de un espejo cilindro-parabólico que refleja toda la radiación solar recibida sobre un tubo de vidrio dispuesto a lo largo de la línea focal del espejo y en cuyo interior se encuentra la superficie absorbente en contacto con el fluido caloportador.

Esta disposición del absorbente y del fluido caloportador pretende reducir las pérdidas por convicción. El fluido se calienta hasta 390ºC aproximadamente y se bombea a través de una serie de intercambiadores de calor para producir vapor sobrecalentado que alimenta una turbina convencional que genera electricidad. Las aplicaciones más habituales en las instalaciones de media temperatura son la producción de vapor para procesos industriales y la generación de energía eléctrica. Otras aplicaciones son la desalinización y la refrigeración mediante energía solar. Las perspectivas de coste de esta tecnología son mayores que las de las centrales de torre o las paraboloidales  debido a la baja concentración solar y, en consecuencia, a las bajas temperaturas y eficiencia. No obstante, con la experiencia existente en la operación de estas plantas, las continuas mejoras tecnológicas y las reducciones de coste en operación y mantenimiento, esta tecnología resulta la menos costosa, y la más fiable también para operaciones a corto plazo. Para conseguir temperaturas superiores, fundamentalmente para la producción de energía eléctrica, es preciso recurrir a tecnologías de alta temperatura. En estos casos se necesita una mayor concentración de radiación solar y, por tanto, realizar el seguimiento en dos ejes.
 

Proceso importante en estudio es la desalinización de aguas marinas con el uso de energía solar térmica. Nuestro planeta sufre una escasez cada vez mayor de recursos hídricos. La sobreexplotación de los recursos disponibles y el aumento de la población mundial provocan que éste sea una de los principales retos a los que se enfrenta nuestra sociedad. En la actualidad se investiga para que las técnicas de desalación a través de la tecnología solar térmica puedan llegar a ser una fuente sostenible para la obtención de estos recursos hídricos, cada vez más escasos.

Imagen eliminada.

Dr. Jairo Márquez
jamar@ula.ve
Laboratorio de Electroquímica de
la Universidad de Los Andes, Venezuela

Articulista del Portal Web del estado Barinas
www.barinas.net.ve


Referencias informativas:

Video

http://www.youtube.com

Imágenes

http://www.suelosolar.es/guiasolares/aplicaciones_uso.asp

http://www.casasrestauradas.com/energia-solar-iii-energia-solar-termica/

http://www.textoscientificos.com/energia/aplicaceldas

http://www.solydarydar.com/2013/02/inventos-y-aplicaciones-con-energia-solar-fotovoltaica-termica.html#.U2K7xscmrbQ


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