Ennergia Solar informe de

Facultad de Ingeniería
UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA
FUNDAMENTOS DE INGENIERIA AMBIENTAL - Catedra Q 0850
PROF. ING INES M SANTANA Dto.INGENIERIA QUIMICA - CÁTEDRA FUNDAMENTIOS DE INGENIERIA AMBIENTAL Q0850 1
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, 
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.
CONCEPTOS BASICOS RECURSOS ENERGETICOS
El mundo moderno basa su desarrollo en el consumo creciente de energía en sus distintas
variedades: petróleo, gas, carbón, electricidad, etcétera.
Cuando en la década del 70 los países productores de petróleo llevaron el valor del mismo a
precios imprevistos, los países consumidores tomaron conciencia de que era necesario buscar
otras fuentes de energía que no fueran las mencionadas más arriba, ya que las mismas se
clasifican dentro de las "no renovables", o sea que con el correr del tiempo se van a extinguir.
En la actualidad, el mundo depende del petróleo en un 46%, del carbón en un 27% y del gas en
un 17%, lo que hace que la dependencia total de los combustibles fósiles llega al 90%, siendo el
10% restante aplicable a las energías hidroeléctricas, nuclear, etcétera.
Con el aumento excesivo del costo de estas energías no renovables, también se tomó conciencia
de un mejor aprovechamiento y de un uso racional y cuidadoso de la energía.
En el curso de las dos últimas décadas, se intensificó el empleo del petróleo y del gas, y sus
reservas comienzan a decrecer rápidamente, calculándose su extinción a mediados del siglo 21.

Simultáneamente comenzará el uso más intensivo del carbón, cuyas reservas se calculan hasta
el siglo 28.
Nos encontramos pues ante la necesidad de reactivar el uso de las energías renovables, o sea,
de las energías que nunca se extinguen tales como la solar, la geotérmica, la biomasa, etcétera.
Naturalmente que la más importante de todas ellas es la energía solar, o sea, la energía
suministrada por el sol, que también se manifiesta en la producción del viento, en el
movimiento de las olas, etcétera.
El gráfico siguiente muestra el empleo directo e indirecto de la energía solar.
El tema del uso directo o natural de la energía solar lo explicaré en forma muy breve.
a. Energía del viento
El uso de la energía del viento para bombeo de agua de pozo (molinos) y para producir
electricidad en pequeña escala es un hecho que se remonta a muchos años.
En los últimos tiempos se desarrolló con amplitud la tecnología de la turbina de viento para la
obtención de electricidad de la energía eólica, sin que ello requiera tecnologías especiales, pero
sí se requiere lugares adecuados donde el viento tenga cierta intensidad, regularidad y sobre
todo persistencia, y finalmente que la energía producida pueda ser consumida, acumulada o
entregada a la red de la compañía de electricidad. En estos casos se interconecta la energía
eléctrica producida con las redes generales de electricidad y se puede comprar dicha energía
cuando el usuario no la consume.

Aquí, en Israel, el Servicio Meteorológico está haciendo estudios de la persistencia e intensidad
de los vientos en los lugares más adecuados para instalar lo que se define como "Granja de
Turbinas de Viento" y aprovechar así su energía en forma racional.
b. Conversión biológica - Fotosíntesis
Se conoce ampliamente el fenómeno de la fotosíntesis, que es la propiedad que tienen las
plantas para transformar las sustancias simples, como agua, gas carbónico, nitratos, etc., en
sustancias complejas (lípidos, glúcidos, etc.) merced a la intervención de la luz y en particular de
la luz solar.
En principio, es posible cultivar plantas adecuadas para generar energía por conversión
biológica, y lo que hoy se conoce como biomasa es el reciclamiento de los procesos de desechos
de productos vegetales para la obtención de energía.
c. Conversión de la energía solar por medio de océanos
Los océanos ocupan el 71% de la superficie del globo terrestre y constituyen un enorme
depósito natural de almacenamiento de energía solar debido:
I. Al gradiente de temperatura producido por el sol según la profundidad que puede llegar
de 20 a 25º C, y su aprovechamiento depende de la forma de extracción de ese calor
almacenado, que se puede hacer mediante intercambiadores de calor;
II. La energía cinética de las olas
DISPONIBILIDAD DE LA ENERGIA SOLAR
La intensidad de la energía radiante del sol en el exterior de la atmósfera terrestre es de 1353
W/m2 como promedio anual. Esta energía cuando atraviesa la atmósfera va perdiendo
intensidad debido a causas tales como la absorción de radiación infrarroja por el vapor de agua,
la polución atmosférica, etcétera.
Sobre la superficie terrestre, su valor total se reduce de 69 x 1016 watts a 17 x 1016 watts de
radiación solar.
Si se supone que una persona necesita para su uso como promedio 10 Kw = 104 watt,
empleando solamente la energía solar, ella alcanzaría para satisfacer, aun con un rendimiento
del 10%, a una población de ciento setenta mil millones de habitantes, población veinte veces
más grande que la que habría en el año 2000.
Este cálculo, que es real y optimista, tiene sin embargo limitaciones técnicas y económicas de
difícil solución. Una de ellas es que para la recolección de la energía solar en gran escala se
requieren grandes áreas, y otra limitación es que los mejores lugares de radiación solar en el
mundo son los lugares remotos y desérticos, tal es el caso de Arizona, Arabia Saudita, centro de

Australia, Sudáfrica, Texas, etc., donde no existe posibilidad de desarrollo industrial y agrícola,
donde hay escasez de agua y donde su aprovechamiento requiere medios de transporte
adecuados hacia las zonas industrializadas.
Una tercera limitación es la intermitencia de la radiación solar, variable durante el día y durante
los distintos meses del año, siendo nula por la noche. Todo ello hace que se requieran formas
especiales de almacenamiento del calor recibido para poderlo aprovechar en el momento
necesario.
FORMAS DE ALMACENAMIENTO
No existe una forma general de almacenamiento de la energía solar. Para temperaturas de
calentamiento de bajo valor, el calor producido puede almacenarse en depósitos de agua bien
aislados, o en recintos con piedras que reciben el aire caliente que proporciona la energía solar.
Si se trata de altas temperaturas se pueden emplear metales líquidos, sales fundidas,
descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno y luego recomponerla, etcétera. Si se trata de
energía eléctrica, se puede almacenar en baterías de acumuladores tipo alcalino, o se puede
emplear dicha energía eléctrica obtenida del sol durante el día, para la elevación de agua que
luego se puede convertir en energía hidráulica a emplear durante la noche, en días nublados,
etcétera.
CONVERSION TERMICA
La transformación de la radiación solar en energía térmica, ya sea en forma de agua caliente,
aire caliente, vapor de agua, etc., se hace por intermedio de los llamados colectores solares que
pueden clasificarse en los siguientes tipos:
a. colector solar plano
b. colector solar al vacío
c. colector solar concentrador parabólico
d. heliostatos
e. piletas solares
a. Colector solar plano
El principio fundamental de funcionamiento de un colector solar se basa en el aprovechamiento
de la propiedad que posee una superficie revestida de negro o de una sustancia de material
selectivo, que absorbe la radiación solar en un 90% y la emite en menos de un 10 por ciento.

En particular, el colector solar plano está formado por una superficie metálica plana que lleva
adherida a ella una serie de tuberías de cobre, estando todo el conjunto revestido de pintura
negra absorbente selectiva.
Por las tuberías circula el agua a ser calentada por la radiación solar.
Para evitar las pérdidas de calor por convección (pérdidas térmicas) se coloca una o dos
cubiertas de vidrio entre la superficie de absorción y el medio ambiente; que además de reducir
las pérdidas de calor, protegen al conjunto de las condiciones atmosféricas. Para evitar la
pérdida de calor por conducción, el conjunto lleva en su parte posterior una capa de material
aislante térmico que puede ser: poliuretano expandido, lana de vidrio, fiberglass, etcétera.
El rendimiento de un colector solar, en general, se deduce comparando la cantidad de calor que
se obtiene del agua y la cantidad de calor que recibe el colector de la radiación solar, o sea:
Si Qr es la cantidad de calor recibida de la radiación solar, y Qu es la cantidad de calor que se
obtiene del agua, el rendimiento será:
Desarrollando las expresiones de Qr y Qu en función de las temperaturas del agua, de la
temperatura ambiente, de la radiación recibida, y de los elementos que provocan las pérdidas
ópticas: transmitancia de la superficie donde incide el rayo solar, absortancia efectiva de la
tubería por donde circula el líquido, reflectancia especular, fracción de radiación interceptada
por el receptor; y las pérdidas térmicas: coeficiente de transmisión del calor, masa del líquido,
temperaturas inicial y final del líquido y temperatura ambiente; se llega a una expresión del
rendimiento siguiente:

Otra forma de reducir las pérdidas térmicas y obtener simultáneamente una reducción de las
pérdidas ópticas, es colocar entre las dos placas de vidrio, placas verticales de vidrio o plástico,
constituyendo así el conjunto una placa tipo nido de abeja. De esta forma se reducen las
pérdidas térmicas por convección, y en cuanto a las reflexiones y refracciones producidas en las
placas horizontales son atrapadas por las verticales, recuperándose así parte de las pérdidas
ópticas.
También para mejorar el rendimiento es emplear pinturas especiales selectivas, electroplateado
de las superficies con cromo negro o níquel negro, este último desarrollado por un prestigioso
físico israelí, el doctor Tabor. La característica de estos dos elementos es la siguiente:
- Cromo negro: sobre una superficie de óxido de cobre o nitrato de cobre se hace el cromado
sobre una capa previa de niquelado.
Las características son: selectividad = 0.95, emisividad = 0.10 a 0,15
- Níquel negro: sobre una superficie de acero con contenido de níquel y azufre se hace el
niquelado. Posee mejores características de selectividad (0.96) y emisividad (0.07), y es ideal
para su uso en climas secos, habiendo aún dudas sobre su resistencia a la humedad.
b. Colector al vacío
La idea de hacer el vacío entre la cubierta de vidrio y la placa receptora resultó muy atractiva
por cuanto ello reduce las pérdidas por convección a cero, y si a ello le agregamos una superficie
de absorción selectiva, también se pueden reducir casi a cero las pérdidas por radiación, con lo
cual se consigue un colector ideal.
Sin embargo, el conseguir un vacío entre las placas de un colector plano es muy difícil
técnicamente, por cuanto hay que tener un soporte rígido del espacio entre las placas (para ello
el panel de abeja es ideal) y un sellado hermético a veces imposible de practicar.
Habiéndose conseguido y estando disponible la tecnología para la fabricación de tubos para
iluminación fluorescente, se han desarrollado dos tipos de colectores el vacío tubulares,
producidos por Corning y Owens-Illinois, que pueden apreciarse en el dibujo siguiente:

El desarrollado por Corning usa un tubo de vidrio de gran diámetro que rodea a una superficie
plana selectiva. En cambio, el de Owens-Illinois emplea también un tubo de vidrio grande pero
en lugar de una superficie plana selectiva, usa un tubo concéntrico de menor diámetro que lleva
a su alrededor la superficie selectiva.
Según puede apreciarse en la figura 5 donde se observa una mejora importante en las curvas de
rendimiento si se las compara con las del colector plano, sobre todo en la visible disminución de
las pérdidas térmicas, pudiéndose así lograr altas temperaturas (cercanas a los 100º C) con un
rendimiento importante

El inconveniente de este tipo de colectores es su costo elevado y su mantenimiento difícil, por lo
cual no tienen mucha aceptación en el mercado.
También la firma General Electric desarrolló un colector similar y de rendimiento importante,
muy parecido en sus características al de Owens-Illinois.
c. Colectores concentradores
El principio de los colectores concentradores es el de concentrar mediante procedimientos
ópticos la energía que irradia el sol antes de su transformación en calor. Así, una radiación solar
que entra a un colector concentrador a través de una superficie determinada es reflejada,
refractada o absorbida por una superficie menor, para luego ser transformada en energía
térmica. Esto no ocurre en el colector plano donde la transformación de la energía solar en
energía térmica se efectúa en la misma superficie que recibe la radiación.
La ventaja importante de este tipo de colector es ante todo la reducción de las pérdidas térmicas
en el receptor, pues al ser éste de menor superficie habrá menos área para la radiación del calor
y por lo tanto el líquido que circula por el receptor puede calentarse a mayores temperaturas
con un rendimiento razonable y a un costo menor. Claro está que las reflexiones y refracciones
extras de la radiación solar hacen aumentar las pérdidas ópticas y entonces las curvas
representativas del rendimiento, parten de ordenadas en el origen menores que las de un
colector plano, pero no tienen la pendiente pronunciada, característica de estos últimos.

Históricamente, la idea de concentrar la radiación solar para obtener más energía, fue anterior a
la de los colectores planos. Así, por ejemplo, los caldeos, que se distinguieron por la astronomía,
crearon sus lentes fundiendo cuarzo mediante la concentración de rayos solares. En 1695 en
Florencia fue fundido un diamante empleando energía solar concentrada y el famoso químico
francés Lavoisier, ya en el siglo XVIII, hacía sus experiencias químicas a alta temperatura
mediante el empleo de lentes concentradores.
Se define como coeficiente de concentración a la relación:
Los colectores concentradores, de acuerdo con el valor de C, se dividen en dos tipos:
- de alta concentración
(C > 10)
Son los que, mediante dispositivos especiales y precisos de enfoque y seguimiento del sol,
logran en el receptor una alta densidad de energía;
- de media y baja concentración
(2 < C < 10)
Son los que no requieren dispositivos especiales de enfoque y tampoco un seguimiento
permanente del sol, sino la modificación de su posición algunas veces por año, que dependerá
del valor de C. Así, por ejemplo, para
C = 2 a 3 4 veces por año
C = 3 a 6 8 veces por año
C = 10 80 veces por año.

Los colectores concentradores pueden ser de varios tipos:
I. Parabólicos (por reflexión)
El colector está formado por una superficie
reflectora (espejo, aluminio anodizado, etc.) de
forma parabólica, que recibe los rayos solares y
que merced a la propiedad de la parábola que
dice que cuando los rayos son paralelos al eje de
la misma se concentran en el foco de ella, dichos
rayos inciden en un elemento receptor ubicado
en el foco, que contiene el fluido a calentar.
II. Parabólicos (por refracción)
El colector está formado por una lente que recibe
los rayos solares paralelos y los refracta
concentrándolos en un punto, donde se
encuentra el elemento receptor que contiene el
fluido a calentar.
III. Parabólico compuesto (C.P.C.)
El colector está formado por dos parábolas
dispuestas de tal manera que ambos ejes forman
con la vertical el mismo ángulo f. Se demuestra
que existe una vinculación entre la concentración
C del colector y dicho ángulo, mediante la
expresión:
y todos los rayos solares que inciden con un ángulo respecto de la vertical y que se encuentran
dentro de dicho valor de f tienen la particularidad de llegar por una o dos reflexiones al receptor
ubicado en la parte inferior. Este receptor puede ser plano horizontal, plano vertical, cilíndrico,
etc.

figura7
Este ángulo f recibe el nombre "medio ángulo de aceptancia".
En la Figura 7 se ve en corte y en vista un C.P.C. fabricado en Israel, donde se puede apreciar la
superficie reflectora interior de aluminio anodizado, que en la parte inferior tiene la forma de
trapecio (también puede tener la forma de una W). En la parte superior hay un vidrio que
permite el paso de la radiación solar, que en forma directa o luego de una o dos reflexiones
incide en una tubería metálica con revestimiento selectivo por donde circula el fluido a calentar.
Rodea a esta tubería una manga de plástico especial que hace disminuir las pérdidas térmicas
por convección en el espacio entre la tubería y el vidrio. Todo el conjunto está cerrado por una
cubierta de chapa de hierro galvanizada y entre ésta y el aluminio reflectivo hay un aislante que
puede ser poliuretano expandido, lana de vidrio, etcétera. En la Figura 8 se indica la curva
obtenida haciendo el ensayo respectivo de rendimiento, y en la Figura 9 su comparación con los
colectores solares planos.
figura 8

IV. Parabólico con receptor de foco lineal
figura10 Colector Parabólico Receptor de Foco Lineal
Se trata de un colector formado por un segmento de parábola
cilíndrico que tiene su foco constituido por una tubería
cilíndrica de metal por la cual circula el líquido a calentar o
evaporar. Rodea a esta tubería metálica otra de vidrio, y entre
ambas se ha efectuado el vacío, para disminuir las pérdidas
térmicas por convección.
Este colector requiere un seguimiento permanente del sol por cuanto los rayos de la radiación
solar deben ser permanentemente paralelos al eje de la parábola.
Este tipo de colector fabricado en el país por una prestigiosa firma, ha sido instalado en
instalaciones muy grandes en los Estados Unidos de América, para la producción de energía
eléctrica y se halla conectado con las redes de la Compañía de Electricidad de la región donde se
colocó.
figura11 y 12 Sistema de Receptor Central con Foco Lineal
V. Segmentos parabólicos con receptor de foco lineal
En los dibujos indicados se presentan dos sistemas que reciben la energía solar y la reflejan a un
receptor central del tipo lineal. En el primer caso se trata de una serie de colectores parabólicos
individuales enfocados a un receptor común.
En el segundo caso, que ustedes apreciarán directamente en el Kibutz Nir Eliahu, se trata de
segmentos de espejos parabólicos accionados simultáneamente, de modo que en todo
momento los rayos reflejados inciden en un receptor formado por una tubería metálica con
revestimiento selectivo y rodeada de una tubería de vidrio.

VI. Plato parabólico con receptor de foco puntual
Se trata de uno de los pocos tipos de colectores
concentradores tridimensionales y por lo tanto deben tener
seguimiento solar en las dos direcciones. El receptor está en
el foco del plato parabólico y es equivalente a un punto. A
él a veces se conecta un motor Stirling.
d. Heliostatos
figura14 Heliostato (vista frontal y trasera)
Se define así a un espejo plano o ligeramente parabólico de
gran superficie (40/50 m2), a veces también formado por
varios espejos, colocados sobre una estructura metálica
definida que le permite un movimiento universal, para
posibilitar así el seguimiento solar en ambas direcciones: N-S y
E-O.
Los heliostatos se emplean para formar sistemas, en
cantidades grandes (30, 40, etc.), formando un campo que
tiene la forma de gradas de un anfiteatro, y la radiación solar
recibida en cada uno de ellos es reflejada a una torre central
receptora, donde la energía solar recibida se la transforma en
energía térmica para diversos usos. En el dibujo siguiente se
aprecia una instalación de heliostatos.
Varios proyectos de este tipo se están llevando a cabo en el
mundo y en Israel. En California se están instalando 1.800
heliostatos que permitirán obtener una potencia eléctrica de
10 MW. El proyecto se lleva a cabo en una superficie de 30
hectáreas. Algo similar se realiza también en España y
Alemania. En Israel, el Instituto Científico Weizman de Rehovot está por completar una
instalación de 2,500 m2 de heliostatos (56 de 7.5 x 6 m cada uno) que permitirán generar una
potencia eléctrica de 3 MW. El profesor Dostrovsky que se ocupa de este proyecto asegura que
si los resultados de esta primera instalación resultaren satisfactorios, se harán de inmediato
otras 14 instalaciones en distintas partes del país. En el receptor se piensa obtener temperaturas

del orden de los 600 °C que permitirán su aplicación a energía eléctrica y química.
e. Piletas solares
Bajo condiciones no controladas, el calor solar que se deposita en la masa de agua de una pileta,
se disipa a la atmósfera a medida que las capas más calientes, y por ello menos densas, suben a
la superficie debido a las corrientes de convección.
Si en cambio se modifica la composición salina del agua de la pileta, haciendo que se componga
de varias capas de distinta salinidad: solución diluida de densidad 1.05 en la superficie y solución
saturada de 1.3 en el fondo, o sea de varias capas de densidad variable y creciente desde la
superficie al fondo, se impide la aparición de corrientes de convección desde el fondo a la
superficie al calentarse el agua por efecto de la radiación solar. En consecuencia, la radiación
solar que penetra hasta el fondo logra calentar la capa inferior hasta 90 °C, mientras que la capa
superior no pasa de 30 °C. No habiendo convección y siendo el agua mala conductora del calor,
se acumula en las capas inferiores energía térmica en forma de agua caliente, que puede
extraerse directamente mediante tuberías, o poniendo un intercambiador de calor adecuado.
Este es el fundamento de una pileta solar, que son piletas artificiales de superficie variable y de
una profundidad que varía de 1 a 3 metros. El fondo de la pileta está pintado de negro.
Las ventajas del empleo de la pileta solar como colector son:
1. Bajo costo inicial.
2. Empleo de materiales no degradables con el medio ambiente.
3. Sistema propio de acumulación de calor, que puede aprovecharse cuando no hay sol.
Sus inconvenientes son:
1. Necesidad de grandes extensiones de terreno, para disminuir los efectos laterales.
2. Rendimiento térmico muy bajo (del orden del 10%).
3. Con el tiempo se produce difusión de las sales que obliga a separar el exceso que aparece en
las capas superiores.
4. Acumulación de desperdicios en la parte superior.
5. Eventual formación de olas que alteran el gradiente de salinidad. Ello obliga a colocar redes
rompeolas.
6. Requiere un mantenimiento más riguroso.

7. Se deben hacer en terrenos planos, en zonas cercanas al mar, en suelos de bajo contenido
biológico y sin napas freáticas altas.
Figura 15 Sistema de Receptor Central con Foco Puntual
Ustedes verán su aplicación en Israel, en la zona de Ein Bokek (vecina al Mar Muerto), donde hay
una instalación de 150 KW equipada con una turbina especial acoplada a un generador que
produce la energía eléctrica. En ese mismo lugar se dio comienzo a una instalación de 5 MW que
proveerá de energía eléctrica a toda la zona de hoteles del lugar. La ventaja de la ubicación de
estas piletas solares es la cercanía al Mar Muerto que como se sabe su agua posee una
concentración salina muy alta.
5. Conversión eléctrica - Células fotovoltaicas
Los colectores solares concentradores permiten la obtención de energía eléctrica en forma
indirecta o sea aprovechando la energía térmica para generar vapor que acciona una turbina
acoplada a un generador eléctrico pero hay otros elementos que efectúan la

transformación de la energía solar en energía eléctrica en forma directa. Estos elementos son las
células fotovoltaicas, de las cuales daré una breve explicación, pues en otra conferencia se verá
ello con más amplitud.
El principio de funcionamiento de la célula fotovoltaica es conocido desde hace muchos años,
pero su desarrollo y aplicación se hizo evidente con el desarrollo de los satélites artificiales y los
viajes espaciales que aprovechan la energía solar para su actuación.
El rendimiento de una célula fotovoltaica es del 12 al 15% y su costo en sus comienzos de uso
que era de 100 U$S/W ha bajado sensiblemente en los últimos años y continuará bajando aún
más si se consiguen las siguientes condiciones:
a. que se produzcan paneles fotovoltaicos del oden de los KW o MW;
b. que se desarrolle una planta industrial multimegawatt;
c. que se resuelva eficazmente el problema del almacenamiento en base a batería de
acumuladores especiales.
6. Aplicación de la energía solar para calentamiento de agua en viviendas, hoteles, hospitales,
industrias, etcétera
a. Vivienda familiar
1. Sistema a termosifón

figura16 Unidad simple a termosifón
Este sistema a termosifón se emplea cuando el tanque de
acumulación del agua caliente y el colector solar se
encuentran en la azotea o terraza el edificio.
El colector que recibe los rayos solares calienta el agua
que circula por las tuberías que posee, la que por
convección penetra al tanque en la parte superior y sale
por la parte inferior para completar el ciclo. El agua de
consumo sale por una tubería independiente, existiendo
además otra tubería que hace ingresar agua de la red de
alimentación, para reponer la que se ha consumido.
Estos sistemas funcionan bien cuando hay radiación solar
y mantienen durante un tiempo el agua caliente en el
tanque cuando desaparece aquélla. Cuando la
temperatura del agua en el tanque baja a un cierto valor,
un termostato hace operar un calefactor eléctrico que la
hace aumentar y mantener así caliente el agua de
consumo.
2. Sistema a circulación forzada
figura17 Circuito abierto
Cuando el tanque de acumulación del agua caliente se
encuentra en el interior de la vivienda y el colector solar
en la azotea o terraza, la circulación del agua no puede
hacerse por termosifón, sino que requiere forzosamente
el uso de una bomba de circulación que se ubica junto al
tanque acumulador.
Aquí pueden presentarse dos variantes: FIGURA 17
a. A circuito abierto
figura18 Sistema solar para calentamiento
de agua en viviendas colectivas
En este caso el agua de calentamiento por la energía
solar se mezcla con el agua de consumo, en forma
similar al caso del termosifón.

b. A circuito cerrado
En este caso, el tanque de acumulación posee un doble revestimiento (doble camisa) por cuyo
espacio circula el agua de calentamiento. Esta doble camisa cumple la función de
intercambiador de calor, y por lo tanto el agua de consumo se calienta en forma indirecta.
En ambas variantes existe también el termostato que pone en marcha el calefactor eléctrico
para mantener la temperatura del agua. También en ambos casos existe la entrada de agua de la
red de alimentación para compensar el consumo.
La ventaja del sistema de circuito cerrado es que las tuberías del circuito de agua de
calentamiento no sufren del proceso de incrustaciones por cuanto el líquido que circule por ella
no está en contacto con la atmósfera.
b. Viviendas multifamiliares
figura19 Sistema para calentamiento
Pueden considerarse dos casos:
I. Viviendas colectivas o en propiedad horizontal
(Edificios de pisos)
En todos estos casos, los colectores solares están
en la azotea del edificio y el tanque de
acumulación, cuando es común a todos los
departamentos, se encuentra en el sótano, lo más
cercano posible a la entrada de agua de la red.
En este caso también existe la posibilidad de
mezclar el agua caliente de consumo con la que se calienta por la radiación solar FIGURA 18 o
independizar ambos circuitos, para lo cual el tanque debe tener intercambiador de calor o ser de
doble camisa. FIGURA 19

Una tercera variante, que tiene aplicación
cuando se trata fundamentalmente de
edificios nuevos, es incluir en cada vivienda un
tanque individual con intercambiador de calor
tipo doble camisa FIGURA 20.
De esta manera cada vivienda posee su
consumo independiente de las restantes.
Además todo el sistema posee una tercera
tubería que hace equilibrar el recorrido de las
tuberías de alimentación, proporcionando así
agua caliente a la misma temperatura a cada
uno de las distintas viviendas.
II. Viviendas individuales dispersas
(normalmente al mismo nivel)
figura20 Sistema para calentamiento
Este tipo de viviendas que se presentan en los kibutzim, moshavim, countries, etc., tienden a
emplear la energía solar mediante el sistema centralizado de colectores, que presenta así las
ventajas siguientes:
a) el uso de un solo tanque de acumulación, que facilita así el mantenimiento y control de las
instalaciones;
b) se evita el empleo de tuberías largas desde las fuentes centrales de alimentación (calderas,
calentadores, etc.) con las consiguientes pérdidas térmicas en tuberías.

ELECTRICIDAD FOTOVOLTAICA

En una célula fotovoltaica, la luz excita electrones entre capas de materiales semiconductores de silicio.
Esto produce corrientes eléctricas
BIBLIOGRAFÍA
• Acosta Rubio, José. Energía solar: utilización y aprovechamiento. Madrid: Editorial Paraninfo, 1983. Obra
de carácter divulgativo; incluye bibliografía.
• Centro de Estudios de la Energía. El sol, un viejo conocido: introducción a la energía solar. Madrid: Centro
de Estudios de la Energía, 1982. Manual breve sobre algunas aspectos de la energía solar.
• Centro de Estudios de la Energía Solar. La energía solar: aplicaciones prácticas. Sevilla: Promotora
General de Estudios, 1993. Obra sobre las distintas aplicaciones de la energía solar; incluye bibliografía.
Fuente : Tesis de Postgrado Energias Renovables / Madrid España 2006 CIEMAT
Ing. Ines Micaela Santana Argentina

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