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LIBRO ENERGÍAS RENOVABLES Y EFICIENCIA
ENERGÉTICA
BLOQUE II ENERGÍAS RENOVABLES
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BLOQUE II ENERGÍAS RENOVABLES
LA ENERGÍA SOLAR
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El Sol, de forma directa o indirecta, es el
origen de todas las energías renovables,
exceptuando la energía maremotriz y la geotérmica.
SABÍAS QUE? La cantidad de energía del Sol que
recibe la Tierra en 30 minutos es equivalente a
toda la energía eléctrica consumida por la
humanidad en un año.
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El Sol puede aprovecharse energéticamente de 2
formas diferentes - Como fuente de calor
Energía Solar Térmica de baja y media
temperatura - Como fuente de electricidad
Energía Solar Fotovoltaica y Solar Térmica de
alta temperatura
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CUÁNTA ENERGÍA EMITE EL SOL?
La potencia generada por todas las plantas
industriales del mundo trabajando juntas sería
unos 200 billones de veces más pequeña que la que
genera el Sol.
200 billones de veces
gt
SABÍAS QUE? La energía procedente de la
radiación solar, absorbida por la Tierra en un
año, equivale a 15 veces la energía almacenada en
todas las reservas de combustibles fósiles del
mundo.
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RADIACIÓN TOTAL Difusa Directa
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Aparatos de medida
RADIACIÓN GLOBAL
PIRANÓMETRO (células fotovoltaicas calibradas)
RADIACIÓN DIFUSA
PIRANÓMETRO CON DISCO DE SOMBRA
RADIACIÓN DIRECTA
PIRHELIOMETRO
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BLOQUE II ENERGÍAS RENOVABLES
Capítulo 3 LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
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CÓMO FUNCIONA LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA I?
El principio básico de funcionamiento de los
sistemas solares térmicos es sencillo la
radiación solar se capta y el calor se transfiere
a un fluido (generalmente agua). Para aprovechar
la energía solar térmica se usa el captador solar
(colector solar ).
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CÓMO FUNCIONA LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA II?

• Elementos del colector solar
• cubierta frontal transparente suele ser de
  vidrio.
• superficie absorbente por donde circula el
  fluido (normalmente agua).
• aislamiento térmico evita las pérdidas de calor.
• - carcasa externa para su protección.

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CÓMO FUNCIONA LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA III?
El colector solar basa su funcionamiento en el
efecto invernadero - La radiación solar (onda
corta) incide y atraviesa el vidrio y es
absorbida por una superficie que se calienta. -
Esta superficie emite, a su vez, calor o
radiación térmica (onda larga) pero este tipo de
onda no puede atravesar el vidrio, por lo que se
queda atrapada dentro del colector.
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APROVECHAMIENTOS DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

• La EST se utiliza para calentar fluidos.
• Dependiendo de la temperatura final alcanzada por
  el fluido a la salida, las instalaciones se
  dividen en
• Baja temperatura Las más extendidas. Se
  destinan a aplicaciones que no exigen Tª gt 90 ºC.
  
• Ej. producción de agua caliente sanitaria (ACS)
  para viviendas y polideportivos, apoyo a la
  calefacción de viviendas, calentamiento de agua
  de piscinas, etc.
• Media temperatura Aplicaciones que exigen Tª
  del agua entre los 80 ºC y los 250 ºC.
• Ej. calentamiento de fluidos para procesos
  industriales y la desalinización de agua de mar.
• Alta temperatura Aplicaciones que requieran Tª
  del agua superiores a los 250 ºC.
• Ej. generación de vapor para la producción de
  electricidad.

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SISTEMAS DE EST DE BAJA TEMPERATURA I
Los colectores que se utilizan en estas
aplicaciones son colectores planos.
SABÍAS QUE? Los primeros colectores planos se
desarrollaron en 1891 en EE UU. Se empezaron a
vender en 1909, proporcionaban agua caliente las
24 horas y se comercializaron bajo la marca Día
y Noche. Estos colectores representaron el
nacimiento de la tecnología que se usa en la
actualidad para calentar agua en viviendas.

• Se distinguen varios tipos de instalaciones
  atendiendo a
• Tipo de circuito
• Tipo de sistema

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SISTEMAS DE EST DE BAJA TEMPERATURA II

• Según el tipo de circuito, las instalaciones
  pueden ser
• de circuito abierto
• de circuito cerrado

• Instalaciones de circuito abierto el agua que
  circula por el colector es la misma que se
  utiliza como agua caliente. El agua entra en el
  colector, se calienta, pasa al tanque y se usa
  directamente.
• - Instalaciones de circuito cerrado por el
  colector circula un fluido (en circuito cerrado)
  que se calienta y cede su calor al agua de abasto
  a través de un intercambiador de calor.

CIRCUITO CERRADO
CIRCUITO ABIERTO
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SISTEMAS DE EST DE BAJA TEMPERATURA III

• Según el tipo de sistema, las instalaciones
  pueden ser
• Sistemas de circulación forzada
• Sistemas termosifón

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SISTEMAS DE EST DE BAJA TEMPERATURA IV
SISTEMAS DE CIRCULACIÓN FORZADA El acumulador se
sitúa dentro del edificio (ej. en sótano). Para
hacer circular el agua entre el colector y el
acumulador, se utiliza una bomba (aporte externo
de energía necesario).
Circuito abierto
CONSUMO
Circuito cerrado
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SISTEMAS DE EST DE BAJA TEMPERATURA V
SABÍAS QUE? Se utilizan en el centro y norte de
Europa, en donde el clima es muy frío en invierno
como para poder situar el acumulador en el
exterior, dadas las pérdidas de calor
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SISTEMAS DE EST DE BAJA TEMPERATURA VI

• SISTEMAS TERMOSIFÓN
• - Funcionan sin aporte externo de energía.
• Efecto termosifón el movimiento del agua se
  produce por la diferencia de temperatura entre el
  agua fría del tanque y la caliente del colector.
• El agua del colector se calienta por el Sol,
  disminuye su densidad y su peso específico el
  agua más caliente se sitúa en la parte superior
  del colector.
• El mayor peso del agua fría del depósito hace
  que ésta caiga por el conducto (que une la parte
  inferior del depósito con la parte inferior del
  colector).
• Ambos efectos provocan que el agua caliente del
  colector ascienda hasta el tanque.
• Se crea el movimiento del agua del colector al
  depósito, que se mantendrá mientras haya
  suficiente diferencia de Tª entre el colector y
  el tanque.
• Calentada el agua del depósito, las Tª se
  igualan y el movimiento cesa.

T2
Circuito abierto
T1
Circuito cerrado
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SISTEMAS DE EST DE BAJA TEMPERATURA VII

• En Canarias
• El sistema termosifón es el que se instala
  mayoritariamente en viviendas unifamiliares y se
  sitúa en los tejados o azoteas.
• Para instalaciones grandes, como por ejemplo las
  de un hotel, se instalaría un sistema con
  circulación forzada.

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SISTEMAS DE EST DE BAJA TEMPERATURA VIII
SABÍAS QUE? Entre los colectores y el
acumulador circulan de 10 a 40 litros de agua/h y
por m2 de superficie de colector plano
SABÍAS QUE? Las instalaciones de circuito
cerrado son apropiadas para aquellas zonas donde
el agua de abasto es de mala calidad ya que si
este agua circulara por el colector (caso del
circuito abierto), éste se rompería antes y
habría que cambiarlo. En el circuito cerrado, el
único elemento que está en contacto con el agua
de abasto es el intercambiador de calor, elemento
que es más económico y fácil de cambiar.
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APLICACIONES DE EST DE BAJA TEMPERATURA I
Agua Caliente Sanitaria (ACS) doméstica Es la
aplicación más extendida de la EST de baja
temperatura. Se emplean colectores solares
planos. La temperatura necesaria suele ser de 45º
C.
SABÍAS QUE? - En el sur de Europa, para
suministrar ACS a una vivienda unifamiliar se
suele utilizar un sistema de termosifón, con un
colector de unos 2 a 5 m2 y un depósito de 100 a
200 litros. - En el centro y norte de Europa se
suele instalar un sistema de circulación forzada,
con un colector de 3 a 6 m2 y un acumulador de
150 a 400 litros.
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APLICACIONES DE EST DE BAJA TEMPERATURA II
Climatización de piscinas En instalaciones en
piscinas descubiertas se suelen emplear sistemas
muy simples, en los que la propia piscina actúa
como acumulador. Sistema de captación suelen
ser colectores de plástico negro (más económicos
y resistentes al cloro) que se alimentan con la
propia agua de la piscina (eliminando la
necesidad del intercambiador). La temperatura
necesaria suele ser de 25 ºC.
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APLICACIONES DE EST DE BAJA TEMPERATURA III
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APLICACIONES DE EST DE BAJA TEMPERATURA IV
Sistemas combinados de ACS y calefacción Se
utilizan en el centro y norte de Europa y se
dimensionan para que cubran las necesidades de
agua caliente y calefacción. La temperatura
necesaria suele ser de 50º C. Utilización en
sistemas de calefacción basados en suelo radiante.
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APLICACIONES DE EST DE BAJA TEMPERATURA V
Secado solar Se utiliza en países en desarrollo
donde no se dispone de neveras para la
conservación de alimentos. Durante siglos, se ha
utilizado el secado solar de las cosechas,
simplemente esparciendo el grano para exponerlo
al sol y al aire. En la actualidad, se diseñan
sistemas sencillos con los mismos fines.
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APLICACIONES DE EST DE BAJA TEMPERATURA VI
Cocinas solares Se utilizan sobre todo en países
en desarrollo y sustituye el uso de la leña para
cocinar. Estos sistemas posibilitan la
pasteurización del agua (muy importante en estos
países para reducir el riesgo de enfermedades
ocasionadas por la ingesta de agua contaminada) y
la cocción de los alimentos en pocas horas. Una
cocina solar puede ahorrar 2250 kgrs. de leña al
año y cuesta unos 120 .
Aplicaciones en industrias Estas aplicaciones
suelen darse en casos en los que se trabaja a
temperaturas similares a las del agua caliente
sanitaria, como pueden ser el lavado de botellas,
separación de fibras, tratamiento de alimentos,
etc.
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APLICACIONES DE EST DE BAJA TEMPERATURA VII
Destilación solar La destilación solar ha sido
utilizada tradicionalmente en lugares con escasez
de agua y alto índice de radiación solar, como en
desiertos. Recientemente, se han desarrollado en
Canarias varios sistemas de desalación de agua de
mar con energía solar térmica de baja
temperatura. Estos sistemas, todavía en fase de
ID (investigación y desarrollo), pretenden
mejorar el ratio de producción de agua frente a
los sistemas clásicos de destilación.
SABÍAS QUE? El primer destilador solar de la
historia fue construido en el desierto de Atacama
(Chile) y funcionó desde 1874 a 1914, y tenía una
superficie de 4757 m2.
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PUEDO CUBRIR TODAS MIS NECESIDADES DE AGUA
CALIENTE CON ENERGÍA SOLAR TÉRMICA?
Los sistemas solares se diseñan normalmente para
cubrir el 100 de la demanda de agua caliente en
verano, y del 50 al 80 del total a lo largo del
año el resto de la demanda se cubre con un
calentador convencional de apoyo, bien de gas o
eléctrico.
Teóricamente, los sistemas solares podrían cubrir
la demanda de agua caliente durante todo el año,
pero en este caso habría que dimensionarlos para
cubrir las necesidades de agua caliente durante
el invierno (periodo con menor radiación solar)
los sistemas tendrían que ser mayores y, por
tanto, más costosos, y habría una sobreproducción
de agua caliente en verano.
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ORIENTACIÓN DE LOS COLECTORES SOLARES
Para optimizar las instalaciones es muy
importante la orientación de las mismas (para
poder obtener la mayor producción de ACS con la
menor superficie de colectores y,
consecuentemente, al menor precio). Los
colectores han de orientarse al sur, y la
inclinación, en el caso de Canarias, es de unos
40º.
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LOS NÚMEROS DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

• Superficie instalada en la UE (fin de 2006) 20
  millones de m2.
• Clasificación por países
• - Alemania 42,5
• Grecia 15
• Austria 14
• España 3,4 con 682 000 m2
• (con un nivel de radiación solar mucho mayor que
  el de Alemania o Austria)
• Objetivo de la UE para el 2010 100 millones de
  m2.
• Objetivo de España para el 2010 5 millones de m2.

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NORMATIVA DE SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS EN CANARIAS
El Código Técnico de la Edificación, que entró en
vigor en septiembre de 2006, exige la instalación
de sistemas solares térmicos en los edificios de
nueva construcción o en los que se rehabiliten en
todo el territorio español. En Canarias, se
exige que, como mínimo, el 70 de la demanda de
ACS sea cubierta por sistemas solares esto se
aplicará para viviendas cuyos consumos de agua
caliente vayan de 50 l/d a 5.000 l/d.
SABÍAS QUE? La instalación de un sistema solar
térmico en las promociones de nueva construcción
apenas supone entre un 0,5 y un 0,8 adicional
sobre el coste total del proyecto
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POR QUÉ NO SE INSTALA MÁS ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
EN CANARIAS I?
IMPACTO VISUAL La integración de los paneles
solares térmicos de forma armoniosa con la
edificación puede paliar el eventual efecto
visual negativo. La energía solar térmica en
sectores como el hotelero tiene otro interés,
además del energético, ya que proporciona una
imagen de respeto con el medio ambiente, cuidado
del entorno y calidad de vida (imagen
indispensable si se quiere atraer a un turismo
sostenible).
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POR QUÉ NO SE INSTALA MÁS ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
EN CANARIAS II?
COSTE Las placas solares térmicos resultan, a la
larga y considerando una vida útil de 20 años,
más económicas que el convencional termo
eléctrico. La principal diferencia estriba en la
inversión inicial. Pero con un termo eléctrico
habría que pagar el consumo de electricidad
mensual o bimestral a la compañía eléctrica
mientras que en un sistema solar térmico sólo
habría que hacer una inversión inicial y pagar
por eventuales consumos de apoyo en épocas de
radiación solar insuficiente.
SABÍAS QUE? Si calentamos el agua de una
vivienda de Canarias con un colector solar, en
lugar de con un termo eléctrico, se podría
ahorrar casi un tercio de la factura eléctrica.
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APLICACIONES DE ALTA TEMPERATURA I
Para producir electricidad con energía solar
térmica hay que recurrir a un sistema de
concentración de los rayos solares. Estos
sistemas requieren de un dispositivo de
seguimiento solar, de tal forma que siguen al Sol
en su recorrido diario, consiguiendo así una
mayor captación de la radiación solar.
Las 3 tecnologías solares que se utilizan para la
generación de electricidad son 1.- Sistema
solar con torre central receptor con
helióstatos 2.- Colectores cilindro-parabólicos
3.- Discos parabólicos (Stirling)
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APLICACIONES DE ALTA TEMPERATURA II
Sistema solar con torre central receptor con
helióstatos
Suelen estar constituidas por una serie de
espejos (denominados helióstatos) que reflejan
los rayos solares hacia una torre central,
concentrando la radiación solar en un solo punto,
donde se alcanzan temperaturas que pueden llegar
a los 1000 ºC. Estas centrales han sido
construidas en diversos tamaños, desde 0,5 a 10
MW.
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APLICACIONES DE ALTA TEMPERATURA III
Colectores cilindro-parabólicos
El colector consiste en un espejo
cilindro-parabólico que refleja la radiación
solar sobre un tubo de vidrio dispuesto a lo
largo de la línea focal del espejo. El fluido
caloportador pasa por una tubería situada en el
foco de los colectores, donde puede alcanzar
temperaturas de 400 ºC, y se utiliza para
producir vapor sobrecalentado, lo que alimenta
una turbina convencional, y genera así energía
eléctrica.
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APLICACIONES DE ALTA TEMPERATURA IV
Discos parabólicos (Stirling)
Están constituidos por espejos parabólicos en
cuyo foco se sitúa el receptor solar. Esta
tecnología es adecuada para una producción
descentralizada, cercana al lugar de consumo, con
los ahorros en infraestructuras de distribución
que ello supone. Un disco de 8,5 m de diámetro es
capaz de producir 10 kW. En la actualidad, es
capaz de competir con pequeños motores diésel.