ANTECEDENTES DE ENERGÍA SOLAR
De una forma u otra, la energía solar siempre ha estado presente en la vida del planeta siendo ésta imprescindible para el desarrollo de la vida. Sin embargo, la forma en que la civilización humana la ha ido aprovechando inventado estrategias y herramientas nuevas ha sufrido una larga evolución.
El Sol es indispensable para la existencia de vida en el planeta: és el responsable del ciclo del agua, de la fotosíntesis, etc. Ya las primeras civilizaciones se dieron cuenta de ello y, a medida que las civilizaciones han ido evolucionando, también han evolucionado las técnicas para aprovechar su energía. Al principio fueron técnicas para aprovechar la energía solar pasiva, más adelante se desarrollaron técnicas para aprovechar la energía solar térmica, y posteriormente se añadió la energía solar fotovoltaica.
El Sol y las antiguas civilizaciones
El Sol es un elemento esencial para el desarrollo de la vida. Las culturas más primitivas se han ido aprovechando indirectamente y sin tener conciencia de ello.
Más adelante, gran cantidad de civilizaciones más avanzadas se dieron cuenta de la importancia del Sol y desarrollaron numerosas religiones que giraban en torno al astro solar. En muchos casos, la arquitectura también guardaba una estrecha relación con el Sol. Ejemplos de estas civilizaciones los encontraríamos en Grecia, Egipto, el Imperio Inca, Mesopotamia, el Imperio Azteca, etc.
Energía solar pasiva
En el aspecto de la energia solar pasiva, cabe destacar el papel de los griegos quiénes fueron los primeros en diseñar sus casas para aprovechar la luz del sol, probablemente desde el año 400 a.C.
Durante el Imperio Romano se empezó a utilizar por primera vez vidrio en las ventanas para aprovechar la luz y atrapar el calor solar en sus casas. Incluso promulgaron leyes que penaban el bloquear el acceso a la luz a los vecinos.
También fueron los romanos los primeros en construir casas de cristal o invernaderos para crear condiciones adecuadas para el crecimiento de plantas exóticas o semillas que traían a Roma desde los lejanos confines del imperio.
Otra forma de aprovechamiento solar lo desarrolló inicialmente Arquímedes. Arquímedes fue un físico, ingeniero, inventor, astrónomo y matemático griego, que entre otras cosas desarrolló maquinaria de asedio. Entre sus inventos militares desarrolló un sistema para prender fuego a los barcos de las flotas enemigas utilizando espejos para concentrar la radiación solar en un punto. La idea de la utilización de espejos se siguió utilizando en siglos posteriores para la quema de árboles y la fundición de metales, entre otros.
Esta técnica siguió perfeccionándose; Lavoisier el gran químico francés, creo en 1792 su “horno solar” consistente en dos potentes lentes que concentraban la radiación solar en un foco y que permitía alcanzaban altas temperaturas con la que fundir metales, como sería el caso del invento de Lavoisier.
Lavoisier era un químico francés, el cuál en 1792 creó su “horno solar”. Este horno consistía en dos potentes lentes que concentraban la radiacion solar en un foco y que permitía alcanzar altas temperaturas con las que fundir metales.
En 1874 el inglés Charles Wilson diseño y dirigió una instalación para la destilación del agua marina en el desierto de Atacama (Chile) para la Salitrera Lastenia Salinas. Esta central solar tenía la capacidad de desalinizar un promedio de 22500 litros de agua diarios.
Historia de la energía solar térmica. Primeros colectores solares térmicos
En 1767 el científico suizo Horace Bénédict De Saussure (físico, geólogo y alpinista) inventó el heliotermòmetro, un instrumento con el que se podría medir la radiación solar. El desarrollo posterior de su invento dio lugar a los instrumentos actuales para medir la radiacion solar.
Horace Bénédict De Saussure había inventado el colector solar que tendrá una determinante repercusión en el desarrollo de la energía solar térmica de baja temperatura. A partir de su invento surgirán todos los desarrollos posteriores de calentadores solares de agua de placa plana que se han proporcionado agua caliente a millones de personas en el mundo.
De hecho, De Saussure también fue capaz de desarrollar el primer colector solar. Se trataba de “cajas calientes” hechas de madera y cristal con el objetivo de atrapar la energía solar. Se trataría del primer colector de energía solar térmica.
Más recientemente, en 1865, el inventor francés Auguste Mouchout fue capaz de crear la primera máquina capaz de convertir la energía solar en energía mecánica. El mecanismo se trataba de generar vapor mediante un colector solar y mover un motor mediante su presión. En 1877 Mouchout recibió el encargo de instalar varias de estas turbinas en la Argelia francesa. Desgraciadamente, los elevados costos impidieron que su invento tuviera un uso comercial.
Varios años antes, en 1515 Leonardo da Vinci inició un proyecto parecido al de Mouchout para producir vapor y calor industrial con el calor del Sol, pero finalmente el proyecto quedó inacabado.
Mouchout fue un personaje importante para la sociedad francesa. Además de crear la primera máquina de vapor solar ideó otros inventos. Mouchout inventó una cocina solar que consistía en un depósito negro recubierto de vidrio expuesto al Sol. Por el lado del depósito que no estaba expuesto el sol, situaba un espejo cilindricoparabólico para reflejar la radiación solar.
Incluso se llegó inventar una imprenta accionada mediante energía solar. Un invento que fue ideado por Abel Pifre.
Historia de la energía solar fotovoltaica. Primeras células fotovoltaicas
En 1838 el francés Alexandre Edmond Becquerel descubrió por primera vez el efecto fotovoltaico. Bequerel estaba experimentando con una pila electrolítica con electrodos de platino y se dio cuenta que al exponerla al Sol subía la corriente. Era el inicio de la energía solar fotovoltaica.
El siguiente paso se dio en 1873 cuando el ingeniero eléctrico inglés Willoughby Smith descubre el efecto fotovoltaico en sólidos. En este caso sobre el Selenio.
Pocos años más tarde, en 1877, El inglés William Grylls Adams profesor de Filosofía Natural en la King College de Londres, junto con su alumno Richard Evans Day, descubrieron que cuando exponían selenio a la luz generaba electricidad. De esta forma, crearon la primera célula fotovoltaica de selenio.
En 1953, Calvin Fuller, Gerald Pearson, y Daryl Chapin, descubrieron la célula solar de silicio. Esta célula producía suficiente electricidad y era lo suficientemente eficiente para hacer funcionar pequeños dispositivos eléctricos.
Las primeras células solares disponibles comercialmente no aparecieron hasta en 1956 aunque el coste todavía era muy elevado para la mayor parte de la gente hasta llegar a 1970 aproximadamente, cuando el precio de las células solares baja aproximadamente un 80%.
Las células solares se utilizaron en los satélites de EEUU i soviéticos lanzados a partir de finales de los 50.
Abandono temporal de la energía solar.
El crecimiento de esta industria fue alto hasta mediados de los 50's, cuando el bajo costo del gas natural y el perfeccionamiento de la extracción de carbon hizo que este energético se usara como fuente principal para calentamiento. Se consideró entonces, la energía solar como cara y se abandonó para fines industriales.
Resurgimiento de la energía solar.
El abandono, para fines prácticos, de la energía solar duró hasta los 70's. Pero en esos años el aumento en el precio del pétroleo y gas llevó a un resurgimiento en el uso de la energía solar para calentar hogares y agua, así como en la generación de electricidad.
Además del precio, en el caso de los calentadores de agua de gas y carbón de los hogares, resultaban peligrosos ya que una mala combustión se podía generar gases tóxicos, monóxido de carbono.
El primer calentador solar de agua caliente sanitaria fue patentado en 1891 por Clarence Kemp.
En este sentido, un desarrollo importante fue un calentador solar sumamente eficiente inventado por Charles Greeley Abbott en 1936. El calentador solar de agua se hizo popular por este tiempo en Florida, California y otros lugares de EEUU.
La Guerra del Golfo de 1990 aumentó aún más el interés en la energía solar como una alternativa viable del petróleo.
BASES TEORICAS
La luz, sea ésta de origen solar, o generada por un foco incandescente o fluorescente,
está formada por un conjunto de radiaciones electromagnéticas de muy alta frecuencia,
que están agrupadas dentro de un cierto rango, llamado espectro luminoso. Las ondas
de baja frecuencia del espectro solar (infrarojo) proporcionan calor, las de alta frecuencia
(ultravioleta) hacen posible el proceso de fotosíntesis o el bronceado de la piel. Entre
esos dos extremos están las frecuencias que forman la parte visible de la luz solar. La
intensidad de la radiación luminosa varía con la frecuencia. La Fig 1.1 muestra, en
forma no detallada, la composición del espectro luminoso.
El “color” de la luz solar depende de la composición del espectro de frecuencias. Los
fabricantes de focos luminosos, concientes de este fenómeno, tratan de dar a éstos un
espectro de radiación luminosa similar al de la luz solar que llega a la Tierra cuando el
sol alcanza la posición del zenith (luz blanca). La intensidad y frecuencias del espectro
luminoso generado por el sol sufre alteraciones cuando la luz atraviesa la atmósfera.
Ello se debe a la absorción, reflección y dispersión que toma lugar dentro de ésta. Los
gases presentes en la capa atmosférica actúan como filtros para ciertas frecuencias,
las que ven disminuídas su intensidad o son absorbidas totalmente. El proceso
fotovoltaico responde a un limitado rango de frecuencias dentro del espectro visible,
de manera que es importante definir el espectro de radiación de la fuente luminosa
que se utiliza para evaluar la celda fotovoltaica. Esto se hace especificando un parámetro
denominado Masa de Aire.
La posición relativa del sol respecto a la horizontal del lugar determina el valor de la
masa de aire. Cuando los rayos solares caen formando un ángulo de 90° respecto a la
horizontal, se dice que el sol ha alcanzado su zenit.
A la posición del zenit se le asigna una masa de aire igual a 1 (M1). Cualquier otra distancia tendrá una masa de aire que puede calcularse usando la expresión:
Masa de Aire = 1 / cos&
donde & es el ángulo formado entre la posición de zenit y la posición del sol en ese
momento, y cosa es el valor del coseno de ese ángulo, el que varía entre 1 y 0 cuando el ángulo varía entre 0 y 90°. Para valores de a mayores que cero, el valor del cosa es siempre menor que la unidad, de manera que el valor de la masa de aire se incrementa. Valores para la masa de aire mayores que la unidad indican que la radiación directa debe atravesar una distancia mayor dentro de la atmósfera. El ángulo de inclinación respecto a la posición del zenit (vertical) puede ser calculado de la expresión anterior. Se deduce así que una masa de aire de valor 1,5 corresponde a un ángulo a de unos 48°. Algunos autores asignan, arbitrariamente, el valor M=0 para el espectro luminoso fuera de la atmósfera. Este valor carece de sentido matemático.
Al incrementarse la distancia, la absorción, reflección y dispersión de la luz solar también se incrementan, cambiando el rango de frecuencias que integran el espectro luminoso, así como la intensidad del mismo. Esto explica las variaciones de intensidad y color de la luz solar durante la salida y puesta del sol. La fuente luminosa usada para medir la potencia de salida de un panel FV tiene un espectro luminoso correspondiente a una masa de 1,5 (M1,5), el que ha sido adoptado como estandard. La intensidad es muy cercana a 1KW/m2.
La cantidad total de radiación solar (directa y reflejada) que se recibe en un punto determinado del planeta, sobre una superficie de 1 m2, para un determinado ángulo de inclinación entre la superficie colectora y la horizontal del lugar, recibe el nombre de insolación. El término deriva de la palabra inglesa insolation, la que, a su vez, representa un acronismo derivado de otras tres palabras del mismo idioma: incident solar radiation (radiación solar incidente).
El valor de la insolación en una dada locación debe reflejar el valor promedio de la
misma. Para obtenerlo, se necesita tener en cuenta las variaciones cíclicas estacionales, conduciendo mediciones de la radiacón solar diaria durante 10 ó más años. En los Estados Unidos de Norteamérica, esta tarea es llevada a cabo por el National Renewable Energy Laboratory (NREL) con sede en Golden, Colorado, desde 1961. Las mediciones de insolación diaria se toman usando colectores fijos, con distintos ángulos de inclinación con respecto a la horizontal, así como colectores móviles (los que siguen la trayectoria del sol automáticamente). El Centro de Estudios para la Energía Solar (Censolar) publica datos para la insolación media, en un plano horizontal, para una multitud de países en el mundo. Se usan diferentes unidades para expresar el valor de la insolación de un lugar. La más conveniente para nuestra aplicación es el Kilowat.hora por metro cuadrado (KWh/m2), o su valor equivalente en miliwat.hora por centímetro cuadrado (mWh/cm2). Si la energía del sol se utilizare para calentar agua, resulta más conveniente usar comounidad las calorías por metro cuadrado (Cal/m2) o los Btu/f2 (British thermal units por pié cuadrado ). La reducción de una cantidad a la otra puede hacerse recordando que 1KWh/m2= 860 Cal/m2 = 317.02 Btu/f2.
Si la superficie colectora mantiene un ángulo de inclinación fijo, el valor de la insolación en una dada locación depende de las condiciones atmosféricas y la posición del sol respecto del horizonte. La presencia de nubes incrementa la absorción, reflección y dispersión de la radiación solar. Las zonas desérticas, dada la carencia de nubes, tienen los mayores valores de insolación en el planeta. La posición del sol respecto a la horizontal cambia durante el día y con las estaciones. El valor de la insolación al amanecer y al atardecer, así como en el invierno, es menor que el del mediodía o el verano.
Irradiación es el valor de la potencia luminosa. Los fabricantes de paneles fotovoltaicos (FVs) determinan la máxima potencia eléctrica de salida usando una fuente con una potencia luminosa de 1 KW/m2. Este valor, conocido con el nombre de SOL, se ha convertido en un estandard para la industria, facilitando la comparación de paneles de distintos orígenes. Recordando que 1 m2 = 10.000 cm2, y que 1 KW = 1.000 W, se tiene que:
1 SOL = 1 KW/m2 = 100 milliwatts/cm2
Las dos cantidades son usadas, indistintamente, en las especificaciones de paneles FVs.
El valor de la irradiación varía al variar la masa de aire, la que cambia constantemente desde el amanecer al anochecer. Para simplificar el cálculo de la energía eléctrica generada diariamente por un panel FV, se acostumbra a definir el día solar promedio. Este valor es el número de horas, del total de horas entre el amanecer y el anochecer, durante el cual el sol irradia con una potencia luminosa de 1 SOL. Supongamos, como ejemplo, que el promedio de insolación diaria en una locación es de 5 KWh/m2. Si este valor es dividido por un SOL, se obtiene el valor (en horas) del día solar promedio para esa locación y esa inclinación.
En nuestro ejemplo:
5 KWh/m2
DIA SOLAR = ———— = 5 horas
1 KW/m2
Recordando que los paneles son evaluados usando una intensidad luminosa de un SOL, la duración del día solar promedio representa la cantidad de horas, del total de horas de luz diaria, en que el panel es capaz de generar la potencia máxima de salida especificada por el fabricante.
El NREL publica, en forma periódica, los valores de insolación promedio, para una dada locación, usando colectores fijos con cinco ángulos de inclinación: horizontal: (0°), latitud del lugar menos 15°, latitud, latitud más 15°, y vertical (90°). Estos datos son complementados con mediciones tomadas usando superficies colectoras móviles, las que son montadas en aparatos que, automáticamente, siguen la trayectoria del sol. Este último tema será tratado en detalle en el Capítulo 8. La información mensual proporciona, además, los valores de insolación máxima y mínima registrados para ese período.
Complementando los datos de insolación, se tienen datos metereológicos de la máxima y mínima temperatura, porciento de humedad relativa, y velocidad promedia del viento para la locación. Un dato importante, el de los días consecutivos promedio sin sol, no forma parte de la información, a pesar de su importancia en la determinación de la reserva de energía (banco de baterías), como veremos más adelante.
El ángulo de inclinación de la superficie colectora es el que ésta forma con la horizontal, tal como lo ilustra la Figura 1.3
Con las estaciones, la altura del sol respecto a la horizontal cambia al alcanzar el zenit. La diferencia de altura respecto a la horizontal varía con la latitud del lugar. Para las locaciones donde el cambio de altura es apreciable, la variación del ángulo de inclinación permite que los rayos solares incidan casi perpendicularmente sobre la superficie colectora durante todo el año, lo que incrementa el nivel de energía que puede ser transformada.
El ángulo deberá incrementarse cuando la altura del sol sobre el zenit es la menor. En estas locaciones, la duración del día solar promedio, para una misma estación, varía en función del ángulo de inclinación. Una forma universal de presentar los valores de insolación es usar, como referencia, un ángulo de inclinación para la superficie colectora que es igual al de la latitud del lugar. Los valores así obtenidos son complementados con mediciones hechas con ángulos de inclinación que varían +/-15° respecto al valor de referencia.
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