IMPLEMENTACIÓN DE PLANTAS SOLARES TERMOELÉCTRICAS EN EL NORTE DEL PERÚ

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Índice

Introducción

1. Fundamentos del Sistema Solar Térmico

1.1 Aprovechamiento de la energía solar

1.2 Elementos principales de una instalación solar

2. Tecnologías y Aplicaciones

2.1 Energía Solar Termoeléctrica

2.2 Energía Solar Térmica

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Introducción

Los sistemas solares térmicos nacen de la necesidad del hombre de cubrir dos Aspectos fundamentales de su diario vivir: La generación tanto de electricidad, como De calor. Este último, siendo utilizado, además, y contra lo que se pudiera pensar, para la refrigeración de espacios.

Así pues, podemos definir a este tipo de sistemas como aquellos que hacen uso Térmico de la energía solar en general.

De este modo, el presente tutorial busca explicar de manera clara y concisa la aplicación de cada una de las tecnologías térmicas existentes, así como los alcances de las mismas.

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1.1 Aprovechamiento de la energía solar

El funcionamiento de un sistema solar térmico se basa en la idea de que mediante un receptor, cuya tecnología varía de un sistema a otro, se pretende calentar un fluido, generalmente agua o aire, para

producir vapor o simplemente realizar un intercambio térmico con algún fin específico.

Fuente: Instituto para la diversificación y ahorro de energía (IDAE) Madrid, España

Para lograr esto, los captadores solares, generalmente, se valen de superficies oscuras con la finalidad de absorber la mayor cantidad de radiación solar posible.

En ocasiones, se utilizan sistemas de almacenamiento para abastecer el consumo

cuando sea necesario.

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1.2 Elementos principales de una instalación solar

Colectores Solares

Con el objetivo de incrementar la cantidad de energía absorbida por un colector, se

han diseñado distintas versiones de los mismos. Destacan:

Colectores planos. Utilizan como fluido el agua.

Colectores de tubo de vacío.

que alcanzan temperaturas más elevadas de funcionamiento. Reduciendo sus pérdidas,

gracias al vacío existente en el tubo.

Colectores solares de aire. Un

abanico energizado por una celda fotovoltaica introduce aire al colector.

El aire se calienta por radiación solar,

para luego enviarse al espacio a

calentar.

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1.2 Elementos principales de una instalación solar

Sistema de Distribución

El sistema de distribución tiene como meta el transportar el fluido caliente hasta su

punto de consumo.

De este modo, dependiendo de las condiciones climáticas del lugar de ubicación

del sistema, así como las necesidades a satisfacer, podemos clasificarlo en cuatro principales tipos de instalación:

•Instalaciones de Circuito Abierto

•Instalaciones de Circuito Cerrado

•Circulación forzada de agua

•Circulación natural o con termosifón

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1.2 Elementos principales de una instalación solar

Sistema de Distribución

•Instalaciones de Circuito Abierto. Transfieren directamente agua caliente hacia el depósito de almacenaje.

1. El colector Calienta el agua. 2. Al aumentar la temperatura del agua, esta

tiende a subir, pues es menos densa. 3. Una vez que el agua caliente llega al depósito

acumulador, este deja fluir el equivalente de

agua más fría hacia el colector.

Ventajas:

Desventajas:

Fuente: Instituto para la diversificación y ahorro de energía (IDAE)

Madrid, España

•Sencillo de fabricar e instalar

•Económico

•Riesgo de rotura por congelación en periodos de heladas. Por lo que es necesario vaciar el circuito en épocas muy frías .

•Obstrucciones en el colector, por la calidad del agua. Por lo que se requiere de ciertos aditivos o equipo electrónico.

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1.2 Elementos principales de una instalación solar

Sistema de Distribución

•Instalaciones de Circuito Cerrado. Se compone de dos circuitos:

1. Circuito primario del sistema captador. Aquí se introduce un fluido especial que circula dentro del colector , el cual, mediante un intercambiador de calor, aumenta la temperatura del agua del tanque.

2. Circuito secundario. Aquí se encuentra el

tanque de almacenamiento.

Ventajas: •El agua del depósito NO se mezcla con el fluido del colector

•Al usar anticongelante en el circuito primario, el sistema funciona aún en climas donde las temperaturas bajen los cero grados centígrados

Fuente: Instituto para la diversificación y ahorro de energía (IDAE)

Madrid, España

Desventajas:

•Más difícil de fabricar e instalar

•Más costoso que el de circuito abierto

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1.2 Elementos principales de una instalación solar

Sistema de Distribución

•Circulación forzada de agua Basa su funcionamiento en una bomba de impulsión, energizada por una fuente de alimentación externa .

Común en climas fríos, donde se busca minimizar pérdidas de calor.

Utilizado para instalaciones de cualquier

tamaño.

Ventajas:

•Transfiere el fluido circulante de manera más rápida

•Menos pérdida de calor en la distribución.

Fuente: Instituto para la diversificación y ahorro de energía (IDAE) Madrid, España

Desventajas: •Costo extra por la bomba

•Permite interrumpir el flujo cuando el agua del acumulador esté más caliente que el fluido del colector.

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1.2 Elementos principales de una instalación solar

Sistema de Distribución

•Circulación natural o con termosifón Su funcionamiento es básicamente el mismo que el de una instalación de circuito abierto,

aprovechando la circulación natural del agua caliente, la cual tiende a subir al elevar su temperatura.

Utilizados en zonas de clima cálido.

Únicamente para pequeñas instalaciones

solares. Fuente: Instituto para la diversificación y ahorro de energía (IDAE) Madrid, España

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1.2 Elementos principales de una instalación solar

Almacenamiento

Para aprovechar al máximo la energía proveniente del sol, es necesario almacenarla, para utilizarla cuando se requiera.

Por norma general, los depósitos cilíndricos son los

que mejores resultados brindan al momento de almacenar calor. Esto gracias al fenómeno de estratificación, mediante el cual, el agua caliente disminuye su densidad y tiende a ascender sobre el agua fría, más densa.

Entre más alto sea el depósito, mayor será la diferencia de temperatura entre la parte superior e inferior del tanque.

Un punto a tomar en cuenta es la calidad del agua a almacenar, puesto que esta puede producir corrosión, misma que puede evitarse mediante el uso de sistemas electrónicos .

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1.2 Elementos principales de una instalación solar

Sistema de apoyo de energía

Colector Solar

Unidad de control

Tanque de gas

Cuando la radiación solar no es suficiente para generar la energía demandada y/o el consumo excede lo previsto, siempre será bienvenido un sistema de apoyo que ayude a cubrir dichas necesidades energéticas.

Por lo general, estos sistemas de apoyo se basan en fuentes

Convencionales de energía. Principalmente:

•Sistemas eléctricos que proporcionan calor mediante resistencias.

•Calderas de gas, como sucede en el caso de los boiler convencionales.

Siendo así, es indispensable contar con un sistema de control adecuado que permita alternar entre la fuente solar y la convencional. Procurando hacer uso mínimo de esta última.

Tanque Acumulador

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2.1 Energía Solar Termoeléctrica

Conceptos clave

•La temperatura a la cual una superficie es calentada gracias a la radiación solar se determina por:

T=radiación incidente - pérdidas por conducción, convección y reflexión

•La selección de superficies capaces de absorber la luz visible del sol, sin perder energía a causa de la radiación infra-roja, permite mayores temperaturas.

•La temperatura puede incrementarse notablemente al utilizar sistemas de

concentración solar, mediante superficies altamente reflejantes o lentes de aumento.

•Existen tres tipos básicos de captación solar térmica: No Concentrado, Concentrado a

una línea y Concentrado a un Punto.

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2.1 Energía Solar Termoeléctrica

Conceptos clave

•Colectores No Concentrados. Utilizados para generar temperaturas relativamente bajas, por ejemplo, para uso doméstico.

•Colectores Concentrados en una Línea. Mediante superficies especiales, permiten un

radio de concentración de hasta 20 veces la de un Colector sin concentración, por lo

que pueden ser capaces de alcanzar temperaturas lo suficientemente altas como para

generar electricidad.

•Colectores Concentrados en un Punto. Permiten un radio de concentración de hasta

1000 veces la de un Colector sin concentración, sin necesidad de superficies especiales. Es posible generar hidrógeno del agua.

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2.1 Energía Solar Termoeléctrica

Conceptos clave

Fuente: Instituto para la diversificación y ahorro de energía (IDAE)

Madrid, España

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2.1 Energía Solar Termoeléctrica

Principales Tecnologías Meta: Incrementar la radiación incidente en el receptor

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2.1 Energía Solar Termoeléctrica

Principales Tecnologías Colector de Canal Parabólico

(CSP por sus siglas en Inglés)

Los Colectores de Canal Parabólico concentran la radiación solar en un tubo situado en el eje de la parábola, por el cual circula un fluido que facilita la transferencia de calor.

La implementación de un sistema de seguimiento

de la trayectoria del Sol permite incrementar la

eficiencia en la conversión de la Radiación solar por Día a Calor generado por día.

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2.1 Energía Solar Termoeléctrica

Principales Tecnologías Colector de Canal Parabólico

(CSP por sus siglas en Inglés)

El fluido caliente es bombeado a través de una serie de intercambiadores de calor para producir vapor extremadamente

Fuente: Departamento de Energía de los Estados Unidos de América

caliente capaz de mover una turbina para generar electricidad.

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2.1 Energía Solar Termoeléctrica

Principales Tecnologías Colector de Plato Parabólico

Concentra la energía solar en un solo punto, en el cual se ubica un motor Stirling, el cual convierte directamente la radiación en

electricidad.

Su diseño modular lo hace una buena opción para la generación de energía en las zonas rurales donde la red eléctrica no está disponible. Sin embargo, la inversión inicial es muy costosa.

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2.1 Energía Solar Termoeléctrica

Principales Tecnologías Colector de Torre Central

Consiste de un campo de Heliostatos (Reflectores), que concentran la radiación del Sol en un receptor central, a lo alto de una Torre.

En este sistema, un compuesto especial de sal es

bombeado desde un tanque frío (288°C), para pasar a través del receptor central, donde se calienta, llegando hasta los 565°C para volver a un tanque

caliente

Los sistemas actuales permiten almacenar el calor en un rango de 3 a 13 horas.

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2.1 Energía Solar Termoeléctrica

Principales Tecnologías Colector de Torre Central

Fuente: Sandia National Laboratories

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2.1 Energía Solar Termoeléctrica

Principales Tecnologías

Tecnología

Plato Parabólico

Torre Central

Canal Parabólico

Colector plano

Temperatura (°C)

50 – 1000

500 – 800

260 -400

30 -100

Eficiencia máxima

de conversión

80%

73%

56%

21%

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2.2 Energía Solar Térmica

Colectores de baja temperatura

Dentro de esta clasificación entran los Colectores planos.

•Caja normalmente de aluminio.

•Cubierta de vidrio templado que favorece el efecto invernadero.

•Superficie captadora que incluye un absorbedor de cobre

•Aislamiento de fibra de vidrio en el fondo

•Máxima temperatura aprox. 127°C

•Principales aplicaciones: Calentamiento de agua y espacio, aire acondicionado y procesos industriales.

2.2 Energía Solar Térmica

Colectores de baja temperatura

Sistema para Calentar Agua

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2.2 Energía Solar Térmica

Aplicaciones

En usos Domésticos: •Agua caliente sanitaria.

•Climatización de piscinas

•Calefacción de edificios

•Refrigeración (con máquinas de absorción)

En usos Industriales: •Secaderos Agrícolas

•Calefacción de invernaderos

•Granjas avícolas y porcinas

INDICE 1. RADIACIÓN SOLAR Y ENERGÍA SOLAR TÉRMICA.

1. SUBSISTEMAS DE UNA INSTALACIÓN. a. Colector solar. b. Intercambiador. c. Acumulador. d. Bomba circuladora. e. Componentes del circuito hidráulico.

1. ASPECTOS ECONÓMICOS. a. Rentabilidad. b. Coste de una instalación solar. c. Amortización.

1. SECTOR SOLAR TÉRMICO ESPAÑOL. a. Recurso. b. Situación actual. c. Mercado e industria d. Perspectiva y futuro.

1. Radiación Solar y Energía Solar Térmica

RADIACIÓN SOLAR.

● Radiación electromagnética procedente del Sol. ● Desde la antigüedad el ser humano ha aprovechado la radiación solar. ● En la actualidad, la luz y calor del Sol se aprovechan por medio de:

o Células fotovoltaicas Energía eléctrica o Colectores térmicos

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA.

Energía térmica

● Consiste en aprovechar la energía del sol para producir calor.

● Calefacción, agua caliente, mover turbinas, generar electricidad, etc.

2. Subsistemas de una instalación

a. Colector solar

Recogen la energía radiada por el Sol. Se dividen en tres grandes grupos:

● BAJA TEMPERATURA (<100ºC). Calefacción doméstica y ACS.

o Colectores planos. Cajas planas metálicas por las que circula un fluido que se calienta a su paso por el panel.

Con cubierta: Un vidrio limita pérdidas de calor.

Sin cubierta: Menor rendimiento, pero más económicos.

● MEDIA TEMPERATURA (100-300ºC). Producción de vapor.

o Tubos de vacío. La superficie captadora está aislada del exterior por un doble tubo de vidrio que crea una cámara al vacío. Pueden ser de flujo directo o indirecto.

a. Colector solar

●

ALTA TEMPERATURA (>300ºC). Procesos industriales.

o Colectores concentradores

Son de tipo cilíndrico o parabólico. Adecuados para procesos industriales de alta temperatura. Reflejan la radiación solar directa concentrándose en un único punto.

"Concentradores, Hornos solares"

Aunque existen otros colectores solares (esféricos, cónicos...) estos son los más comunes.

b. Intercambiador

Utiliza la energía calorífica recogida por los colectores para calentar el agua fría

antes de almacenarla en el acumulador.

Generalmente tiene forma de serpentín

(aunque existan otros muchos tipos) para aumentar la superficie de contacto entre

el circuito caliente (primario) y el circuito frío (secundario).

Es frecuente que vaya acoplado al acumulador o integrado en el mismo.

c.Acumulador

Este depósito acumula agua calentada útil para el consumo.

Tiene una entrada para el agua fría (por debajo) y una salida para el agua caliente

(por arriba).

Generalmente son de acero inoxidable o materiales capaces de evitar efectos

corrosivos del agua caliente almacenada.

Incorporarán también sistemas de aislamiento para evitar posibles pérdidas

de calor.

d. Bomba circuladora

Utilizadas en instalaciones de circulación forzada.

Hacen posible el movimiento

continuo del fluido desde los colectores solares hasta los acumuladores.

Suelen incorporarse dos por cada circuito (cuatro en cada instalación): pueden alternar su trabajo (12 horas cada una) o funcionar al tiempo, complementandose y evitando parones.

e. Componentes del circuito hidráulico

Existen otros elementos que complementan la instalación.

● TUBERÍAS. ● VÁLVULAS. ● VASOS DE EXPANSIÓN. ● EQUIPOS DE AISLAMIENTO. ● EQUIPOS DE SEGURIDAD. ● PANEL DE CONTROL.

3. Aspectos económicos

Últimos años las instalaciones de energía solar térmica NO han experimentado una alteración sustancial de precios

(Tampoco es previsible que lo hagan en los próximos años)

Posibles rebajas en este tipo de instalaciones pueden deberse a mejoras en el proceso de

fabricación de los captadores solares, o una disminución de los precios de venta al público si crecimiento del mercado.

3. Aspectos económicos

El coste de implantación es variable, múltiples factores:

• Tipo de aplicación (piscinas, agua caliente sanitaria, calefacción, refrigeración…)

• Tamaño de la instalación

• La tecnología utilizada (captadores planos o de vacío)

• ¿La instalación se realiza a la vez que la construcción del edificio o se trata de una vivienda edificada?

a. Rentabilidad

Con el objetivo de tomar un valor de referencia, nos centraremos en el coste

de la energía solar de baja temperatura para el suministro de agua

caliente sanitaria: ya que es aplicación más extendida en todo el mundo y la que cuenta con mayor potencial a corto plazo.

¿ES RENTABLE?

La energía proviene del Sol; por lo tanto, lo que supone un gran desembolso de capital es la adquisición y montaje de la instalación.

No obstante, esta inversión se compensará con creces en pocos años, al sustituir una energía convencional por otra mucho más económica.

a. Rentabilidad

Desde que ponemos en marcha nuestra instalación solar, la factura del gas o la electricidad destinada a la producción de agua caliente sanitaria bajará.

Ahorros medios de entre unos 75 a 150 euros al año en una economía familiar, en función del combustible que se sustituya.

Además, hay que tener en cuenta que esta fuente de energía no está sujeta a fluctuaciones de

mercado y que los precios no oscilan en relación al coste de la vida, o cualquier otra circunstancia.

Instalación solar térmica cuenta con grandes ventajas frente a otros y es plenamente rentable en términos económicos. Añadir buenas condiciones de financiación y a ayudas a fondo perdido de las diferentes administraciones.

b. Coste de una instalación solar

El precio varía según sea una instalación individual o colectiva.

Precio medio de una instalación de placa plana oscila entre los 600-800€/m2

Este disminuye si la instalación solar precisa de más metros de superficie captadora o vivienda nueva donde su incorporación vendrá integrada en el diseño del proyecto.

El tamaño de una instalación dependerá de la demanda de agua caliente sanitaria y de la zona geográfica en la que nos encontremos.

Empezar un proyecto de energía solar hacer un estudio previo de la demanda energética de la vivienda, hotel, polideportivo, etc, para dimensionar el sistema que mejor se adapte a las necesidades del edificio en todo momento.

Con el beneficio de los programas de ayudas de las administraciones, una instalación para agua caliente sanitaria cuesta alrededor de 1.200€/vivienda.

b. Coste de una instalación solar

Media, los gastos de operación y mantenimiento rondarán los 3500

Dólares /año (para instalaciones en viviendas unifamiliares), y suelen

disfrutar de una garantía de al menos tres años.

Una instalación solar bien diseñada y correctamente instalada no tiene por qué

ocasionar problemas al usuario.

c. Amortización

La vida media de una instalación de energía solar térmica es de unos 25 años, aunque actualmente se tiende a diseñar equipos con una duración de treinta años de vida útil.

El plazo habitual de amortización está entre los 10 y los 15 años. De esta manera, si tenemos en cuenta que la vida útil de la instalación supera los 25 años, se puede decir que tendremos agua caliente de forma gratuita durante mucho tiempo.

4. Sector Solar Térmico

a. Recurso

Se ve favorecida por un alto índice de radiación solar media anual (que oscila entre <3.8 y >5 kWh/m^2) y disponemos de condiciones muy

adecuadas para aprovechar la energía solar, con áreas de alta irradiancia en todo el norte del Perú.

La irradiación solar es la energía solar incidente en una superficie por

unidad de superficie y a lo largo de un cierto período de tiempo.

En comparación con otros países sudamericanos nuestra situación es muy favorable.

En la siguiente figura se ofrece una estimación de la

b. Situación actual

Por su situación geográfica y clima es un país que posee las condiciones ideales para aprovechar la energía solar térmica y poder llegar a ser un gran productor de energía proveniente del sol .

La energía solar térmica ha experimentado un enorme desarrollo en los últimos años asociado al sector de la edificación, derivada de las exigencias del Documento Básico de Ahorro de Energía (DB-HE) del Código Técnico

de la Edificación, en el que se establece la obligación de instalar sistemas

solares térmicos en nuevos edificios y rehabilitaciones.

En España, la aplicación más extendida es la producción de Agua Caliente Sanitaria (ACS) con un 98% del total y este sector, en el que trabajan más de

6.000 personas, mueve 278 millones de euros al año según la Asociación de la Industria Solar Térmica (ASIT).

c. Mercado e industria

A nivel nacional en la industria solar térmica participan empresas de muy diferentes perfiles.

En total, 385 empresas se dedican a actividades de energía solar en alguna de sus fases: venta de equipos, reparación, mantenimiento, financiación...

En España existen al menos 12 fabricantes

de colectores solares. Destacan:

- ALWEC

- ACV España

- DISOL

- ESE

- GAMESA-MADE

- ISOFOTON

d. Perspectiva y futuro

De cara al futuro la energía solar térmica tiene varias posibilidades:

● Superación de las barreras existentes: o No hay grandes empresas

involucradas (mayor dificultad de investigación).

o Los proyectos públicos de financiación no prestan mucho interés.

● Líneas de innovación: o Desarrollo de nuevos captadores. o Procesos de fabricación. o Nuevas aplicaciones. o Integración. o Aplicación del concepto de venta de

energía.

GRACIAS