Manual Energia Solar Termica PDF
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621.47
M2946m Manuales sobre energía renovable: Solar Térmica/
Biomass Users Network (BUN-CA). -1 ed. -
San José, C.R. : Biomass Users Network
(BUN-CA), 2002.
42 p. il. ; 28x22 cm.
ISBN: 9968-904-01-5
www.elsolucionario.org
©Copyright 2002, BUN-CA, Setiembre del 2002
1a edición
San José, Costa Rica
Este Manual puede ser utilizado para propósitos no-comerciales con el debido reconocimiento al autor.
Esta publicación ha sido posible gracias a la sistencia financiera del Fondo para el Medio Ambiente
Mundial (GEF) e implementando por el Programa de la Naciones Unidas para el Desarrollo (PNUD) en
el marco del Programa Operacional #6 del Áreal Temática de Cambio Cliµático del GEF. Las opiniones
expresadas en este documento son del autor y no necesariamente refrejan el parecer del Fondo para
el Medio Ambiente Mundial o del Programa de las Naciones unidas para el Desarrollo.
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Tabla de simbología
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1. Introducción
ara la región de América Central, las tecnologías de energía renovable a pequeña escala presentan
P una alternativa económica y ambiental factible para la provisión de energía a comunidades rurales
remotas y para la expansión de la capacidad eléctrica instalada, ya sea por medio de sistemas aislados
o por proyectos conectados a la red eléctrica. La región cuenta con suficientes recursos para
desarrollar sistemas hidráulicos, solares, eólicos y de biomasa, principalmente.
Sin embargo, existen barreras que dificultan un mayor desarrollo de este tipo de energía: la
falta de conocimiento de las tecnologías y las capacidades institucional y técnica aún incipientes.
FOCER tiene como objetivo remover barreras que enfrenta la energía renovable y fortalecer la
capacidad para el desarrollo de proyectos de este tipo a pequeña escala, en América Central, con el fin
de reducir las emisiones de gases que contribuyen el efecto invernadero. Este proyecto se ejecuta por
medio del apoyo técnico y financiero a desarrolladores de proyectos, de la organización de seminarios
y talleres de capacitación, y de la asistencia a gobiernos en la implementación de políticas y
regulaciones apropiadas para la energía renovable.
El presente manual, entorno a la energía solar térmica, tiene el objetivo de informar al lector
sobre esta tecnología en el ámbito centroamericano, así como a darle fuentes adicionales de
información.
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2. ¿Qué es energía solar?
l sol, fuente de vida y origen de las diversas formas de energía que el ser humano ha utilizado
E desde el inicio de su historia, puede satisfacer prácticamente todas nuestras necesidades si
aprendemos cómo aprovechar de forma racional su luz.
El sol es una estrella formada por diversos elementos en estado gaseoso, principalmente
hidrógeno, en condiciones tales que producen, de forma espontánea e ininterrumpida, un proceso de
fusión nuclear, el cual emite luz y calor. Este es el origen de la inagotable energía solar.
La fuerza del sol que llega a la tierra equivale a 10.000 veces el consumo mundial de energía.
Este astro es como una gran estrella corriente, capaz de hacer llegar hasta nosotros grandes
cantidades de energía radiante. Se encuentra a una distancia de unos 150 millones de kilómetros de la
Tierra y la radiación que emite tarda algo más de ocho minutos en alcanzar nuestro planeta, a una
velocidad de 300.000 km/s. Desde el punto de vista cuantitativo se puede decir que sólo la mitad de
la radiación solar llega a la superficie de la Tierra. La restante se pierde por reflexión y absorción en
la capa de aire.
La forma más usual de medir la fuerza del Sol es en kw/m2 de área horizontal. En el mapa
mundial de radiación solar (www.energie-atlas.ch/sonn-e.htm), se indica la radiación promedio anual
en kwh/m2. Así muestra que la mayoría de América Central recibe una cantidad de 1.950 kwh/m2 por
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año, un valor muy alto si se compara con Europa Central que recibe apenas, 1.100 kwh/m2 por año.
El aprovechamiento activo se puede regir bajo dos puntos de vista bien diferenciados: la
conversión térmica o aprovechamiento del calor contenido en la radiación solar, y la conversión
eléctrica o aprovechamiento de la energía luminosa (fotones), para generar directamente energía
eléctrica (efecto fotovoltaico). Este manual discute la conversión térmica, mientras que en otro de esta
serie se trata el tema de la energía fotovoltaica.
El aprovechamiento térmico del sol era conocido ya por los romanos. Ellos sabían que un
cuerpo negro absorbe más el calor que un cuerpo claro, pero fue hasta la gran crisis del petróleo de
los años setenta en el siglo pasado, cuando se empezó la difusión masiva de los sistemas solares
térmicos.
Durante esta crisis energética, en todo el mundo, nacieron empresas que se dedicaban a la
fabricación e instalación de colectores solares, pero por falta de experiencia y conocimientos, la
mayoría fracasó. Así en esa época, tales empresas se dieron cuenta de que la energía solar térmica, a
primera vista, parece una tecnología primitiva y simple, pero requiere unas especificaciones técnicas
apropiadas con respecto al uso de materiales, pues no cualquiera soporta temperaturas máximas que
superen los 150ºC. En el pasado no se calcularon los problemas de dilatación de los materiales en
cambios de temperatura muy bruscos, lo que significaba que se quebraban los vidrios de los
colectores. Los problemas de corrosión por el contacto directo de diferentes metales eran otra
polémica que provocó que muchas instalaciones solares no lograran el rendimiento esperado, por lo
que la vida útil se quedó muy por debajo de lo calculado teóricamente.
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Mientras en los países desarrollados hoy los productos han alcanzado una buena calidad, con
una vida útil de más de veinte años y con un rendimiento alto; en los países en vías de desarrollo
continúa la falta de buenos materiales en el mercado, y el elevado costo de un sistema solar de calidad.
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3. Funcionamiento de la energía solar térmica
Características
a energía solar presenta dos características especiales muy importantes que la diferencian de las
L fuentes energéticas convencionales: dispersión e intermitencia.
a. Dispersión: En condiciones favorables, la densidad de la energía del sol apenas alcanza 1 kw/m2, un
valor muy por debajo del que se requiere para producir trabajo. Esto significa que, para obtener
densidades energéticas elevadas, se necesitan grandes superficies de captación, o sistemas de
concentración de los rayos solares.
Aprovechamiento
El aprovechamiento pasivo de la energía solar no requiere ningún dispositivo para captarla. Por
ejemplo, se usa en la arquitectura para sistemas de calefacción en climas fríos, a través de grandes
ventanas orientadas hacia donde el sol emite sus rayos durante la mayor parte del día. Otras
aplicaciones comunes son el secado de productos agrícolas y de ropa.
Sin embargo, el uso o aprovechamiento activo ofrece soluciones más interesantes, pues ofrece
alternativas para el uso de los recursos naturales que, comparadas con otras fuentes de energía, logran
beneficios económicos sin deteriorar tales recursos. Los sistemas activos se basan en la captación de
la radiación solar por medio de un elemento denominado “colector”.
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4. Calentamiento del agua
sta tecnología incluye el calentamiento de agua por debajo de su punto de ebullición. Existen
E diferentes diseños y aplicaciones, pero el aprovechamiento térmico de los rayos del sol en su
funcionamiento principal siempre es igual: un cuerpo negro (colector) recibe los rayos y los convierte
en calor. Dicho colector, en la mayoría de los casos, es un cuerpo metálico pintado de negro.
El calentamiento del agua de las piscinas constituye una de las aplicaciones de la energía solar
más lógicas en América Central, por las claras ventajas de economía y sencillez que presenta frente a
otros sistemas que utilizan energías convencionales. Dado que los colectores utilizados aquí
únicamente deberían ser capaces de mantener una temperatura no mayor de 30ºC, lo ideal es usar
unos plásticos sin recubrimiento, los cuales son mucho más económicos que aquellos para calentar
agua de uso doméstico (ver sección 4.2).
Los fabricantes usan colectores de material plástico negro, los cuales son resistentes a los rayos
ultravioleta del sol y a las condiciones climáticas. Los tres materiales más usados son polipropileno,
polietileno y un monómero de etileno propileno conocido como EPDM (Ethylene Propylene Diene
Monomer). Los colectores plásticos trabajan con una eficiencia muy alta, en un rango de temperaturas
entre 20-28ºC, ya que las pérdidas de calor son mínimas, debido a las temperaturas bajas de operación.
Calentar piscinas siempre significa un consumo de energía muy alto, por lo que algunos países
lo prohibieron mediante fuentes de energía no renovables. Económicamente un sistema solar presenta
números muy interesantes en comparación con calentadores a gas o sistemas eléctricos. Su tiempo de
amortización siempre queda debajo de tres años, con una vida útil de veinte años y una garantía de
diez años sobre los colectores.
Otra de las soluciones más eficientes para reducir las pérdidas caloríficas (sobre todo por las
noches) es el uso de un cobertor térmico. Este es una manta plástica que flota sobre el agua y reduce
las pérdidas en aproximadamente un 50%.
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Instalación
Los cambios que se deben realizar para adaptar un sistema solar a un circuito existente de una
piscina son sencillos. Solamente hay que instalar una válvula de tres vías y un control termodiferencial
después del filtro que permite el paso del agua automáticamente hacia los colectores en caso de que
haya sol (Figura 2). Desde éstos el agua retorna, más caliente, por medio de tubos de PVC, a la piscina.
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Dimensionamiento
Para lugares en América Central con una temperatura promedio de entre 20ºC y 22ºC (la
temperatura del agua de las piscinas está normalmente entre uno y dos grados encima de la del medio
ambiente), se requiere un colector entre el 70 y el 100% del área de la piscina (si existe un cobertor
térmico, dicha área se puede reducir a un 50%), para aumentar la temperatura del agua en unos cuatro
o cinco grados centígrados.
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Calentamiento del agua
Se habla, principalmente de dos diferentes sistemas solares para uso doméstico: el sistema
termosifón y el forzado. Existe otro denominado integrado, el cual sólo tiene aplicación en zonas
tropicales. El funcionamiento básico en todos ellos es el mismo: un colector capta los rayos solares y
transmite el calor al agua circulando hacia un tanque de almacenamiento. Ahí ésta se queda dentro de
un recipiente bien aislado hasta su consumo.
El sistema termosifón es muy conocido en climas cálidos, donde no hay peligro de congelación.
Por su fácil e independiente funcionamiento (circulación del agua entre colector y tanque por
gravedad), es muy popular para casas o viviendas. Su instalación normalmente es sobre el techo y el
tanque tiene que estar ubicado en una posición superior a la del colector. Hace años su desventaja era
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Calentamiento del agua
su estética, pero hoy varios fabricantes han logrado mejorar su apariencia, integrando los
componentes en una sola unidad.
El colector capta la radiación solar directa y difusa y, por el efecto termosifón, el agua caliente
del colector sube hasta el tanque y la más fría, que es más pesada, baja al colector para ser calentada.
El tanque cuenta con un excelente aislamiento que sólo permite pérdidas mínimas de calor durante la
noche. Opcionalmente se puede instalar una resistencia eléctrica (encendido y apagado automático)
para garantizar siempre agua caliente en condiciones climáticas adversas, cuando no haya radiación
solar (Figura 5).
Dimensionamiento
El sistema básico para una casa consiste en un colector de 2,1 m2 y un tanque de alrededor de
50 gls. (189 lt.). Este es capaz de cubrir las necesidades de agua caliente para cuatro personas en
muchos hogares centroamericanos. Su temperatura depende de la radiación solar y del consumo, pero
uno de buena calidad debería ser capaz de elevarse a unos 40ºC, aunque, durante todo el día, haya una
radiación solar difusa.
En el sistema solar forzado sólo hay que instalar el o los colectores sobre el techo y el tanque
en un lugar bajo techo (normalmente el cuarto de pilas). Se denomina forzado porque requiere una
fuerza (bomba de recirculación) que transporte el agua del tanque al colector para ser calentada y
viceversa. El sistema solar forzado siempre se ve más estético que un sistema termosifón; sin embargo,
requiere más material y, por lo tanto, el costo es más elevado.
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Un regulador termodiferencial, a
través de dos sensores (uno ubicado en la
parte más caliente del colector y otro en la
más fría del tanque), enciende la bomba de
recirculación (consume 38W, menos que un
bombillo incandescente) apenas para que el
sensor del colector mida una temperatura
más caliente que la del tanque.
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Calentamiento del agua
Para lugares en el trópico (con temperaturas promedio superiores a los 25° C, existe la
posibilidad de generar agua caliente a un costo sumamente atractivo por la facilidad de construcción
que presentan estos sistemas. La gran diferencia entre los sistemas tradicionales y el integrado es su
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construcción. Mientras el termosifón cuenta con dos componentes (colector y tanque), y el forzado con
tres (colector, tanque y grupo hidráulico), el integrado solamente necesita un solo componente, el cual
une las funciones de absorber calor y almacenar agua caliente.
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Calentamiento de agua
Dentro de una caja aislada por sus costados, y en su parte inferior, se instala un cilindro
metálico negro que debe recibir la radiación del sol directa, y la reflejada por los lados, los cuales
cuentan con papel aluminio reflejante. De esta manera se calienta el agua dentro del recipiente durante
las horas de sol y el cobertor térmico transparente reduce las pérdidas caloríficas al mínimo durante
las horas sin sol. Hasta el momento, este tipo de sistema no ha sido aplicado en América Central.
En hoteles son más recomendables los sistemas solares tipo forzado, por cuanto la cantidad
requerida de agua caliente es elevada y debe estar disponible siempre. Por su parte, en los sistemas
termosifones los tanques tienen mucho peso, lo cual puede presentar un problema para la estabilidad
de la estructura.
El Hotel Terraza en San Salvador cuenta, desde hace 7 años, con un sistema solar para
calentamiento del agua de sus 80 habitaciones. El sistema instalado está formado por 3 grupos de
20 colectores cada uno. El agua se bombea desde una cisterna de 16 m3 haciéndose pasar por los
colectores cuantas veces sea necesario hasta alcanzar una temperatura aproximada de 60 grados.
El total de inversión de alrededor de US$ 120.000, se recuperó a principios del 2002 aún cuando
los cálculos iniciales indicaban un período de recuperación de la inversión de 10 años.
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5. Otras aplicaciones
E l secado al aire libre, donde los productos se exponen directamente al Sol colocándolos sobre el
suelo, es uno de los usos más antiguos de la energía solar térmica y es, aún, uno de los procesos
agrícolas más común en muchos países del mundo. Este procedimiento es de muy bajo costo, pero
puede sufrir grandes perjuicios por las lluvias y el ataque de insectos y otros animales.
Para evitar esos problemas y lograr mayor eficiencia, se han desarrollado diferentes sistemas
de secado solar, que cuentan principalmente con dos elementos:
Los elementos pueden ser diseñados de diferentes formas para integrarse a los equipos de
secadores. Existen distintos tipos de diseños, como secadores solares indirectos (utilizan el calor del
sol para secar), secadores solares directos (utilizan la radiación solar directa) y mixtos.
La combinación del colector y la cámara en una sola unidad puede ser más económica en
muchos casos, especialmente en secadores de menor tamaño. Su funcionamiento consiste en que el
aire circula dentro del secador con el fin de eliminar la humedad evaporada del producto. Como se
muestra en la Figura 11, la circulación se logra por convección natural o forzada cuando el aire es
movido por ventiladores.
Deshidratación de alimentos
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Otras aplicaciones
Un proceso de deshidratación también puede lograrse al aire libre; sin embargo, al hacerlo con
un deshidratador, además de lograr una mejor calidad en sabor y apariencia de los productos, se
obtienen las siguientes ventajas:
• Se evita una muy probable infestación de insectos y la contaminación y pérdida por los
excrementos de pájaros y ratas.
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Otras aplicaciones
Considerando los beneficios económicos que este tipo de agroindustria podría traer al
desarrollo del sector agrícola, la Cooperación Alemana para el Desarrollo GTZ y la Universidad
Centroamericana José Simeón Cañas (UCA) en El Salvador suscribieron un acuerdo de cooperación
para desarrollar un modelo de deshidratador solar, acorde con la tecnología, materiales y niveles
de radiación solar disponibles en ese país.
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radiación UV. El flujo de aire se logra mediante dos ventiladores de 120V AC y 96 vatios.
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Otras aplicaciones
La mayor parte de los modelos de cocinas solares en uso corresponde a trampas de calor. Son
cajas pintadas de negro mate en su interior, lo cual sirve de colector, con paredes aisladas. La cubierta
transparente para recibir la luz solar por lo general consta de dos vidrios para evitar pérdida de calor
hacia el ambiente.
Estas cocinas pueden tener uno o varios reflectores para concentrar la energía solar. Las
temperaturas alcanzadas oscilan alrededor de 150ºC, las cuales son adecuadas para la cocción de
alimentos, para la purificación de agua a través de proceso de ebullición y para el horneado de panes
y pasteles.
Para lograr temperaturas más elevadas, se tiene que aplicar otro principio. Para acumular la
irradiación solar, un reflector con encorvadura parabólica crea un área de foco en donde se alcanzan
temperaturas muy altas. La cocina tiene un soporte estable y la olla se coloca dentro del anillo
sujetador en esa área. Debido a la corta distancia de foco, es necesario reajustar la posición en
dirección al Sol cada 15-20 minutos. Las cocinas de reflector parabólico son modelos de menor
difusión, probablemente por la aparente dificultad de su construcción y su mayor costo.
Ventajas y desventajas
Las principales ventajas que presentan estas cocinas es que no necesitan combustibles como
leña, carbón, diesel, queroseno, parafina ni electricidad. Ello hace evidente su utilidad, pues ahorran
gastos y tiempo. También son útiles para promover un modo de vida sostenible en cualquier otro
lugar. Al no producir humo, se evitan riesgos para la salud, especialmente de ojos y pulmones. La
cocina siempre es segura y fácil de usar. Su construcción es sencilla y estable. La comida no se quema
y no necesita continua supervisión, permitiendo dedicar tiempo a otras tareas. La comida permanece
caliente, aún varias horas después de haber sido cocinada.
Entre los inconvenientes que se identifican están que este tipo de cocinas no funciona sin sol.
Por otra parte, las de tipo caja necesitan más tiempo para la cocción de alimentos y tampoco se puede
freír la comida en ellas.
Fig. 14. Cocina solar tipo caja y cocina solar tipo foco
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Otras aplicaciones
En el contexto del proyecto se produjeron 150 cocinas solares en su taller en León, las
cuales fueron distribuidas a 150 familias en la comunidad de El Jiñocuao, Municipio de Somotillo,
Departamento de Chinandega. Para ello se utilizó un esquema muy participativo a través de la
formación de cuatro comités comunales y la realización de 18 talleres de capacitación y un
seguimiento intenso del uso de las cocinas. Los comités funcionan como puntos focales para su
distribución, y para la capacitación y el seguimiento de su uso. Se ha logrado una disminución del
consumo de leña en un 50% en las familias que usan las cocinas solares; además, se han brindado
beneficios como la mejora de la salud y el ahorro de tiempo.
Para obtener temperaturas superiores a los 100º C se debe concentrar la radiación solar por
medio de lentes o espejos. Canalizando la radiación hacia un punto o una superficie llamada “foco”,
se eleva su temperatura muy por encima de la alcanzada en los colectores planos.
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Otras aplicaciones
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no de los problemas principales en las tecnologías de energía solar es su alto costo inicial. La
U diferencia más significativa se nota al comparar sistema solar de uso doméstico y una termoducha.
Los dos sistemas dan como producto final agua caliente, pero el costo inicial del sistema solar ($1.200)
es 40 veces más alto que el de la termoducha ($30). Evidentemente, se obtiene más comodidad de un
sistema solar, pues se pueden conectar varias terminales de agua caliente a la vez y su temperatura,
por lo general, es también más caliente que la de la termoducha. Adicionalmente, el sistema solar tiene
una vida útil mucho más larga (20 – 25 años contra 5 - 8 años para la termoducha), y no requiere un
gasto adicional por electricidad.
La comparación más justa es entre un sistema solar doméstico y un tanque eléctrico (50
galones). El costo inicial del primero anda cinco veces más alto que el segundo, un valor aceptable si
se toma en cuenta que el sistema solar no requiere costos mensuales desde su instalación. Además,
no hay costos de operación y el mantenimiento se reduce a un tiempo mínimo por año para lavar, una
o dos veces, el vidrio durante la temporada del verano, y para controlar visualmente, en forma regular
el equipo desde la tierra.
Mucho más favorable es la comparación entre un sistema solar para calentamiento de piscina
y un quemador de gas o una bomba de calor que requiere energía eléctrica para su funcionamiento. El
costo inicial del primero solamente anda un 20% más alto que el del quemador de gas o de la bomba
de calor (heat pump). En sistemas solares para calentamiento de piscinas no existen costos de
operación ni de mantenimiento.
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La siguiente tabla presenta costos para diferentes tipos de sistemas solares térmicos en la
región:
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7. Aspectos ambientales
S
i se quiere reducir el consumo de los recursos no-renovables y preservar el ambiente, es
necesario incorporar las energías renovables en el nivel urbano. La energía solar tiene como
ventajas, con respecto a otras fuentes, una elevada calidad energética, un impacto ambiental
prácticamente nulo y ser un recurso inagotable. El generar energía térmica sin que exista un
proceso de combustión supone, desde el punto de vista medioambiental, un procedimiento muy
favorable por ser limpio y no producir contaminación.
Por su parte, para la construcción de los sistemas solares térmicos hay que usar materiales de
cobre, aluminio, hierro, vidrio y aislantes que pueden producir efectos ambientales negativos durante
su fabricación; sin embargo, todos esos procesos son mucho menos contaminantes y peligrosos que
las fuentes energéticas “convencionales”, a saber, aquellas cuya base son combustibles fósiles.
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8. Ventajas y desventajas
Aspecto económico
Los sistemas que hoy llegan a cortos tiempos de amortización (3-6 años) son los sistemas
térmicos de bajas temperaturas.
Los sistemas de conversión térmica de mediana y alta temperatura, hasta ahora, no han podido
competir con los de generación de energía convencionales. La planta de torre solar más grande del
mundo (ubicada en el desierto de Mojave, en California, USA) produce 200 megavatios con 120.000
espejos; de esta manera se logra producir energía eléctrica a un costo de $ 0,09/kWh, un valor muy
alto comparado con otras tecnologías. Lo irregular en la disponibilidad de la radiación del sol requiere
que, en la mayoría de los casos, se utilice un apoyo al sistema solar, como respaldo (backup), lo cual
significa un costo adicional.
Operación y mantenimiento
Un sistema solar adecuadamente diseñado (cuanto más sencillo, más eficientemente trabaja,
porque cada vez que se mueve el agua caliente de un lugar a otro se pierde energía calorífica); no
debería presentar problemas en su manejo de operación, y el mantenimiento se reduce a un control
visual y un lavado de los vidrios de los colectores, especialmente durante el verano.
Para mayor consumo de energía, el gran espacio que requieren los colectores (preferiblemente
con orientación hacia el sur) puede ser un problema. No obstante, desde el punto de vista ecológico,
la energía solar no tiene competencia, pues es renovable y limpia.
Vida útil
En los sistemas solares domésticos para calentar agua, los componentes principales son el
colector, el tanque y las tuberías de cobre con válvulas. Las cinco partes principales del colector son:
vidrio, registro y lámina de cobre, aislamiento, marco de aluminio y sello especial para colocar el
vidrio en el marco de aluminio. Todos estos componentes, en condiciones normales, tienen una vida
útil de 30 o más años. En Europa ya hay varios colectores planos que, desde hace más de 25 años,
están operando sin presentar alteraciones. Lo mismo cuenta para el circuito solar, las tuberías de cobre
y las válvulas en los sistemas.
El punto débil con respecto a la vida útil de los sistemas domésticos son los tanques fabricados
en Centroamérica, debido a que por el elevado costo del material inoxidable, los productores de
tanques prefieren utilizar el hierro negro para su fabricación. Dependiendo del tratamiento interno
que se dé al cilindro metálico (debería ser, al menos cuatro manos de pintura epóxica horneada) y la
calidad del agua (cuanto más cloro haya en el agua, más corta es la vida útil del tanque), los tanques
pueden tener vidas útiles entre 5 y 15 años, un tiempo mucho menor que el de uno hecho de acero
inoxidable.
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Ventajas y desventajas
De acuerdo con los productores de colectores plásticos para calentar piscinas, se puede esperar
una vida útil para éstos de alrededor de 20 a 25 años. Los tubos PVC, en el circuito solar, deberían
alcanzar una vida útil similar, sí se pintan con una pintura impermeable para protegerlos de los rayos
solares. Las cocinas y los secadores solares pueden funcionar bien alrededor de 12 años.
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9. Experiencias en América Central
os sistemas solares con más divulgación en América Central son aquellos para uso doméstico. Hasta
L el momento, el mercado no ha sido suficientemente grande para que varias empresas puedan
importar sistemas de calidad, a gran escala, que permitan la venta de los equipos a un precio accesible.
Por esta razón, los sistemas que se ofrecen con frecuencia son los fabricados localmente que no
siempre cumplen con criterios de calidad aceptables. Afortunadamente, existen ejemplos para casas y
hoteles que han trabajado ya por más de ocho años sin presentar alteraciones. Estos sistemas, sobre
todo para hoteles, han recuperado su inversión inicial en cinco años por el ahorro de energías
convencionales que han producido.
En los últimos cinco años, en Guatemala, El Salvador y Costa Rica, los sistemas para
calentamiento de piscinas tuvieron un fuerte crecimiento. Por la dificultad de fabricarlos, los
colectores que se han instalado en América Central, en gran mayoría, son importados, de buena
calidad, y con larga garantía.
i. Diseminar, entre los sectores público, privado, industrial, comercial y ONG, los aspectos técnicos y
financieros del colector solar.
ii. Establecer estándares y normas de calidad (protocolos de fabricación) para colectores solares en la
región.
Uno de los ejes de este programa es la creación de una base de datos sobre productores y
suplidores de sistemas, ventas de repuestos, técnicos en instalación, operación y mantenimiento,
agencias de micro-crédito, sitios demostrativos y la creación de una guía con las normas y estándares
de calidad para el diseño e instalación de los colectores. Ambos aspectos, así como información
general del proyecto, están disponibles en la página web www.bun-ca.org.
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Experiencias en América Central
A pesar de que América Central recibe un 43% más de radiación solar que Europa Central,
durante todo el año, en aquella, existe más área colectora instalada proporcionalmente por población
que en América Central. Esto es, en primera instancia, por las economías fuertes que tienen sus países
y, además, por la conciencia ecológica que está también muy avanzada.
Se puede decir que, técnicamente, hasta la fecha, América Central tiene una infraestructura
limitada para la implementación masiva de sistemas solares térmicos. Además las instalaciones de
fontanería para agua caliente muchas veces son de calidad insuficiente por la falta de personal
capacitado. Como resultado, hay problemas de fugas en las tuberías, muchas veces difíciles de
localizar, y errores en el diseño del dimensionamiento, lo cual perjudica la credibilidad en el
funcionamiento de los sistemas solares.
Tuberías y accesorios de cobre con diámetros mayores de 19 mm (3/4) (lo que se requiere para
la instalación de un sistema solar para un hotel) no se consiguen en todos los países de América
Central o sólo con precios muy elevados, como en Nicaragua, donde andan alrededor de un 25% más
altos que en Costa Rica o El Salvador. En muchas obras, además, no existen las tuberías de agua
caliente, indispensables para la introducción de un sistema solar térmico para uso doméstico.
Importar colectores o sistemas completos para casas garantizaría una buena calidad de los
productos, pero requiere la compra de varios elementos y, por lo tanto, una inversión inicial muy alta
para obtener un costo por unidad aceptable.
Para su fabricación local, se presentan los mismos problemas de altas inversiones iniciales, al
tener que importar los componentes principales del colector como vidrio, aislante, aluminio y cobre.
Cuanta mejor variedad de productos haya en el mercado nacional, menos complicada se presentaría
la fabricación local. En el 2002, América Central, los dos países con un mercado de distribuciones más
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avanzado en cuanto a los materiales para la fabricación de sistemas solares térmicos son Guatemala y
Costa Rica.
Hasta hoy, los sistemas solares son equipos con un precio elevado comparado con otros
calentadores de agua (sobre todo termoduchas o tanques eléctricos). Los clientes potenciales son, la
mayoría, familias de ingresos elevados. En correspondencia, los países con más posibilidades de
vender e instalar estos equipos son aquellos con mayor poder adquisitivo.
Las principales barreras para los sistemas solares térmicos son el alto costo inicial y la
credibilidad, seguidos por la mala instalación de los sistemas, los cuales no cumplieron con lo que se
esperaba. Para hoteles e industrias faltan más sistemas de referencias, de manera que los hoteleros
puedan ver claramente las ventajas que presentan éstos frente a sistemas de agua caliente
convencionales. Aunque los precios de la electricidad en América Central ya son altos, su aumento
constante podría promover aún más los sistemas solares.
El futuro de la energía solar en América Central depende del avance técnico en los sistemas
(cuya meta es producir más barato con la misma eficiencia) y del desarrollo de los costos de energías
convencionales. Hay esperanza de que, con materiales nuevos (sobre todo plásticos), se logrará, en un
futuro cercano, reducir los costos en la fabricación, en un 20 a 25%, lo que posiblemente abriría un
mercado nuevo para usuarios de ingresos medio-altos.
El cambio sustancial en la producción de energía debe venir por la introducción masiva de las
energías renovables. Por sus propias características, ellas están asociadas a un desarrollo industrial y
social más autóctono y menos sujeto a los vaivenes de la economía global. El uso de la energía solar
térmica ya tiene la madurez tecnológica suficiente como para ocupar un nicho importante dentro del
sistema energético, especialmente en el sector residencial.
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ANEXO 1. Publicaciones y Sitios Web Recomendados
Publicaciones
FENERCA (2001). Modelos empresariales para servicios energéticos aislados. Programa para el
Financiamiento de Empresas de Energía Renovable en Centroamérica (FENERCA), E+Co, BUN-CA, PA
Government Services, San José, Costa Rica.
Progrensa (2000). Energía solar térmica de baja temperatura. Técnicas de energía renovables No. 5,
Promotora General de Estudios S.A., Sevilla, España.
Serrano P. (2000). Cocinas y hornos solares. Fundación Nicaragüense para la Promoción y Desarrollo
de Tecnologías Alternativas (FUNPROTECA), León, Nicaragua.
www.elsolucionario.org
SwissContact – Pro-Eco (2001). Ingeniería solar. SwissContact: Fundación Suiza de Cooperación al
Desarrollo Técnico, Pro-Eco: Programa de Ecología Urbana, El Salvador.
Sitios web
1. Información educativa
http://www.censolar.es/
CENSOLAR (Centro de Estudios de la Energía Solar), centro exclusivamente dedicado a la formación
técnica en energía solar, tanto térmica como fotovoltaica, mediante la enseñanza en presencia y a
distancia. Propone: cursos profesionales, bibliografía y software, noticias y un interesante directorio
internacional de publicaciones, instituciones y centros.
http://solstice.crest.org/renewables/re-kiosk/solar/
Sitio informativo sobre aplicaciones, tecnologías y aspectos económicos de la energía solar (en inglés).
http://www.energie-atlas.ch/sonn-e.htm
Mapa mundial de la radiación solar.
http://www.nodo50.org/panc/Ere.htm#sterm
Información sobre las diferentes tecnologías de la energía renovable, incluso energía solar térmica (en
español).
http://witss.gdl.iteso.mx/solar/curso.html
Curso en línea, de energía solar, tanto térmica como fotovoltaica, del Grupo Solar del Instituto
Tecnológico y de Estudios Superiores de Occidente, México.
28
www.elsolucionario.org
http://www.delphiatoracle.com/SolarDome80.html
Educación, en línea, sobre la energía solar de la Escuela de Energía Solar Térmica de SolarDome (en
inglés).
http://www.starfire.ne.uiuc.edu/ne201/course/topics/solar_thermal/
Clase, en línea, sobre aplicaciones térmicas de la energía solar, incluyendo el aprovechamiento pasivo
en edificios, estanques de sal, y aplicaciones a alta temperatura.
http://www.dianet.com.ar/dianet/users/Solis/Informe2.htm#Energía Solar
Información sobre el funcionamiento de la energía solar; además, información de otras fuentes de
energía.
http://www.aleph.gdl.iteso.mx:8080/acad/deptecno/invest/solarcap09.htm
Calentamiento de agua para uso doméstico.
2. Fabricantes
http://www.gredos.org/solartec/index.htm
Solartec Ecosistemas, fabricante de calentadores solares de agua.
http://www.heliocol.com/
Heliocol, fabricante de calentadores solares de agua para piscinas.
http://www.chromagen.co.il/sp_copper.htm
Chromagen, fabricante de sistemas de energía solar.
http://www.isofoton.es
Isofoton, fabricante de colectores solares y sistemas fotovoltaicos.
http://www.megasun-solar.com/
Megasun, fabricante de calentadores y colectores solares.
http://www.solardev.com/
Developments, fabricante de calentadores y colectores solares para piscinas y usos domésticos.
http://www.warmwater.com/
Aquatherm, fabricante de calentadores solar de agua para piscinas.
3. General
http://www.ises.org/
International Solar Energy Society.
http://www.swisscontact.org.sv/Ecologia_Urbana/Solar/solar.htm
Información sobre el programa solar en Centroamérica de Swisscontact (Fundación Suiza de
Cooperación para el Desarrollo Técnico).
http://www.mech.unsw.edu.au/mech/laboratories/l_solar.html
Laboratorio de energía solar térmico de la Universidad de South Wales, Australia (en inglés).
29
Publicaciones y Sitios Web Recomendados
http://www.eren.doe.gov/consumerinfo/refbriefs/ac2.html
Información de la Red de eficiencia energética y energía renovable del Departamento de Energía de los
Estados Unidos sobre el aprovechamiento de la energía solar para refrigeración.
http://www.solstice.crest.org/renewables/seia_slrthrm/
Catálogo de sistemas solares térmicos en operación exitosa en los Estados Unidos.
http://www.bun-ca.org
Biomass Users Network (BUN-CA): oficina regional para Centro América, ONG regional con la misión
de contribuir al desarrollo y fortalecimiento de la capacidad productiva de América Central, en energía
renovable, eficiencia energética y agricultura sostenible.
http://www.energyhouse.com
E+Co, Corporación (sin fines de lucro) de inversiones en energía renovable y eficiencia energética.
30
ANEXO 2. Suplidores de Equipos y ONG’s en América Central
Guatemala:
Isratec : distribuidor de Chromagen y Heliocol.
E-mail: inbal@infovia.cm.gt
Telefax: (+502) 332 – 8217
Prosolar
E-mail: ramon_schlemmer@yahoo.com
Telefax: (+502) 255 9630
Bélice:
Robert Nicolait & Associates
#49 A Eve Street Belize City
Tel: (+501) 235032
Fax: (+501) 245732
El Salvador:
Ing. Jaime Cea
E-mail: jaimeceag@yahoo.com
Tel: (+503) 278-2020
Fax: (+503) 2437373
Tecnosolar S.A.
Ing. Arturo Solano
Tel: (+503) 260-2440
Fax: (+503) 260-2491
E-mail: tecnosolar@navegante.com.sv
Tel: (+503) 260-2440
Fax: (+503) 260-2491
Honduras:
Solaris (Sistemas solares Honduras)
E-mail: solaris@interdata.hn
Tel: (+504) 232-8213
Fax: (+504) 239-1028
31
www.elsolucionario.org
Nicaragua:
ALTERTEC S.A.: distribuidor de sistemas solares térmicos ECOSUN.
Semáforo 7 Sur, 1c al Norte, 1c al Oeste.
Managua- Nicaragua
E-mail: altertec@ibw.com.ni
Telefax (+505) 265-0693
TECNOSOL
Rotonda Bello Horizonte 150 mts. Arriba Casa L – I 20,
Managua.
E-mail: tecnosol@munditel.com.ni
Telefax: (505) 244-2205
Costa Rica:
www.elsolucionario.org
Swissol de Centroamérica S.A.: distribuidor de ECOSUN y Heliocol.
E-mail: proecorr@intercentro.com
Tel: (+506) 438-1130
Fax: (+506) 438-2752
ENERCOS
E-mail: solelect@racsa.co.cr
Tel:(+506) 386 6559
Fax: (+506) 260 3641
32
Suplidores de Equipos y ONG’s en América Central
Panamá:
Swisscontrol S.A.: distribuidor de Jacques Giordano y ECOSUN.
E-mail: fstadlin@swiscontrol.com
Tel: (+507) 221-5066
Fax: (+507) 265-6049
PASS S.A.
E-mail: pass@bellsouth.net.pa
Tel: (+507) 263-8635
Fax: (+507) 263-8797
Cocinas solares
Nicaragua:
FUNPROTECA
León, Nicaragua.
E-mail: funprot@ibw.com.ni
Tel: (+505) 311-0595
Fax: (+505) 311-2090
Costa Rica:
Fundación Sol de Vida.
Santa Bárbara de Santa Cruz, Guanacaste.
Tel: (+506) 283-2905
Fax: (+506) 234-6253
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ANEXO 3. Conceptos básicos de energía
1.Energía y potencia
a energía es parte de todos los ciclos de la vida y es un elemento esencial para prácticamente todas
L las actividades. Ella es un concepto que se relaciona con varios procesos (como quemar
combustibles o propulsar máquinas), así como con las observaciones de dichos procesos. La energía
se define científicamente como la capacidad de hacer trabajo.
Fuentes de energía
Existen diferentes fuentes de energía, las cuales se pueden clasificar en dos grupos:
• Fuentes renovables: no se agotan por su uso, como la energía del viento y del sol. El agua y
la biomasa también se incluyen en esta categoría, aunque son renovables bajo la condición
de que la fuente se maneje en forma apropiada, por ejemplo, las cuencas hidrológicas y
plantaciones de árboles.
• Fuentes no-renovables: están disponibles en cantidades limitadas y se agotan por su uso,
como los combustibles fósiles (carbón mineral, petróleo, gas natural). Estas tienen la
característica de que, una vez utilizadas para la generación de energía, no se pueden volver a usar.
Formas de energía
La energía tiene diferentes formas, entre las cuales podemos citar las de mayor importancia:
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Transformación de energía
“Utilizar” la energía significa, transformar una forma de ella en otra. Por ejemplo,
aprovechando la fuerza del viento, se convierte la energía cinética en mecánica, la cual, luego se puede
convertir en eléctrica. Para obtener iluminación, se convierte la eléctrica en electromagnética o
radiación. Igualmente, “generar” energía significa convertir una forma de ella en otra; por ejemplo, la
cinética de agua en movimiento a mecánica, en un sistema hidráulico.
Los términos “utilizar” y ”generar” energía científicamente no son correctos porque ella no se
puede crear ni destruir. Se puede transformar de una forma a otra, pero no se “gasta” y su cantidad
total se mantiene igual en cualquier proceso. Lo anterior es la base de la Primera Ley de la
Termodinámica. Sin embargo, en términos prácticos sí se gasta la energía, debido a que se convierte
en una forma que ya no se puede aprovechar. Por ejemplo, cuando se quema una rama seca, la energía
química contenida en la madera se convierte en térmica, o sea, en calor, la cual se puede aprovechar;
pero luego se dispersa en el ambiente y no se puede utilizar nuevamente.
• Oferta de energía: se requiere de ella para aplicaciones como iluminación, cocción, procesos
industriales y transporte. La oferta energética puede ser diferente de un lugar a otro, dependiendo de
condiciones locales como el clima y las costumbres, y según los diferentes tipos de usuarios (viviendas,
industrias, transporte, etc). Se puede satisfacer una necesidadespecífica de energía con diferentes
fuentes e, igualmente, no todas las necesidades se pueden satisfacer por falta de fuentes o
presupuesto.
• Demanda por energía: necesidad de fuentes que puedan satisfacer las necesidades de
energía. Depende de factores como población, nivel de desarrollo económico, disponibilidad de
tecnología, etc. Igual a éstas, no siempre se puede satisfacer la demanda por energía.
Eficiencia
En todas las transformaciones de energía se pierde una parte de ella debido a su conversión
parcial en una forma que no se puede aprovechar, generalmente en calor. La fracción de la energía
utilizable, como resultado de un proceso de conversión, y su insumo se llama la eficiencia del proceso,
la cual, generalmente, se representa como un porcentaje. En fórmula se expresa de la siguiente manera:
Cuanto más alta sea la eficiencia, menos energía se pierde. La siguiente tabla muestra
eficiencias típicas para algunos procesos de conversión:
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CONCEPTOS BASICOS DE ENERGIA
Potencia
Este es un concepto muy relacionado con el de energía. Se define como la capacidad de suplir
una cierta cantidad de energía durante un período de tiempo definido. Esto se ilustra así: cuando
aplicamos un proceso de conversión de energía estamos interesados en dos cosas:
• la cantidad de energía convertida, y
• la velocidad a cual se convierte. Esta velocidad se llama potencia (P), expresada como energía
por segundo o, en fórmula, de la siguiente manera:
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Por ejemplo, un tanque de gasolina de un vehículo contiene una cantidad dada de energía. Este
se puede usar en un cierto período de tiempo, o sea, el proceso de combustión puede ser corto o largo.
Cuanto más corto el período, más alta es la potencia. Este principio aplica para cualquier proceso de
conversión de energía.
Unidades de medición
La unidad para potencia es el watt (o vatio, abreviado como W). Este es definido como 1 joule
por segundo (“J/s”). Otra unidad que se usa frecuentemente es el caballo de fuerza (HP).
Un joule y un watt son medidas muy pequeñas comparadas con las cantidades transformadas
en la mayoría de las aplicaciones energéticas. Por eso, se usan múltiplos de 1.000; por ejemplo, 1.000
watt es equivalente a 1 kilowatt o 1 kW. La siguiente tabla resume los prefijos y símbolos usados:
36
Conceptos básicos de energía
Adicionalmente, se puede agregar índices a una unidad para indicar la forma de energía o
potencia. Por ejemplo, para la potencia de un equipo de convertir energía térmica se usa kWth.
Igualmente, la potencia eléctrica se indica como kWel y, la potencia mecánica como kWm.
2. Electricidad
Corriente eléctrica
El flujo de la energía eléctrica, o la electricidad, se llama corriente, cuya unidad de medida son
los amperios (A). Para generar una corriente eléctrica a través de un cable es necesario tener una
“diferencia de tensión” entre sus dos extremos (diferencia de potencial). Igualmente si se quiere hacer
que el agua se mueva a través de un tubo, necesita tener una diferencia de presión entre los dos
extremos del tubo. Si se dispone de una gran diferencia de tensión, pueden transportarse grandes
cantidades de energía por segundo a través del cable; es decir, grandes cantidades de potencia. La
tensión eléctrica es equivalente a voltaje, medido en voltios (V). La potencia eléctrica en watts es igual
al voltaje multiplicado por el amperaje (P = V x A).
• Corriente alterna (AC): donde esta alterna continuamente su dirección en un patrón cíclico,
en forma sinusoidal. Es causado por el ciclo sinusoidal del voltaje, con un pico positivo y uno negativo
(véase la figura). Al número de ciclos por segundo se le llama frecuencia, expresado en hertz (Hz). En
la red eléctrica, generalmente, es de 50 ó 60 Hz.
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La corriente directa se utiliza sólo en sistemas de baja capacidad como, por ejemplo, baterías
secas (pilas), baterías de vehículos y sistemas fotovoltaicos (de baja tensión). Sistemas grandes de alta
tensión, como las centrales eléctricas, generan corriente alterna, la cual es suministrada a través de la
red eléctrica a las viviendas y centros productivos. Una de las razones para el uso de la corriente
alterna es que es más barato aumentar o disminuir su voltaje y, cuando se desea transportar a largas
distancias, se tendrá una menor pérdida de energía si se utiliza la alta tensión. Con un inversor se
puede transformar la corriente directa en alterna.
Por ejemplo, un sistema de 1 kW, teóricamente, podría generar 8.760 kWh en un año1 . Sin
embargo, la planta no puede funcionar el 100% del tiempo, por razones de mantenimiento periódico,
fallas técnicas o falta de combustible o recurso renovable. Si la producción real de esta planta en un
año dado fue de 6.000 kWh; entonces, el factor de capacidad para ese período sería de 68,5%.
Demanda máxima
Factor de demanda
1 Energía= potencia máxima x tiempo, entonces la energía generada sería 1 kW x 24 horas/día x 365 días =
8,760 kWh
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Conceptos básicos de energía
Para las horas de alto consumo, u “horas-pico”, se aplican generadores adicionales para
aumentar la producción de electricidad. En el mercado de ocasión eléctrico, se pagan tarifas mayores
en estas horas.
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Anexo 4. Algunos Aspectos Técnicos de la Energía Solar Térmica2
El Sol tiene un flujo radiante de 3,8 x 1026 W, equivalente a una densidad de 62,5 MW por cada
metro cuadrado de superficie solar. De esa enorme cantidad de energía radiante, solamente una
pequeñísima fracción alcanza a nuestro planeta, pero todavía representa una cantidad muy grande en
comparación con el consumo energético en el ámbito mundial.
2. La radiación solar
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La radiación solar está formada por una mezcla de ondas electromagnéticas de diferentes
frecuencias. Algunas de ellas pueden ser detectadas por el ojo humano3 , constituyendo lo que se
conoce como la luz visible. Otras, aunque no son visibles, hacen notar igualmente sus efectos, al ceder
a los cuerpos la energía que transportan.
La radiación no es algo constante, sino que varía de forma aleatoria debido a los muy diversos
efectos que provoca, sobre ella, la atmósfera terrestre. Una gran parte de la radiación sufre una
absorción y una dispersión en la atmósfera, como consecuencia de su propia estructura y de los
agentes variables que allí se encuentran, tales como la contaminación o la nubosidad. Por todo ello,
para diseñar sistemas de energía solar, es necesario una caracterización de la radiación disponible bajo
diversas condiciones atmosféricas.
La radiación global directa (procedente directamente del Sol) se refleja por la presencia de las
nubes, el vapor de agua, etc., y se dispersa por las moléculas del agua, el polvo en suspensión, etc. Esta
se divide en tres partes:
• Radiación directa: formada por los rayos procedentes directamente del Sol
• Radiación difusa: procedente de toda la bóveda celeste, excepto la que llega directamente del Sol.
Originada por los efectos de dispersión de los componentes de la atmósfera, incluidas las nubes.
• Radiación del albedo: procedente del suelo, debido a la reflexión de la radiación incidente sobre él
Depende directamente de la naturaleza de éste. Al cociente entre la radiación reflejada y la incidente
en la superficie de la tierra se le llama albedo.
2
Esta sección está basada en el programa (2000) y la publicación en línea Renewable Energy in Latin America and
the Caribbean del Center for Renewable Energy and Sustainable Technology (CREST).
3
Esta sección está basada en información obtenida de la Asociación Danesa de la Industria Eólica (sitio web
http://www.windpower.org)
40
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En el movimiento del Sol en el cielo existen dos ciclos: uno diario y otro anual, los cuales hacen
que la intensidad de la radiación varíe. El primero es causado por la rotación de la Tierra alrededor de
su eje, por lo que el Sol, aparentemente, sigue un arco en el cielo todos los días, saliendo en el este y
poniéndose en el oeste. La altura del Sol en el cielo hace que la radiación sea más intensa alrededor
del mediodía y menos en la madrugada y la tarde.
El ciclo anual es causado por la inclinación del eje de la Tierra y la rotación alrededor del Sol,
las cuales hacen que esté posicionado más alto en el cielo durante el verano que en el invierno y, por
consecuencia, la radiación sea más intensa en el verano. Este fenómeno, que es más pronunciado en
zonas más lejanas al Ecuador, genera las estaciones.
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AlGUNOS ASPECTOS TECNICOS DE LE ENERGIA SOLAR TERMICA
Cuando la radiación del Sol u otra fuente llega a una superficie, una parte es reflexionada, otra
es absorbida y otra puede pasar, dependiendo del material del que esté hecha la superficie. Materiales
brillantes con colores claros reflejan la mayoría de la radiación, mientras que los oscuros y mates la
absorben. Materiales transparentes, como el vidrio, dejan pasar casi toda la radiación.
Para capturar y aprovechar la energía solar es que se usan los diferentes materiales.
Efecto invernadero
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