Kitabı oku: «Necesidades energéticas y propuestas de instalaciones solares. ENAC0108»

Capítulo 1

Emplazamiento y viabilidad de instalaciones de energía solar

1. Introducción

El Sol supone una gran fuente de energía cuyo aprovechamiento en la actualidad está poco desarrollado, y son las energías derivadas del petróleo las que abarcan en un gran porcentaje la base energética. Sin embargo, en la viabilidad de las instalaciones solares está el futuro de la energía en el Planeta.

Las formas en que se puede presentar la energía y sus diferentes transformaciones sirven para el diseño de máquinas que el hombre, a lo largo de la historia, ha inventado, proporcionándole mayor confort en el hogar y ayudándole en el desarrollo del trabajo.

Las necesidades térmicas y eléctricas hoy en día son elevadas, por lo que la posibilidad de aprovechar la energía que proporciona el Sol se hace necesaria.

Tanto en ciudades como en suelos interurbanos, las instalaciones de paneles solares ayudan a cubrir el aumento actual de la demanda energética de manera limpia y renovable.

El emplazamiento de estas instalaciones se debe realizar teniendo en cuenta el movimiento de la Tierra alrededor del Sol, estudiando tanto las variables de luz a lo largo del día como los cambios estacionales.

La inversión económica inicial se verá rentabilizada a medio y largo plazo, por lo que la viabilidad de las instalaciones solares será siempre materia de estudio previo.

2. Necesidades energéticas

Hoy en día la energía es necesaria para la vida, ya sea para proporcionar confort mediante el calor o el frío, para realizar desplazamientos o para conseguir un buen nivel de iluminación.

Asimismo, con la transformación de la energía se pueden conseguir diferentes aplicaciones en instrumentos y máquinas diseñados por los humanos.

2.1. Energía

En nuestro planeta, la energía procede en su gran mayoría de la estrella Sol, existiendo además una pequeña parte en el interior de la Tierra que se manifiesta por medio de los volcanes y los géiseres, y que produce movimientos de las placas tectónicas que forman montañas y depresiones. Estos movimientos producen terremotos.

La energía que se encuentra en la atmósfera genera rayos eléctricos, vientos, lluvia, etc.

El aprovechamiento que realiza el ser humano de esa energía natural se consigue por el desarrollo de instrumentos útiles diseñados y construidos por él.

Actividades

1. Realizar un listado de las diferentes placas tectónicas que tiene el planeta Tierra al observar un mapamundi y pensar qué ha producido sus movimientos.

2.2. Definición

La energía se define como la capacidad que tiene un cuerpo de realizar un trabajo, ya sea una máquina o el propio esfuerzo humano.

A lo largo de la historia, el ser humano, en su evolución, ha aprendido y desarrollado muchos sistemas para transformar la energía calorífica del Sol y el trabajo muscular para aplicaciones útiles como el calor del fuego, el desplazamiento de cargas, el arado de la tierra con el esfuerzo de los animales, la molienda del trigo con la fuerza del viento, la presión y la fuerza de movimiento en la máquina de vapor, el calentamiento de agua y la generación de electricidad, que es la forma de energía más consumida en la actualidad con los beneficios medioambientales que permite a la hora de su consumo.

Aprovechamiento de la energía

2.3. Unidades

Dependiendo de la forma en que se presenta la energía, lo cual se verá más adelante, existen varias unidades que se utilizan para medir la energía, el calor y el trabajo en los tres tipos de sistemas regulados:

1 Sistema Internacional (SI): utiliza el julio, que es la energía cinética de movimiento que tiene un cuerpo con una masa de 1 kilogramo y que se está moviendo a una velocidad de 1 metro por cada segundo.

1 julio = 1 newton · 1 metro

1 Sistema Técnico (ST): utiliza el kilográmetro, el cual es la energía necesaria para levantar un peso de 1 kilogramo a 1 metro de altura.

1 kilográmetro = 1 kilogramo · 1 metro

Por tanto, relaciona la masa en kilogramos-fuerza o kilopondio y la distancia en metros.

La relación del kilopondio con el newton es:

1 kilopondio = 1 · 9,80665 newton

1 Sistema Cegesimal (CGS): utiliza el ergio y relaciona la distancia (cm), la masa (gramos) y el tiempo (segundos). Está ya anticuada, utilizándose más en EE. UU.

1 ergio = 1 dina · 1 cm

Su relación con el julio es:

1 ergio = 1 · 10^-7 julios

Sabía que...

Isaac Newton revolucionó la sociedad de su tiempo al no considerar un acto divino el movimiento natural de los objetos.

Existen además otras unidades para medir la energía, que son más utilizadas en la vida cotidiana, como son la caloría y el kilovatio hora.

La caloría es la cantidad de energía necesaria para elevar 1 grado de temperatura 1 gramo de agua en condiciones de presión atmosférica al nivel del mar y pasando de 14,5 a 15,5 °C (grados centígrados). Se utiliza para medir la energía térmica.

Nota

No existe una relación directa entre calorías y temperatura en grados centígrados, ya que en la primera interviene además la masa del cuerpo.

El kilovatio hora (KW.h) indica el trabajo o la energía desarrollada por una máquina o un ser vivo durante un tiempo de 1 hora y a una potencia de 1 kilovatio. Es utilizado para medir la energía eléctrica.

Actividades

2. Revisar el recibo de la luz de su domicilio y observar los términos de potencia contratada y energía consumida en kilovatios hora.

2.4. Formas de energía

Hay que recordar que la energía se define como la capacidad que tiene un cuerpo de realizar un trabajo. Dependiendo de la manera en que se manifieste esa energía, se pueden encontrar diferentes formas de medirla con sus unidades correspondientes.

En general, la energía se puede presentar de seis maneras diferentes, aunque en las aplicaciones a menudo están relacionadas entre sí.

Se puede tener energía de forma eléctrica, mecánica, nuclear, química, radiante electromagnética y térmica.

Energía eléctrica

Es el tipo de energía más utilizado en la actualidad en los diferentes aparatos domésticos, siendo de fácil generación y transporte gracias a las características magnéticas de la electricidad.

Es importante indicar que cualquier tipo de energía se puede transformar en energía eléctrica, y por ello se encuentran las mayores aplicaciones en la industria y en las viviendas. Se trata de una energía que no es primaria ni final, sino que se emplea para hacer que los mecanismos de las máquinas se muevan o generen el calor necesario para calentar.

La generación de la electricidad alterna se realiza en grandes centrales hidroeléctricas, térmicas o nucleares; y antes del transporte a los puntos de consumo se somete a un cambio para conseguir alta tensión y baja intensidad por medio del transformador, de forma que se pueda consumir después a baja tensión con una nueva transformación realizada en los centros específicos de las poblaciones o las zonas industriales y urbanas.

La energía eléctrica se encuentra en la naturaleza y es proporcionada por los rayos de las tormentas atmosféricas, aunque esta aún no es aprovechable por lo imprevisible de su aparición.

La gran aplicación de la energía eléctrica se encuentra en la transformación de esta en energía mecánica para conseguir el motor eléctrico. Cuando la electricidad llega al motor, una bobina o arrollamiento de cables conductores (rotor) gira alrededor de un imán (estator), produciendo energía mecánica de giro.

Este giro se puede aprovechar para mover una polea con correa y transmitir y transformar ese movimiento en otros.

Energía mecánica

Está compuesta por dos tipos de energía: energía potencial y energía cinética. La primera está relacionada con la posición relativa en la que se encuentre la masa dentro de un sistema, y la segunda depende de la masa y la velocidad a la que esa masa se desplace.

Energía mecánica: Em = Ep + Ec

Energía potencial = masa · aceleración de la gravedad · altura

Ep = m · g · h

Energía cinética = ½ masa · velocidad lineal² Ec = ½ m · v²

Nota

El valor de la aceleración de la gravedad puede variar dependiendo de la altitud respecto al nivel del mar, pero se utiliza 9,81 m/s².

Se puede observar en la siguiente imagen que, si se coloca una masa suspendida en el aire, este cuerpo tendrá más energía potencial (Ep) cuanto mayor sea la diferencia de altura con respecto al suelo.

Si a continuación el cuerpo de masa (m) se deja caer, su energía potencial (Ep) se transformará, por su desplazamiento, en energía cinética (Ec), en la que influye la velocidad (v) de caída relacionada con la aceleración gravitatoria (g).

Ep = Ec

m · g · h = ½ m · v²

Eliminando la masa (m) de los dos lados de la igualdad:

g · h = ½ v²

Despejando ahora el valor de la velocidad se tiene:

v = √2 · g · h

Cuando el cuerpo de masa (m) está ya en el suelo, la energía mecánica (Em = Ep + Ec) que tiene será igual a cero, ya que con respecto a ese plano no tiene diferencia de altura (h) y está en reposo sin velocidad (v).

Aplicación práctica

Está realizando el montaje de un aparato de climatización subido en una escalera a 3 metros del suelo, donde se encuentra su compañero. Una vez apretados los pernos del soporte, deja caer el destornillador, de 200 gramos y desde una altura de 4 metros.

Si su compañero hubiera cogido el destornillador a 1 metro del suelo, ¿cuánta energía hubiese tenido que absorber en su mano?

SOLUCIÓN

La energía potencial del destornillador antes de su caída es:

Ep = m · g · h = 0,2 kg · 9,81m/s² · 4 m = 7,848 julios

Esta energía potencial se transforma en energía cinética cuando el destornillador se deja caer → Ep = Ec.

Al llegar al suelo, la altura, la velocidad y la energía potencial serán igual a cero, pero a 1 metro del suelo la velocidad será:

V = √2 · g · h = √2 · 9,81m/s² · 3 m = 41,62 m/s

La energía cinética que tiene a 1 metro del suelo será:

Ec = ½ m · v² = ½ · 0,2 kg · 41,622 m/s = 173,22 julios

La energía potencial que aún le queda en ese punto, al estar a 1 metro del suelo, será:

Ep = m · g · h = 0,2 kg · 9,81 m/s² · 1 m = 1,962 julios

La energía mecánica total que hubiera tenido que absorber el compañero si hubiera recogido el destornillador a 1 metro del suelo será la suma de las energías cinética y potencial:

Em = Ec + Ep = 173,22 julios + 1,962 julios = 175,182 julios

La propiedad electromagnética de la electricidad permite que el giro mecánico del rotor bobinado dentro del campo magnético de un imán genere electricidad (generación). De la misma forma, el giro del rotor bobinado dentro del campo magnético de un imán, por el magnetismo de la electricidad, genera un movimiento circular que se puede aprovechar como energía mecánica (consumo).

El generador eléctrico es capaz de mantener un voltaje mediante la transformación de energía mecánica en eléctrica. Se genera electricidad cuando un conductor o grupo de conductores (bobina) se mueven dentro de un campo magnético producido por un imán de tipo natural o artificial.

Esta electricidad se puede consumir en una lámpara o en otro tipo de resistencia de un circuito.

El origen de la utilización de la corriente alterna (CA) está en el descubrimiento de las propiedades magnéticas de la electricidad (Oersted), con las que se puede generar electricidad en las centrales a partir de energía de movimiento mecánico de las aspas de una turbina.

Esta electricidad generada será de corriente alterna, ya que la polaridad varía instantáneamente de positiva a negativa, y después de negativa a positiva.

Energía nuclear

Se encuentra en la masa propia del núcleo del átomo, el cual, al ser fisionado (dividido), produce una enorme cantidad de energía.

Cuando se divide por medio de un neutrón un átomo Uranio-235, el núcleo de este se vuelve inestable y se descompone en Kryptón-92, Bario-141 y neutrones, más una gran cantidad de energía en forma de calor.

También se puede obtener energía por la fusión (unión) de dos átomos ligeros de deuterio y tritio, en el que se obtiene un nuevo átomo de helio, que es más pesado, un neutrón y una gran cantidad de energía.

Los electrones en el átomo se encuentran realizando trayectorias alrededor del núcleo formado por protones (positivos) y neutrones (sin carga), de modo que cuando un material se une a otro el conductor hace de camino para que uno ceda electrones al otro y se consiga el equilibrio entre los dos.

El primer método de fisión se utiliza en la actualidad en las centrales nucleares para la generación de electricidad, pero el segundo método de fusión se encuentra aún en fase de experimentación. El futuro de la producción energética se encuentra depositado en el descubrimiento de un reactor de fusión que controle estas cantidades enormes de energía de manera segura, y en la que además no existan residuos nucleares.

Energía química

La reacción de dos o más compuestos químicos en las condiciones de presión y temperatura adecuadas puede generar energía.

El ejemplo más claro es la energía que se produce en el interior de los seres vivos cuando ingieren alimentos, así como la descomposición de materias vegetales y animales, que producen carbón y petróleo.

El motor de explosión de los vehículos utiliza la energía química para mover el cilindro dentro del pistón. También, las baterías o las pilas son un claro ejemplo de generación de cargas eléctricas a partir de la reacción química de oxidación (pérdida de electrones) y reducción (ganancia de electrones) de ciertos materiales metálicos en el interior de un baño de electrolito.

Energía radiante electromagnética

Esta forma de energía la poseen las ondas electromagnéticas visibles como la luz, e invisibles al ojo humano como las de radio, los rayos ultravioleta (UV) e infrarrojos (IR), así como las microondas.

Su principal característica es que se propagan incluso en el medio vacío (sin aire), encontrándose su aplicación principal a nivel doméstico en la iluminación y en los hornos microondas que calientan los productos por fricción.

La dirección de las microondas, que polarizan las moléculas de agua, cambia con una frecuencia muy alta. Por la continua orientación de las moléculas de agua se genera un roce y un calentamiento. Al calentarse el agua de los alimentos, se calienta el alimento. El plato giratorio facilita la homogeneización del calentamiento.

Actividades

4. Realizar una lista de los electrodomésticos de su casa e indicar el tipo de energía final que utilizan.

Energía térmica

También denominada energía calorífica, es la más antigua que se ha utilizado, desde los primeros homínidos que se calentaban al fuego, hasta nuestros días en la calefacción de los hogares.

El fuego es una reacción química exotérmica (oxidación-reducción) en la que se desprende calor, es generada por la combinación de varios factores del llamado tetraedro del fuego y en la que entran en juego el combustible, el comburente y la energía de activación. Se provoca entre ellos una reacción en cadena que desprende calor.

Actividades

5. Buscar en Internet imágenes y dibujar un esquema en el que se diferencien los cuatro elementos que intervienen en el “tetraedro del fuego”.

Existen tres formas de transmisión de energía térmica diferenciadas según el medio por el que se realice:

1 Transmisión de calor por conducción: se produce al contacto directo entre dos cuerpos que se encuentran a diferente temperatura. El que está más caliente le transmite parte de su energía calorífica al más frío, hasta que los dos se encuentren a la misma temperatura. Un ejemplo sencillo es cuando se calienta un alimento en la sartén que está a su vez calentada por el fuego.

2 Transmisión de calor por convección: el calor se propaga por medio de un fluido, como puede ser el agua o el aire. El calor que genera un radiador de calefacción asciende a la parte alta de la habitación al ser más ligero.

3 Transmisión de calor por radiación: por medio de ondas electromagnéticas el calor del cuerpo más caliente se transmite al más frío a distancia. Una estufa de resistencia transmite la energía calorífica debido al efecto Joule, en el que se consigue el aumento de la intensidad en el circuito cuando se dispone de una gran resistencia eléctrica.

Q = I² · R · t

El calor generado (Q) está en función del cuadrado de la intensidad eléctrica (I), la resistencia del circuito cerrado (R) y el tiempo durante el cual el circuito está cerrado (t), moviéndose los electrones (e-) a través de él.

Cuadro-resumen y aplicaciones

Las aplicaciones más habituales en el consumo de los tipos de energía se encuentran resumidas en los siguientes cuadros:

Las radiaciones que llegan desde el Sol se pueden aprovechar para calentar materiales y fluidos, almacenando ese calor para las aplicaciones domésticas.

Además, la influencia de la energía del Sol puede servir para generar electricidad directa por medio de células fotoeléctricas o indirectamente por el viento en las llamadas energías renovables, que también incluyen la combustión de biomasa y el aprovechamiento de la energía potencial-cinética de los saltos de agua en los ríos, también llamada energía hidráulica.

Actividades

5. Pensar en qué beneficios medioambientales tiene el uso de las energías renovables y realizar un listado de ellos.

2.5. Sistemas abiertos y aislados

En la termodinámica, que es la rama de la física que estudia los estados de equilibrio de la materia y sus transformaciones, se consideran dos posibles sistemas: los abiertos y los aislados. Existe además otro tipo de sistema que se denomina cerrado.

Un sistema abierto sí puede intercambiar materia y energía con el exterior. Se corresponde con una piscina abierta.

Un sistema aislado no puede intercambiar ni masa ni energía con el exterior. Se corresponde con un termo para el café.

Un sistema cerrado solo puede intercambiar energía con el exterior. Se corresponde con una olla a presión cocinando.

2.6. Conservación de la energía

Es cierta aquella afirmación de “la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma” que corresponde al enunciado del primer principio de la termodinámica.

Con este principio se demuestra que la energía siempre se conserva, aunque se transforme de una forma a otra. Cuando un cuerpo está más caliente que otro, el primero cede calor al segundo hasta que los dos se encuentran a la misma temperatura.

Lo esencial en el desarrollo de la tecnología, que utiliza la técnica para crear aparatos que hagan más confortable la vida del ser humano, es la posibilidad de transformar un tipo de energía en otro para adaptarlo a la función de la máquina.

A los seis tipos de energía estudiados hay que sumar otro utilizado desde hace muchos años, la energía hidráulica. Este sistema toma la energía potencial del agua acumulada en un embalse y la transforma en cinética cuando se hace pasar por una tubería de pequeño diámetro. La fuerza del agua hace mover las paletas de una turbina, que a su vez hace girar el rotor del generador eléctrico, transportando esa electricidad hasta los electrodomésticos que se tienen en los hogares y en las máquinas de las industrias.

Este es el ejemplo más claro de transformación de energía mecánica en eléctrica, térmica y radiante. Por ello se considera este séptimo tipo de energía hidráulica como uno solo que se transforma en muchos otros, con la posibilidad además de regular el cauce de los ríos y ser utilizado como reserva de agua, regadío y cría de especies acuáticas.

Nota

La energía nuclear supuso una revolución científica cuando se pudieron ver las consecuencias nefastas que produjo en las personas, tras su utilización en la 2ª guerra mundial en las ciudades japonesas de Hiroshima y Nagasaki.

El siguiente esquema representa las diferentes transformaciones que se pueden realizar desde las siete formas de energía consideradas:

Esta transformación de la energía no es gratis, ya que los propios mecanismos de las máquinas que la realizan consumen parte de esa energía. De esta forma, se debe introducir el concepto de rendimiento η, que es variable dependiendo del tipo de máquina utilizada.

Este valor siempre es menor que 1, ya que relaciona el trabajo realizado y la energía suministrada por la máquina.

3. Cálculos

Las necesidades de tipo térmico y eléctrico en las viviendas y en los edificios de viviendas es el primer paso que se debe tener en cuenta a la hora de estimar si una instalación solar va a ser o no rentable, ya que de otra manera la inversión no sería económicamente correcta.

3.1. Conceptos de termodinámica

El primer principio de la termodinámica, se recuerda, es que la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma:

Q = ΔE + W

Siendo Q la cantidad de calor o energía que recibe el sistema y ΔE la variación de energía en el sistema (calor o frío), que se calcula con la diferencia entre la energía final (Ef) y la energía inicial (Ei). W representa el trabajo.

ΔE = Ef − Ei = Q − W

En el caso de conseguir que el calor se transforme en trabajo, se producirá un aumento de la temperatura; por ejemplo, en una máquina que se calienta al desplazar sus mecanismos (motor térmico).

En el caso de una máquina frigorífica, empleada para bajar la temperatura ambiente de un recinto, esta se encarga de extraer calor, por lo que la energía interna aumenta, aumentando también la temperatura del gas incluido en el compresor. El trabajo que se tiene es el incremento de temperatura más el calor que se extrae.

W = ΔE + Q

Actividades

6. Escribir un listado de aparatos domésticos empleados para conseguir calor y frío.

3.2. Conceptos de electricidad

En cualquier instalación, normalmente se utiliza la electricidad para el funcionamiento de muchos de sus elementos. El conocimiento básico de las variables que intervienen en la electricidad, tanto de corriente continua como alterna, ayuda a la identificación de los problemas que pudieran aparecer en las máquinas y las instalaciones de todo tipo.

La intensidad, la tensión y la resistencia están unidas por la ley de Ohm, básica en el cálculo de los circuitos eléctricos.

La corriente eléctrica

Es el fenómeno que se produce cuando se desplazan los electrones (e-) libres de un cuerpo que los tiene en exceso (electronegativo) hacia otro cuerpo que tiene menos electrones (electropositivo) cuando estos se encuentran unidos por un elemento conductor.

Como ya se señaló anteriormente, los electrones en el átomo se encuentran realizando trayectorias alrededor del núcleo formado por protones (positivos) y neutrones (sin carga), de modo que, cuando un material se une a otro, el conductor hace de camino para que uno ceda electrones al otro y se consiga el equilibrio entre los dos.

Importante

En cualquier material, el camino para el desplazamiento de los electrones libres a través de él se realiza por los huecos de su composición atómica.

Magnitudes elementales (V, I y R). Ley de Ohm

En cualquier circuito eléctrico, ya se trate de corriente continua (CC) o corriente alterna (CA), existen tres variables: la tensión (V), la intensidad (I) y la resistencia (R), relacionadas por la ley de Ohm.

La tensión, también llamada diferencia de potencial, es la diferencia de electrones que existe entre dos cuerpos cargados que se ponen en contacto. Un cuerpo estará a más tensión o tendrá mayor potencial cuando el número de electrones libres de los que dispone para abandonarlo hacia otro cuerpo es mayor que el cuerpo a donde llegan.

La unidad de tensión eléctrica es el voltio (V), por lo que tradicionalmente también se denomina voltaje a la tensión de un circuito.

La intensidad es la cantidad de corriente eléctrica que es capaz de circular por un conductor en un tiempo determinado cuando existe una diferencia de potencial entre los dos cuerpos. Siempre estará en función del tamaño de la sección y del material por donde se desplazan los electrones.

La unidad de intensidad eléctrica es el amperio (A).

La resistencia es la oposición que un cuerpo o el conductor que une dos cuerpos opone al paso de los electrones a través de él. Según el material y las dimensiones de la sección, un conductor puede tener mayor o menor resistencia, ya que los huecos que tiene en su estructura dejan más o menos paso a los electrones libres.

La unidad de resistencia eléctrica es el ohmio, representado por la letra griega omega (Ω).

La ley de Ohm relaciona las tres magnitudes de tensión, intensidad y resistencia:

Tensión en voltios (V) = Intensidad de corriente en amperios (A) · Resistencia eléctrica del material en ohmios (Ω)

V = I · R

Potencia eléctrica en vatios (W) = Intensidad² (A) · Resistencia (Ω)

P = I² · R

Y también:

Potencia eléctrica en vatios (W) = Tensión (V) · Intensidad (A)

P = V · I

Para una potencia durante un período de tiempo se tiene:

Energía eléctrica = Potencia eléctrica (W) · Tiempo en segundos (t)

Ee = P · t

El voltaje o diferencia de potencial que existe en un circuito eléctrico cerrado depende de la resistencia que el conductor oponga al paso de la intensidad de corriente eléctrica, representada por los electrones libres que realizan el camino.

Aplicación práctica

Está ayudando a su sobrina a realizar una práctica de electricidad para el colegio y necesita comprar una lámpara para un circuito de corriente continua. La pila es de 12 voltios y la intensidad máxima de seguridad permitida en el circuito es de 0,03 amperios.

Calcule la potencia que deberá tener la lámpara y la resistencia que tendrá una vez montada y con el circuito cerrado.

SOLUCIÓN

Potencia eléctrica en vatios (W) = Tensión (V) · Intensidad (A)

P = V · I = 12 voltios · 0,03 amperios = 3,6 W

La potencia eléctrica es: P = I² · R

Despejando el valor de la resistencia (R):

R = P / I² = 3,6 W / 0,03² amperios = 4.000 ohmios (Ω)

Siempre existen las tres magnitudes de tensión, intensidad y resistencia, relacionadas por la ley de Ohm, cuando el circuito se encuentre cerrado o en carga.

Actividades

7. Cuando en su casa enciende y apaga la luz, ¿dónde está la resistencia eléctrica del circuito y por dónde llega a ella la corriente?

Materiales conductores, semiconductores y aislantes

Sabido es que un material conductor es el que permite el paso de la electricidad a través de él. En realidad, todos los materiales son conductores de la electricidad, pero, como cada uno es diferente, unos tienen más facilidad que otros para permitir el paso de los electrones libres.

Está en relación con los movimientos que se producen dentro del mismo cuerpo a nivel atómico, ya que por ejemplo los metales tienen sus átomos más quietos que los que contiene la madera.

De esta forma, un material, por su constitución propia, puede ser conductor, semiconductor o aislante:

1 Un material conductor permite el paso de electrones libres a través de él. Los metales, por su constitución atómica en forma de red, tienen menos movimientos en sus átomos, de forma que existen más huecos por donde los electrones libres pueden circular.

2 Un material aislante tiene sus átomos en continuo movimiento, de forma que no existen tantos huecos para el paso libre de los electrones. La madera y el plástico son algunos ejemplos de materiales aislantes de la electricidad.

3 Un material semiconductor es aquel que puede permitir el paso de los electrones libres a través de él dependiendo de las condiciones de temperatura a la que se encuentre, así como la radiación o la presión a la que esté sometido. El silicio (arena) es el material más utilizado en la electrónica para realizar circuitos en los que se necesita en ocasiones dejar pasar o no la electricidad a través del elemento.

La resistividad, nombrada mediante la letra griega ro (ρ), es la capacidad que tiene cada material de permitir el paso de los electrones a través de él. Varía bastante en cada material, incluso en los metales considerados siempre buenos conductores de la electricidad.

Actividades

8. Realizar de memoria un listado de materiales conductores y no conductores de la electricidad.

Corriente continua y alterna

Existen dos tipos de corriente eléctrica que se definen observando los cambios que se producen en sus variables de tensión y polaridad positiva o negativa.

La corriente continua (CC), también denominada AC, tiene a lo largo del tiempo de utilización siempre la misma tensión, de manera constante.

En la imagen se puede ver que la tensión es siempre la misma durante el tiempo de funcionamiento del circuito, siendo su polaridad positiva.

La corriente alterna (CA), también denominada DC, es la que cambia el valor de la tensión y su polaridad de positivo a negativo y de negativo a positivo de manera instantánea, siendo utilizada en casi todas las aplicaciones habituales en viviendas, edificios, iluminación, etc.

En el gráfico se observa que, durante el tiempo de utilización, la tensión en su avance varía el valor de cero al máximo y del máximo a cero, siendo su polaridad primero positiva y después negativa, describiendo una curva en forma senoidal.

El ciclo T se repite, siendo el número de ciclos por segundo lo que se llama frecuencia, que se mide en hercios (Hz). La corriente alterna en Europa es de 50 Hz, y en América de 60 Hz.

Sabía que...

Existe, además, un tipo de corriente llamada “pulsatoria” que tiene valores constantes de polaridad con picos y valles en su tensión.

El origen de la utilización de la corriente alterna se debe al descubrimiento de las propiedades magnéticas de la electricidad (Oersted), y con las que se puede generar electricidad en las centrales a partir de energía de movimiento mecánico de las aspas de una turbina.

Actividades

9. ¿No siente curiosidad por saber en qué consistió el experimento de Oersted? Cuando lo conozca, nunca lo olvidará. Es sorprendente.

Transformador

Con el transformador se pueden variar los valores de tensión e intensidad de la corriente alterna, consiguiéndose en el devanado del secundario una reducción de la tensión y un aumento de la intensidad, o viceversa, debido a la influencia del núcleo ferromagnético y a la variación del número de espiras que lo envuelven (N1 → N2). Solo se pueden realizar estas variaciones en la corriente alterna (CA), en la que circulan los electrones de un extremo a otro del generador, cambiando su polaridad de manera instantánea cuando el circuito está cerrado.

Definición

Núcleo ferromagnético

Es donde se genera el campo magnético de la electricidad, compuesto de hierro dulce y arrollamiento de hilo de cobre.

El transformador se emplea para reducir la intensidad y subir el voltaje de la electricidad a la salida de la planta generadora, así como para conseguir que en el transporte por la red no se produzcan calentamientos excesivos por el ya conocido efecto Joule. De esta manera, se podrá transportar la electricidad hasta los puntos de consumo, pero habrá que transformarla de nuevo antes de utilizarla, reduciendo su tensión y aumentando su intensidad para conseguir una tensión de 230 voltios, habitual en las viviendas.

3.3. Estimación de necesidades térmicas

En una vivienda unifamiliar, para conseguir el confort en los días de verano y de invierno, se necesitan instalar elementos que se encarguen de enfriar o calentar las estancias. Además, influyen los picos de frío y calor que se pueden presentar dentro de los períodos diarios y estacionales.

La estimación de la demanda necesaria depende del volumen de cada habitación y del período de tiempo que se estará en cada una de ellas a lo largo del día, ya que no es lo mismo un salón que un dormitorio, un baño o un pasillo.

La instalación de calefacción, aire acondicionado (AA) y agua caliente sanitaria (ACS) se deberá proyectar en función de la situación geográfica y los usos, para lo cual se deberá calcular el volumen de aire a calentar o a enfriar, midiendo el tamaño real de las estancias.

Como información útil, se indican las fórmulas que se utilizan en los cálculos de energía calorífica:

1 julio (J) = 0,24 calorías (cal)

1 hora (h) = 60 minutos (min) · 60 segundos (s) / minuto = 3600 s

1 KWh = 1000 vatios (W) · 3600 s = 3600000 J

3600000 J · 0,24 cal = 864000 cal = 864 Kcal

Cuando la energía (E) viene expresada en Julios (J)

Cantidad de calor (Q) en calorías = 0,24 · E

Cuando la energía (E) viene expresada en kilovatios hora (KWh)

Cantidad de calor (Q) en Kilocalorías = 0,24 · 864 · E

Aplicación práctica

Le avisaron de que existe un problema en una instalación de climatización industrial, ya que el calor que desprenden unas estufas es menor del esperado. El rendimiento teórico debe ser del 80%, y el calor que se cede actualmente es de 15.500 kcal al 55%.

Calcule el consumo en kWh de las estufas actualmente.

SOLUCIÓN

η = Trabajo realizado (W) / Energía suministrada (E)

55% = 0,55

0,55 = W / 15.500 kcal

W = 0,55 · 15.500 kcal = 8.525 kcal

Se tiene que 1 julio = 0,24 cal, por lo que aplicando una regla de tres:

1 J = 0,24 cal

A = 8.525 cal

A = (1 J · 8.525 cal) / 0,24 cal = 35.520,83 julios

Se tiene que 1 kWh = 3.600.000 julios, por lo que aplicando una regla de tres:

1 kWh = 3.600.000 J

B = 35.520,83 J

B = (1 kWh · 35.520,83 J) / 3.600.000 J = 0,00986 kWh

3.4. Estimación de necesidades eléctricas

En un edificio de viviendas donde existen zonas comunes de pasillos y escaleras que se deben iluminar, además de los servicios de ascensor y limpieza, es necesario realizar una estimación de necesidades eléctricas diferente.

Además de influir los períodos temporales en las estancias de las viviendas, hay que tener en cuenta que la electricidad es la energía más utilizada debido a que cualquier otro tipo de energía se puede transformar en ella.

Por ello, desde el calentador de agua eléctrico, las estufas de calefacción fijas y portátiles, la iluminación y los electrodomésticos, hasta el eventual ascensor y la maquinaria de limpieza, se deben tener en cuenta a la hora de la estimación y el cálculo de consumos, así como el tamaño de la vivienda, en la que puede existir un nivel de electrificación básica o un nivel de electrificación elevada.

Sabido es que el tipo de electricidad que se utiliza es de corriente alterna (CA). Al existir motores interviene en el cálculo de consumos y potencias unas nuevas variables, llamadas reactancia y capacitancia, relacionadas con la resistencia (R), ya que las bobinas tienen un componente electromagnético.

Los circuitos domésticos e industriales pueden ser monofásicos o trifásicos, y el cálculo de la energía necesaria se realiza de manera diferente. Como información útil, se indican las fórmulas que se utilizan:

Cuando la energía (E) viene expresada en Julios (J)

En circuitos monofásicos Energía (E) = Tensión (V) · Intensidad (I) · tiempo (t) En circuitos trifásicos Energía (E) = · Tensión (V) · Intensidad (I) · tiempo (t) t → tiempo en segundos (s)

Cuando la energía (E) viene expresada en Kilovatios hora (KWh)

En circuitos monofásicos Energía (E) = Tensión (V) · Intensidad (I) · tiempo (t) / 1000 En circuitos trifásicos Energía (E) = · Tensión (V) · Intensidad (I) · tiempo (t) / 1000 t → tiempo en horas (h)

Ley de Ohm

Tensión (V) = Intensidad (I) · Resistencia (R)

Recuerde

La energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma.

Durante el período anual, la calefacción se utiliza en los meses más fríos, y el aire acondicionado durante los meses más cálidos, variando muy poco la utilización del agua caliente sanitaria (ACS) a lo largo del año.

De esta forma, un sencillo gráfico expresa la demanda de consumo de energía eléctrica habitual durante todos los meses del año.

Actividades

10. Revisar de nuevo su recibo de la luz y estimar en qué podría ahorrar en consumo.

Aplicación práctica

Esta mañana ha recibido la llamada de un cliente que requiere sus servicios profesionales como montador de instalaciones de energía solar. El primer paso es siempre visitar la vivienda y ver las necesidades térmicas de frío y calor.

Con el plano acotado de distribución de la vivienda, realice el primer cálculo de volúmenes de las habitaciones, teniendo en cuenta que la altura desde el suelo hasta el techo es de 2,5 metros.

Solución

Se realiza el cálculo de volúmenes de cada estancia, y al final se calcula el volumen total de la vivienda a climatizar:

1 Vestíbulo: V1 = 1 m · 1 m · 2,5 m = 2,5 m3.

2 Pasillo: V2 = 3,2 m · 0,8 m · 2,5 m = 6,4 m3.

3 Baño: V3 = 2,2 m · 1,8 m · 2,5 m = 9,9 m3.

4 Cocina: V4 = 1,8 m · 2,6 m · 2,5 m = 11,7 m3.

5 Salón: V5 = 3,5 m · 4 m · 2,5 m = 35 m3.

6 Comedor: V6 = 4 m · 4 m · 2,5 m = 40 m3.

7 Dormitorio: V7 = 2,5 m · 3,5 m · 2,5 m = 21,875 m3.

8 Volumen total: V1 + V2 + V3 + V4 + V5 + V6 + V7 = 127,375 m3.

9 Superficie total: V total / 2,5 m = 50,95 m2.

3.5. Normativa de aplicación en la estimación de necesidades energéticas

En España, las necesidades energéticas pueden variar del Norte (más frío) al Sur (más caluroso), por lo que el rendimiento debido al emplazamiento de la instalación puede variar con la latitud.

Independientemente de la situación de los paneles solares, ya sea urbana o interurbana, se ha de cumplir una legislación para la estimación de las necesidades energéticas, y continuar el estudio de la viabilidad de la instalación, cumpliendo además las demás exigencias normativas.

El Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE), junto con sus Instrucciones Técnicas Complementarias (ITC), es la base normativa para el desarrollo de las instalaciones solares. Además, se debe cumplir la legislación medioambiental y de seguridad, que se desarrollará en el capítulo correspondiente de este manual.

Las normas UNE en cuanto a necesidades energéticas son:

1 UNE-EN 94002/2004: instalaciones solares térmicas para producción de agua caliente sanitaria. Cálculo de la demanda de energía térmica.

2 UNE-EN ISO 13789/2001: prestaciones térmicas de los edificios. Coeficiente de pérdida por transmisión de calor. Método de cálculo (ISO 13789/1999).

3 UNE-EN ISO 10456/2001: materiales y productos para la edificación.

4 Procedimientos para la determinación de los valores térmicos declarados y de diseño (ISO 10456/1999).

5 UNE-EN 12524/2000: materiales y productos para la edificación. Propiedades higrométricas. Valores de diseño tabulados.

6 UNE-EN 832/2000: comportamiento térmico de los edificios. Cálculo de las necesidades energéticas para calefacción. Edificios residenciales.

7 UNE-EN 832/AC/2000: comportamiento térmico de los edificios. Cálculo de las necesidades energéticas para calefacción. Edificios residenciales.

8 UNE-EN ISO 12241/1999: aislamiento térmico para equipos de edificación e instalaciones industriales. Método de cálculo (ISO 12241-1998).

9 UNE-EN ISO 6946/1997: elementos y componentes de edificación. Resistencia y transmitancia térmica. Método de cálculo (ISO 6946-1996).

4. Factores del emplazamiento

Es necesario el estudio pormenorizado de la colocación de los elementos captadores de la energía calorífica, así como la variación diaria y anual del Sol, que es la fuente de energía aprovechable en las instalaciones.

4.1. Orientación, inclinación y sombras

Las tres variables iniciales que se han de tener en cuenta a la hora de realizar una instalación de aprovechamiento de la energía solar deben ser la orientación de los paneles (ya sean térmicos o fotovoltaicos) respecto al Sol, la inclinación de los paneles respecto a la superficie donde estén situados y las posibles sombras que pudieran presentarse, tanto por edificios colindantes como por los propios paneles cercanos.

En cuanto a la orientación, si se sitúan en el hemisferio norte (Europa, EE. UU., Rusia, Japón, etc.), la superficie mayor debe estar siempre en dirección sur, de forma que se aprovechen al máximo los rayos emitidos por el Sol en la trayectoria de giro rotacional de la Tierra alrededor de él.

Importante

El sur geográfico no coincide con el sur magnético que indica la brújula debido a la inclinación del eje de la Tierra.

La inclinación debe ser tal que a las 12 del mediodía los rayos del Sol incidan perpendicularmente sobre la superficie mayor del panel. De esta forma se aprovecharán las horas previas y las horas posteriores, en las que los rayos van aumentando y disminuyendo su intensidad a lo largo del día.

En las instalaciones urbanas con edificios colindantes, las sombras no permiten que los rayos solares incidan el máximo tiempo sobre los paneles. De igual forma, la sombra propia del panel cercano, debido a una incorrecta inclinación o separación entre ellos, sería perjudicial para la instalación solar.

4.2. Cálculo de orientación óptima

Para conseguir que los paneles aprovechen al máximo la incidencia de los rayos solares, la situación del sur geográfico debe ser lo más exacta posible. No se puede realizar directamente con la ayuda de la brújula, ya que se debe corregir.

Existe un método rutinario pero muy útil para detectar la posición del sur geográfico, ya que esta es la orientación ideal para los paneles situados en el hemisferio norte. Los pasos a seguir son:

1 A las 9 o 10 de la mañana clavar una varilla en el suelo y colocarla verticalmente marcando el extremo de la sombra (punto A).

2 Dibujar una circunferencia con centro en la varilla y con radio en el extremo de la sombra.

3 Cuando por la tarde la sombra se haya desplazado y su extremo caiga sobre el punto de la circunferencia dibujada en el suelo, se marcará (punto B).

4 Uniendo los puntos A y B se obtiene una línea que es paralela al meridiano de la Tierra, que pasa por el Ecuador.

5 Se traza una línea que sea perpendicular a la AB, y esa es la dirección exacta del nortesur geográfico; recta a la que deben colocarse perpendiculares los paneles para conseguir el máximo aprovechamiento de los rayos solares a lo largo del día.

Importante

La superficie del panel solar debe soportar muy bien las inclemencias meteorológicas del lugar en los días invernales.

4.3. Cálculo de inclinación óptima

Los paneles están compuestos por una superficie útil y un soporte que los mantiene inclinados a la vez que los sujeta estructuralmente a la superficie.

La latitud terrestre del punto donde se sitúen los paneles solares o fotovoltaicos será la que indique la inclinación óptima que estos deben tener con respecto a la superficie horizontal.

La latitud es el ángulo comprendido entre la línea horizontal que pasa por el centro de la Tierra, representada por el Ecuador, y la línea que pasa por el punto considerado (punto A), unida también con el centro de la Tierra.

Un punto en la superficie de la Tierra puede tener latitud norte, de 0° a 90°, y latitud sur, también de 0° a 90°. Los polos Norte y Sur son los extremos de latitud 90°, encontrándose el Ecuador a una latitud 0°.

Teniendo en cuenta todo lo anterior, la inclinación óptima de los paneles será de 10° por encima de la latitud del punto en invierno y de 10° por debajo en verano.

Como ejemplo, si la instalación se encuentra a 43° de latitud, el máximo aprovechamiento en verano de la incidencia de los rayos solares será cuando se sitúen los paneles con una inclinación de α = 33° con respecto a la horizontal donde estén situados.

Actividades

11. Buscar la latitud a la que se encuentra actualmente y estimar la inclinación óptima de los paneles en un campo cercano para la época actual del año.

4.4. Sombras y mapas de trayectoria

En el desarrollo del proyecto de instalaciones solares hay que tener muy en cuenta no solo la orientación del sur geográfico y la latitud, sino que interviene además el movimiento de la Tierra alrededor del Sol que, debido a la inclinación de su eje, genera las cuatro estaciones.

De esta forma, existen tres puntos importantes a lo largo del año: el solsticio de invierno, que se produce el 21 de diciembre y en el que la altura del Sol es la más baja, siendo el día más corto y las sombras más alargadas; el solsticio de verano, el día 21 de junio, con el máximo de horas solares por la máxima altura solar con sombras más cortas; y los dos equinoccios, el 21 de marzo y el 21 de septiembre, en los que coinciden en horas el día y la noche.

Las sombras de los edificios colindantes pueden reducir el rendimiento de la instalación, por lo que se estudiarán también las trayectorias a lo largo del año.

El siguiente esquema representa la trayectoria del Sol en los tres puntos, así como la orientación óptima de los paneles solares para un aprovechamiento máximo de la incidencia de los rayos solares.

4.5. Cálculo de pérdidas por sombra

La rentabilidad de la instalación urbana en edificios y naves, o en los campos de paneles solares, siempre está en relación directa con las horas de Sol de las que se dispone, por lo que la existencia de sombras reduce notablemente el rendimiento de la instalación.

Para una superficie en planta, la separación óptima de los paneles inclinados deberá ser tal que no genere sombras en el panel contiguo. Como es lógico, la superficie de paneles siempre será menor que la superficie en planta de la instalación.

El estudio de la separación está unido a la inclinación del panel, y esta a la latitud geográfica.

Un colector solar dejará de ser rentable cuando el tiempo diario de sombras sea superior al 20%. Una pérdida del 5% se considera correcta, aunque siempre es ideal el máximo.

La óptima separación entre paneles contiguos se realiza teniendo en cuenta el ángulo de latitud, que será aproximadamente igual a la inclinación del panel con respecto a la superficie horizontal y a la longitud de este. Interviene además un factor de corrección denominado k cuyo valor varía entre 1 y 2, y que tiene que ver con la propia latitud del campo de paneles.

Siendo h la altura vertical del panel inclinado, p la proyección en planta del panel inclinado, α el ángulo de inclinación, k el coeficiente de corrección y d la distancia entre la parte posterior de un panel y la delantera del contiguo.

Para el replanteo en el campo o la azotea de los paneles solares es más útil determinar la distancia D = d + p.

Aplicación práctica

Se dispone de una superficie rectangular de 160 m · 100 m para colocar paneles solares en una finca que se encuentra a latitud 45° norte. Considerando un factor k = 1,1, y colocando en principio los paneles inclinados a 40° con respecto a la horizontal, calcule la distancia de separación entre paneles para obtener la menor pérdida por sombra, sabiendo que son de dimensiones L = 3 m.

Calcule, asimismo, el número de filas que se pueden colocar en el lado de 160 metros, ya que este es el paralelo al sur geográfico.

SOLUCIÓN

Para el cálculo de la distancia mínima entre paneles solares, teniendo en cuenta la inclinación de estos, se calcula directamente con la fórmula:

d = L · senα · k

d = 3 m · sen 40° · 1,1 = 2,12 m

La distancia en proyección horizontal del panel a 40° es:

p = L · cosα

p = 3 m · cos 40° = 2,29 m

La distancia entre el comienzo de un panel y el siguiente será la suma de la separación entre ellos más la proyección del panel en planta:

D = d + p = 2,12 m + 2,29 m = 4,41 m

Por último, en el lado de 160 metros del campo solar se podrán colocar:

N = 160 m / 4,41 m = 36,28 → 36 paneles

5. Sistemas arquitectónicos y estructurales

La colocación final de los paneles en el edificio es una tarea a menudo difícil, ya que la variabilidad de orientación y las inclinaciones en los tejados dependen en parte de la posible aparición de sobrecarga de nieve en las latitudes más al norte. En el Sur, las terrazas permiten la instalación más sencilla a costa de eliminar la superficie útil para las personas.

5.1. Integración arquitectónica

Con la actual legislación, los nuevos edificios deben permitir la fácil instalación de instalaciones solares, por lo que el arquitecto que diseña los edificios de viviendas, o el ingeniero las naves industriales, debe adaptar las cubiertas para los paneles.

Con las cubiertas a diferentes inclinaciones, además de la orientación en los cuatro puntos cardinales (N, S, E y O), la labor de diseño debe realizarse con la idea de poder captar la mayor incidencia de los rayos solares a lo largo del día y para diferentes épocas del año.

Además, entra en juego, en el diseño arquitectónico, la funcionalidad de la instalación con la colocación de los paneles sobre la misma superficie del tejado, formando un conjunto agradable junto con los huecos practicados para las ventanas y la ventilación. Sería interesante que las instalaciones quedaran integradas en forma y color a la estética del tejado del edificio, colocándolas paralelas al borde (alero), y con tejas en tonos similares a los paneles solares o fotovoltaicos.

Integración de una instalación en la estructura del edificio

Las empresas dedicadas a la fabricación y la instalación disponen de diferentes variables para poder anclar de manera correcta los paneles al soporte estructural, variando la inclinación para conseguir el mayor rendimiento en su utilización.

5.2. Estructura soporte

El panel solar se compone de la superficie útil, dedicada a la captación solar para energía térmica o fotovoltaica, y el soporte estructural, que permite la inclinación adecuada y la unión a la superficie, ya sea en cubiertas inclinadas de tejados, terrazas horizontales o campos solares.

Esta parte, la del anclaje, cobra una especial importancia cuando se deben realizar instalaciones en lugares urbanos elevados o desprotegidos, ya que la influencia del viento hace que se puedan llegar a levantar cuando se superan las acciones dinámicas de este.

El viento del norte es el más peligroso, ya que en esa dirección puede elevar los paneles por la parte de abajo debido a que estos siempre deben estar orientados al sur geográfico, donde existen más horas de luz y calor solar a lo largo del año.

Por tanto, es muy importante realizar bien el anclaje a la superficie para conseguir una buena estabilidad aun con las peores inclemencias meteorológicas.

Nota

Para el cálculo de estructuras siempre se tiene en cuenta la situación geográfica y las inclemencias meteorológicas definidas por la estadística.

6. Viabilidad

La legislación que se necesita cumplir para la instalación de captadores solares viene recogida en el Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE), así como en la diferente reglamentación de tipo medioambiental y de seguridad, y en la propia del plan general de ordenación urbana de cada ciudad o comarca.

Este es el primer paso en el estudio de viabilidad, antes que el económico, ya que la gran legislación a cumplir en este aspecto puede desencadenar en la no rentabilidad de una instalación ya pensada y calculada.

6.1. Estudio de viabilidad

Cualquier tipo de instalación necesita un estudio de viabilidad, ya que estas instalaciones solares son relativamente novedosas y las formas de calentar el edificio y las viviendas con métodos más clásicos empleando gas butano o derivados del petróleo para las calderas de calefacción y agua caliente sanitaria (ACS) se sabe que funcionan correctamente.

Existen factores importantes que se deben estudiar para tomar la decisión de instalar o no los paneles solares en los edificios, independientemente de que sea obligada por la legislación actual en los edificios y las naves de nueva planta. Algunos factores son:

1 Tipo de instalación actual en el edificio para generar ACS y calderas de calefacción.

2 Uso del edificio para viviendas, oficinas o naves industriales.

3 Instalación de piscina climatizada comunitaria.

4 Posibilidad física de montaje del número necesario de paneles solares o fotovoltaicos en la superficie del tejado o la terraza.

5 Número de vecinos y posibilidad de acuerdo en la inversión.

6 Necesidades caloríficas del edificio, dependiendo de su latitud y orientación.

7 Instalación de caldera centralizada o individual a cada vivienda o local.

8 Porcentaje de energía calorífica que se aporte en referencia a la actual.

9 Estudio de venta posterior de la electricidad generada por los paneles fotovoltaicos una vez se ha consumido la electricidad necesaria en el edificio.

10 En general, coste económico y rentabilidad al realizar el cambio a paneles solares térmicos o fotovoltaicos.

6.2. Factores económicos y financieros

La rentabilidad de un negocio es la base fundamental para que se piense en iniciarlo o en cesarlo, por lo que la inversión económica inicial en este tipo de instalaciones solares debe estar muy bien estudiada, habida cuenta de que se necesitan períodos de tiempo elevados para que se obtengan resultados económicamente medios o buenos.

La rentabilidad económica mide la tasa de devolución producida por un beneficio económico.

Por otra parte, los diferentes inquilinos de un edificio pueden no estar dispuestos a asumir el coste inicial de la instalación, ya que suele ser elevado, aunque a medio y largo plazo los resultados puedan ser satisfactorios.

No se debe olvidar que el mantenimiento de estas instalaciones solares es muy bajo, aunque los métodos térmicos que se encuentran en la actualidad (calderas de combustibles derivados del petróleo) son mucho más utilizados, a costa de un deterioro paulatino del medio ambiente en las ciudades y el calentamiento global del Planeta.

Contaminación urbana

Nota

En cualquier negocio debe estudiarse previamente el período de amortización de la inversión inicial para ver si este será rentable.

7. Resumen

La energía se puede presentar de seis formas diferentes: eléctrica, mecánica, nuclear, química, radiante electromagnética y térmica. La transformación de cada una de ellas en otras es necesaria para poder utilizar las máquinas que el hombre, a lo largo de la historia, ha desarrollado.

Las necesidades energéticas han ido aumentando a la vez que el desarrollo de las poblaciones, lo cual ha llevado a un consumo muy elevado de combustibles fósiles que no ayudan al medio ambiente del Planeta.

La utilización de energías naturales que aprovechan la incidencia de los rayos solares ha permitido el gran desarrollo de los paneles de tipo térmico y fotovoltaico, que se suman a las necesidades energéticas que existen en la actualidad.

Teniendo en cuenta que la energía no se crea ni se destruye, sino que solo se transforma, las instalaciones solares tienen un gran campo de desarrollo actual.

La situación adecuada de las instalaciones solares, según el estudio del movimiento de la Tierra alrededor del Sol, hace que el aprovechamiento de la energía calorífica esté más al día que nunca con los beneficios obtenidos para el Planeta por la utilización de estas energías renovables, también llamadas limpias.

La orientación, la inclinación y el control de las sombras son factores necesarios a estudiar para las instalaciones. La viabilidad de estas tiene una componente económica esencial, ya que la inversión inicial en el proyecto y el montaje de los paneles solares siempre se recuperará a medio y largo plazo.

Ejercicios de repaso y autoevaluación

1. La energía es:

1 La forma en que se manifiesta el trabajo mecánico.

2 Lo que utilizan los mecanismos para moverse.

3 La parte de la física que estudia el trabajo.

4 La capacidad que tiene un cuerpo de realizar trabajo.

2. El Sistema Internacional (SI) utiliza como unidad de energía el julio, que es:

1 Una unidad de fuerza superficial.

2 Igual a un newton por un metro.

3 Igual que el kilopondio, pero en otro sistema de medidas.

4 Igual a una dina por cada metro cuadrado.

3. La energía mecánica está compuesta por dos, que son la potencial...

1 ... y la dinámica.

2 ... y la estática, que depende de la altitud respecto al nivel del mar.

3 ... y la cinética de movimiento.

4 ... y la teórica, en la que influye la gravedad (g).

4. Realice un dibujo del átomo en el que aparezcan sus elementos y las polaridades.

5. Relacione los tipos de energía y las aplicaciones finales de ellos. Enlace ambas columnas según corresponda.

1 Energía eléctrica.

2 Energía mecánica.

3 Energía química.

4 Energía radiante electromagnética.

5 Energía térmica.

1 Radiador por convección.

2 Iluminación.

3 Motor de explosión.

4 Televisión.

5 Martillo.

6. El rendimiento de una máquina relaciona el trabajo realizado y la energía suministrada, siendo:

1 Un valor necesario en el cálculo eléctrico.

2 Siempre su valor entre 0 y 1.

3 La característica fundamental para cuantificar la energía hidráulica.

4 Mayor del 100% en determinadas aplicaciones subatómicas.

7. Complete.

El primer principio de la termodinámica dice que la __________ ni se crea ni se destruye, solo se __________. La cantidad de __________ (Q) es la suma de la variación de energía más el __________ (W).

8. La potencia eléctrica es igual a...

1 ... la resistencia del circuito por el cuadrado de la intensidad.

2 ... el voltaje dividido entre la intensidad en amperios.

3 ... la intensidad por el cuadrado de la tensión.

4 ... la resistencia (R) por la intensidad (I).

9. Las propiedades magnéticas permiten transformar la tensión y la intensidad de la corriente eléctrica. La intensidad en el devanado secundario I₂ es igual...

1 ... a la del primario, pero solo en CC.

2 ... (N1 · I1) / N2.

3 ... N2 / (I1 + N2).

4 ... (N2 · I1) / N1.

10. De las siguientes afirmaciones, indique cuál es verdadera o falsa.

1 Con el transformador se pueden variar los valores de tensión e intensidad de la corriente continua.VerdaderoFalso

2 La CA es la que cambia el valor de la tensión y su polaridad de positivo a negativo y de negativo a positivo de manera instantánea.VerdaderoFalso

3 1 julio corresponde a 240 kilocalorías.VerdaderoFalso

4 En la ley de Ohm, el voltaje es igual a la resistencia por la intensidad.VerdaderoFalso

5 RITE son las siglas del Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios.VerdaderoFalso

11. Para el aprovechamiento máximo de la energía solar en el hemisferio norte, la mejor orientación geográfica de los paneles será:

1 ... el Norte.

2 ... el Sur.

3 ... el Este.

4 ... el Oriente.

12. La latitud terrestre...

1 ... puede ser norte o sur.

2 ... es el ángulo de referencia entre el Ecuador y el paralelo norte de la Tierra.

3 ... es un concepto antiguo, ya que ahora se utiliza la orientación cenital.

4 ... puede ser este u oeste.

13. Un colector dejará de ser rentable cuando las pérdidas por sombra sean:

1 Inferiores al 10%.

2 Del 15%.

3 Tales que los días de lluvia superen a los de buen tiempo.

4 Superiores al 20%.

14. A la vista del panel solar inclinado, la distancia p es igual a...

1 ... L por la tangente de h.

2 ... h por el seno de α .

3 ... L por el coseno de α .

4 ... L por h dividido por α .

15. La rentabilidad económica mide...

1 ... el porcentaje de beneficios antes de impuestos.

2 ... la cantidad de dinero a medio-largo plazo que se necesita invertir.

3 ... el valor del activo.

4 ... la tasa de devolución producida por un beneficio económico.

Capítulo 2

Instalaciones de energía solar térmica

1. Introducción

Una de las formas de aprovechamiento de la energía calorífica es utilizarla para elevar la temperatura de un fluido y canalizarlo para el consumo de las personas. Otra es la generación de electricidad.

Los distintos niveles de captación van desde los colectores situados en los núcleos de población hasta las grandes instalaciones industriales que concentran las radiaciones en un punto donde se obtienen elevadas temperaturas.

La obtención de agua caliente sanitaria (ACS) es la aplicación más utilizada en la actualidad, aunque debe apoyarse en instalaciones más clásicas, como la caldera individual o colectiva, debido a que la captación de energía solar térmica durante todo el año se ve disminuida en los períodos estacionales más fríos.

Existen diferentes equipos de captación que se interconectan dependiendo de las distintas aplicaciones urbanas o industriales, en los que se pueden producir pérdidas hidráulicas debido a la excesiva longitud de los circuitos y a todos y cada uno de los elementos de regulación que debe atravesar el fluido caloportador.

La calefacción de estancias en las viviendas y las instalaciones de climatización de piscinas completan las formas de aprovechamiento de la energía solar térmica para el consumo en las poblaciones.

2. Clasificación de instalaciones solares térmicas

Existen dos formas de aprovechar la energía solar: para calentar un fluido que se utilizará en algunas aplicaciones y para generar electricidad.

La primera se refiere a transformar la energía proporcionada por las radiaciones solares en energía térmica o calorífica y la segunda a convertir esa radiación en energía eléctrica, ya sea directa o indirectamente.

Radiaciones solares - Aprovechamiento térmico o calorífico
Instalación de	Tª hasta	Aplicación en
Colector plano	35° C	ACS - Piscina
	60° C	Calefacción
	120° C	Industria
Recinto aislado	50° C	Invernadero
	100° C	Desalinizadora
Horno ecológico	90° C	Cocina
Horno solar industrial	3500 a 4000° C	Fusión de metales

Radiaciones solares - Aprovechamiento eléctrico
Instalación de	Tª hasta	Aplicación en	De forma
Colector parabólico	100 a 300° C	Generación de electricidad	Indirecta
Helióstato	600° C	Generación de electricidad	Indirecta
Célula fotovoltaica		Generación de electricidad	Directa

Las formas de aprovechamiento eléctrico directo mediante células fotovoltaicas es materia del capítulo 5 del manual, pero es preciso indicar ahora su clasificación para poder diferenciarlas.

2.1. Tipos de instalaciones solares térmicas de baja, media y alta temperatura

La luz es una radiación electromagnética que emite calor. Este se puede utilizar para calentar un fluido líquido o gaseoso cuando la luz incide en una superficie. Sabido es que el color influye en la captación de los rayos solares, ya que el negro no refleja la radiación, a diferencia del blanco que lo refleja casi todo. El caso extremo sería una superficie brillante en la que la luz se refleja en su totalidad (espejo).

Dependiendo de la aplicación para la que la captación de luz solar se utilice, las instalaciones se pueden clasificar según la temperatura que se obtenga finalmente.

De esta forma, se pueden conseguir hasta temperaturas de 35 °C con paneles o colectores solares descubiertos o al aire, en los que las tuberías están pintadas de color negro. Estas son las instalaciones solares térmicas de baja temperatura, con aplicaciones básicas en climatización de piscinas, duchas al aire libre, secaderos de productos y calefacción de invernaderos.

Equipo colector solar descubierto

En las anteriores instalaciones, la retención de calor será baja, ya que para conseguir una mayor es necesario un aislamiento que no deje escapar la luz, aprovechando además la reflexión. Este es el caso de las de media temperatura, cuyos paneles están cubiertos por un cristal o un plástico transparente que deja pasar las radiaciones solares, quedando retenido el calor. El panel se aísla térmicamente en el fondo con material poliuretano o fibra de vidrio. Las superficies, así como las tuberías, están pintadas de color negro. Se encuentran aplicaciones de estos paneles para el calentamiento del agua caliente sanitaria (ACS) y la calefacción de viviendas y locales.

Por último, las aplicaciones industriales que necesiten agua muy caliente o vapor se consideran instalaciones solares de alta temperatura. Se pueden alcanzar, mediante paneles pintados de negro, aislados térmicamente y cerrados herméticamente al vacío, temperaturas de hasta 120 °C, que permiten la generación de vapor a partir del agua.

Colector solar para alta temperatura

Actividades

1. Buscar en Internet algunas imágenes de colectores solares planos para empezar a diferenciarlos visualmente.

2.2. Rendimiento de los sistemas solares

Las variables que más influyen en el rendimiento de los sistemas solares son la latitud del lugar, la orientación y la inclinación.

Sabido es que la latitud norte elevada es perjudicial, y que la orientación siempre debe ser en dirección sur geográfico, pero que la inclinación y la posibilidad de existencia de sombras reducen la capacidad de captación de los paneles solares, que es el origen de la instalación.

La superficie total de captadores, así como su configuración, proporciona mayor o menor cantidad de calor en el circuito primario, el cual se hace pasar por el intercambiador de calor de donde parten los circuitos secundarios de agua caliente sanitaria (ACS), calefacción y climatización de piscinas.

El valor del calor (Q, en calorías) que llega a un punto de la superficie terrestre viene definido por tres variables: la superficie (S, en cm²) considerada de los paneles, el tiempo (t, en minutos) de exposición y un coeficiente (k) que depende de las anteriores variables indicadas de latitud, orientación, período estacional y hora del día, cuyo valor puede variar de 0 a 1,3 calorías/minuto · cm².

Q = S · t · k

El cálculo exacto de la incidencia de las radiaciones solares sobre una superficie se efectúa con el radiómetro (pero habida cuenta de que en el rendimiento de una instalación influyen además las pérdidas de transmisión de calor en las tuberías y en los aislamientos propios de la red secundaria), y el método real de cálculo se realiza con un balance energético en el que se considera el consumo de agua caliente y las pérdidas en el acumulador o intercambiador de calor de la instalación.

Aplicación práctica

La distribución de paneles solares de tamaño 3 x 3 metros en la superficie indicada es una parrilla de 25 x 36.

Para una captación continua de 12 horas, calcule la cantidad de calor (Q) que aportará al sistema en kilocalorías, sabiendo que el coeficiente de captación solar k es de 0,85.

SOLUCIÓN

El tiempo de captación total es de 12 horas. Este tiempo se debe transformar en minutos:

t = 12 horas · 60 minutos/hora = 720 minutos

La superficie de captación de todos los paneles solares de la parrilla es:

S = 25 paneles · 36 paneles · 9 m² = 8.100 m²

Teniendo en cuenta el coeficiente de captación solar, de valor 0,85, la cantidad de calor será:

Q = S · t · k

Q = 8.100 m² · 720 minutos · 0,85 = 4.957.200 calorías

Q = 4.957,2 kilocalorías

2.3. Aplicaciones de la energía solar térmica

El aprovechamiento de la energía que proporciona el Sol se puede emplear en varias aplicaciones, de forma pasiva o activa.

Los invernaderos son una aplicación pasiva. Las radiaciones solares de onda larga inciden en el plástico transparente de la cubierta, generándose su reflexión en la superficie del suelo de labor, transformándose en radiaciones de onda corta que intentan abandonar el invernadero. Estas, al no poder escapar, quedan retenidas en el interior provocando un aumento de la temperatura, llegándose a conseguir hasta 50 °C.

Actividades

2. Indicar el lugar de España donde la aplicación de invernaderos está más extendida. Sea curioso y observe imágenes con el buscador de mapas. Es impresionante.

Otra aplicación pasiva es la desalinizadora de agua. Se trata de un recipiente, llamado primario, con una cubierta inclinada de vidrio o plástico transparente que deja pasar las radiaciones solares. Estas quedan retenidas, como en el caso del invernadero, y calientan el agua salada hasta la evaporación. La condensación del vapor de agua que queda en el interior, y que se desliza hacia la canaleta y el recipiente secundario, hace que el agua quede sin sal. Al final del proceso natural, la sal quedará en el fondo del recipiente primario.

La forma activa de aprovechar la energía solar es concentrando las radiaciones en un punto determinado para sumarlas.

El horno ecológico es la primera aplicación que concentra la luz y el calor en el recipiente, calentándolo para que los alimentos se cocinen. Existen dos maneras diferentes de conseguir el horno solar: con un reflector parabólico abierto o con un reflector plano que concentra las radiaciones hacia un recipiente cerrado y aislado, a modo de invernadero, y que calienta el recipiente donde se encuentran los alimentos. El máximo de temperatura que se puede alcanzar con estas aplicaciones es de 90 °C, suficiente para cocinar, pero en un tiempo elevado.

Las aplicaciones industriales de captación de radiaciones solares permiten la concentración de los rayos en un punto o superficie determinada para, de este modo, obtener altas temperaturas que se utilizan para calentar un fluido y utilizar esta energía calorífica en el calentamiento de agua que se convierte en vapor, el cual mueve la turbina de generación de electricidad.

Existen instalaciones activas que desplazan los espejos siguiendo la dirección de las radiaciones solares.

El horno solar que se encuentra en Odeillo (Pirineos franceses) se utiliza en la investigación de fusión de metales como el acero y el aluminio, consiguién-dose temperaturas elevadísimas de hasta 4.000 °C.

Las radiaciones solares se concentran en un punto gracias a los espejos móviles.

La aplicación más utilizada son los colectores cilíndrico-parabólicos, que siguen las radiaciones solares durante el día, las concentran a lo largo de una tubería donde se encuentra un fluido que absorbe el calor y utilizan ese tipo de energía para la generación de electricidad.

La última aplicación industrial, hasta la fecha, es la instalación de espejos móviles o helióstatos, que se encargan de concentrar las radiaciones solares en el punto alto de una torre central donde se encuentra un depósito de sales frías. En el proceso industrial, estas sales pierden calor y producen el vapor de agua que se encarga de mover la turbina que genera electricidad, como en las anteriores aplicaciones de colectores cilíndrico-parabólicos.

En Sanlúcar La Mayor (Sevilla) se encuentra una instalación que utiliza más de 600 helióstatos para concentrar las radiaciones solares hacia la parte alta de una torre de 100 metros de altura.

2.4. Funcionamiento global

En las instalaciones domésticas de aprovechamiento de calor, el circuito primario de agua calentada en el panel solar se distribuye hacia el intercambiador de calor desde donde parte el circuito secundario de agua caliente sanitaria (ACS) para el aseo personal, el cual termina en la red de evacuación de aguas.

Otros circuitos secundarios, de tipo cerrado, son el de calefacción de estancias, que emite el calor en los radiadores, y el de climatización de piscinas, el cual recibe el agua por la parte superior del vaso, saliendo por la parte inferior y elevándose mediante una bomba hidráulica.

Las instalaciones industriales que utilizan las radiaciones solares como energía calorífica captan el calor y lo almacenan en un fluido (aceite) para, en la mayoría de los casos, calentar agua que se transforma en vapor, el cual se utiliza para mover la turbina que se encuentra unida al rotor generador de corriente alterna (alternador). Esta electricidad se debe transformar para el transporte y el consumo en las viviendas y las industrias de las poblaciones.

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3. Realizar un esquema en el que se resuman las diferentes formas de aprovechamiento pasivo de las radiaciones solares.

3. Captadores solares

El punto inicial de cualquier instalación de aprovechamiento de energía calorífica a partir de las radiaciones solares es el llamado colector, panel o captador solar. De su eficiencia depende en gran parte que la instalación cumpla con las expectativas de ahorro energético que se esperan.

El estudio se va a realizar para su aplicación en las viviendas domésticas y las instalaciones comunes de las industrias, dejando aparte el aprovechamiento del calor y su transformación en energía eléctrica, del que ya se ha visto lo esencial.

3.1. Tipos de colectores y características

Los tres tipos de colectores de placa plana que se utilizan en las aplicaciones domésticas se diferencian básicamente en el nivel de aislamiento de la superficie captadora, ya que según este se podrán realizar instalaciones de baja, media y alta temperatura.

El más básico no tiene cubierta transparente aislante, el medio la tiene y el de alta gama tiene una carcasa cerrada herméticamente. En los tres casos la pintura de color negro se utiliza para absorber y retener la mayor cantidad de radiaciones solares, y el aislamiento del fondo consigue además una menor pérdida de calor.

Por tanto, existen colectores solares al aire, cerrados y herméticos.

Instalación solar de paneles al aire para climatización de piscinas

3.2. Descripción de funcionamiento de los captadores

El efecto invernadero, que ya se conoce, hace que parte de las radiaciones solares queden atrapadas en el interior del captador, de forma que se aumente la temperatura del recipiente, ayudando en el calentamiento de las tuberías por donde circula el fluido.

El vidrio o plástico transparente de la cubierta deja pasar las radiaciones solares. Cuando el fluido entra en el captador, se encuentra a una temperatura ambiente, pero esta se eleva debido a la incidencia de la radiación solar de onda larga, ayudada por el efecto invernadero que se produce cuando en el reflejo quedan retenidas aproximadamente el 50% de las radiaciones de onda corta. Además, el color negro del que están pintados los tubos y la placa del fondo junto con el aislante aumenta el rendimiento del captador solar.

De esta forma, el fluido que se encuentra en el interior de las tuberías abandona el captador a una temperatura mucho más elevada.

3.3. Características constructivas

En el elemento colector existirán diferencias de temperatura entre el material que debe absorber el máximo de radiaciones solares y la estructura propiamente dicha. Es por ello que la dilatación de la parte caliente no debe afectar a la parte fría, pero a la vez se debe asegurar un nivel de estanqueidad elevado para conseguir que el efecto invernadero que se está reproduciendo no permita las pérdidas de calor.

El elemento fundamental que permite la unión de las dos partes es la junta flexible, que puede estar construida de material caucho o de silicona. Esta junta será la encargada de absorber las diferencias de temperatura producidas a lo largo del día.

Los elementos principales, siempre respetando las diferentes tecnologías de cada empresa instaladora, son:

1 Junta elástica.

2 Material transparente.

3 Parrilla de tuberías.

4 Placa del fondo.

5 Aislamiento.

6 Carcasa.

La junta elástica (de silicona) asegura la estanqueidad del panel a la vez que absorbe las deformaciones por las diferencias de temperatura que se presentan.

El material transparente puede ser de vidrio, aunque en algunos tipos de paneles puede ser plástico. Es fundamental que permita el máximo paso de las radiaciones solares, por lo que no sirven materiales traslúcidos, de color u oscurecidos.

La parrilla de tuberías está formada por líneas de tubos colocados en paralelo, los cuales desembocan en dos laterales, el primero por donde entra el fluido a temperatura ambiente y el segundo por donde sale ya calentado por las radiaciones solares. Es fundamental que la absorción de calor sea máxima, por lo que debe estar pintada de color negro que, como ya se sabe, aumenta la absorción de calor no dejando que se escape la radiación por no reflejarse.

En las aplicaciones para climatización de piscinas, las tuberías pueden estar construidas de material plástico (polímero), ya que se consideran instalaciones de baja temperatura, con paneles descubiertos que no llegan a deformarse por el calor.

Dos materiales fundamentales son el grupo que constituyen la placa del fondo y el aislamiento térmico que rodea el panel. Los dos son los encargados de retener el máximo de calor, el primero reflejando las radiaciones hacia la parte inferior de la parrilla de tuberías y el segundo no permitiendo que el calor se escape del panel. Algunos paneles pueden tener la placa del fondo pintada de negro, pero en los colectores de última generación se ha conseguido aprovechar incluso el reflejo. El aislante habitual es la fibra de vidrio.

Por último, la carcasa debe unir todos los anteriores componentes de manera hermética, permitiendo además que se absorban las dilataciones, así como no permitir la oxidación ni la corrosión debidas a las diferentes inclemencias meteorológicas que se pueden presentar a lo largo del día y los períodos estacionales del año.

Importante

La estructura del panel debe permitir el fácil manejo por parte de los operarios montadores y una sencilla instalación en el soporte que permitirá obtener la inclinación óptima (latitud ±10°) y una orientación adecuada (sur geográfico).

Actividades

4. Describir en un párrafo el funcionamiento del invernadero, que es la base del aprovechamiento de las radiaciones solares.

3.4. Sistemas de conexión de captadores

El trabajo de captación de calor que un colector realiza de manera individual debe ser aprovechado por la red principal o primaria para llevar a los puntos de consumo el fluido caliente.

La conexión de los diferentes captadores debe asegurar que las pérdidas de carga debidas al rozamiento del fluido con las paredes interiores de las tuberías sea el mínimo posible de manera que el rendimiento sea máximo.

Hay que tener en cuenta también la longitud del circuito primario, ya que se ha de colocar una bomba hidráulica que permita el desplazamiento del fluido en su retorno.

Importante

Los sistemas por gravedad no funcionan en estas instalaciones solares como lo hacen en el suministro normal de abastecimiento y consumo de agua fría y ACS.

La pérdida de calor en el trasiego del fluido caliente puede reducirse utilizando aislamientos en las canalizaciones de forma que el calor se mantenga latente.