La radiación solar La energía radiante proveniente
del Sol es enorme supera miles de veces la necesidades de
energía de la humanidad es renovable no es
contaminante
El sol El Sol es una estrella mediana Diámetro de
1,390,000 km Dos mil cuatrillones de toneladas de gas de
hidrógeno Temperatura del orden de 14 millones de grados
centígrados Ocurren reacciones de fusión nuclear en
su interior Núcleos de Deuterio se transforman en
Helio
El sol La radiación es emitida desde la superficie a una
temperatura promedio de aproximadamente 6,000 K Los rayos del Sol
recorren aproximadamente 180 millones de kilómetros en el
espacio para llegar a la Tierra Tardan casi 8 minutos Se
manifiestan como radiación solar
Diagrama simplificado del sol (Gp:) R (Gp:) 0.23 R (Gp:) 0.7 R
(Gp:) 40% de masa 15% de volumen 90% de energía generada
T=~8 – 40 x 106 K ?= 105 kg/cm3 (Gp:) T = 6,000 K ? = 10-5
kg/cm3 (Gp:) Zona convectiva T = 130,000 K ? = 70 kg/cm3 (Gp:)
Cromósfera (Gp:) Fotósfera (Gp:) Corona
Constante solar La radiación solar llega a la
atmósfera de la Tierra con una intensidad de 1,350 W/m2 Se
presenta en tres niveles de energía: Ultravioleta Visible
Infrarrojo
Espectro de radiación Composición de la
radiación solar: Ultravioleta [7%] Visible [47%]
Infrarroja [46%] Irradiación solar extraterrestre
Irradiación solar al nivel del mar Radiación de un
cuerpo negro a 5,900 K Longitud de onda (m x 10-6) Irradiancia
espectral (A) IR UV V
Movimiento de traslación terrestre
Radiación Solar Anual (KJ/ cm2) Zona de máxima
insolación mundial
El área total de desiertos es de cerca de 20 millones de
kilómetros cuadrados inciden aproximadamente 50 x 1015
W/año Si se aprovechara únicamente el 5% de esa
cantidad se proporcionaría alrededor de doscientas veces
el consumo mundial requerido Zona de máxima
insolación mundial
Al norte del Ecuador: Gran desierto del oeste Norteamericano
Desierto de Thar en la India Desierto de Arabia Saudita Desierto
de Sahara Al sur del Ecuador: Desierto de Atacama en
Sudamérica Kalahari en Sudáfrica Gran desierto de
Victoria Desierto de Australia Regiones de gran
insolación
La República Mexicana se encuentra localizada entre los
14° 33' y 32° 43' de latitud norte con una superficie de
casi dos millones de kilómetros cuadrados en gran parte de
su territorio, regiones de alta insolación Regiones de
gran insolación
Insolación promedio anual en México
Conversión de la Energía Solar Existen dos
procedimientos principales de conversión de la
energía solar: conversión fotovoltáica
conversión fototérmica
Se emplean sistemas fotovoltáicos la radiación
solar se convierte directamente en electricidad mediante un
dispositivo semiconductor denominado celda fotovoltáica
Conversión Fotovoltaica de la Energía Solar
La fotocelda es el elemento unitario de un sistema fotovoltaico
tiene la propiedad de convertir directamente la radiación
solar en electricidad, por medio del efecto fotoeléctrico
El efecto se presenta en materiales fotosensibles semiconductores
al incidir una radiación electromagnética libera un
electrón y deja un hueco libre Principio de
operación de la celda fotovoltaica
Efecto fotoeléctrico Energía
electromagnética Fotón Hueco libre P+
Electrón libre e- Material Semiconductor
Materiales de Construcción Materiales semiconductores
usados para celdas solares: Silicio monocristalino Silicio
policristalino Silicio amorfo Sulfuro de cadmio y sulfuro de
cobre Telurio de cadmio Seleniuro de cobre e indio Arseniuro de
galio
Principio de funcionamiento de una celda solar
La corriente eléctrica generada es proporcional a: El
área expuesta a la radiación solar A la intensidad
de la radiación solar El voltaje depende de las
características del campo eléctrico interno, o sea
del material mismo
Curvas Corriente voltaje (policristalino, 80W)
Características de Operación
Las celdas se conectan: en serie y paralelo para incrementar su
voltaje y corriente, respectivamente. Conexión de las
celdas Módulo fotovoltaico
La potencia máxima de los módulos comerciales
varía de 3 a 300 W El voltaje fluctúa entre 16 y
17.5 V A mayor intensidad de radiación solar, mayor
corriente generada.
Arreglo fotovoltaico conectado en serie y paralelo
Características Relevantes El proceso de generación
ocurre en un sólido por lo que no se degrada Dura
indefinidamente No requiere de ningún tipo de
mantenimiento No usa otro combustible para generar que la
radiación solar Es un generador liviano y de
pequeñas dimensiones fácil de transportar
Aplicaciones Pequeñas cargas aisladas: Telecomunicaciones
Electrificación rural Bombeo de agua Iluminación
municipal Telefonía rural protección
catódica
Las aplicaciones a gran escala están limitadas por su alto
costo y necesidad de grandes espacios En diversos países
ya se contemplan como una solución para abastecer el
crecimiento de la demanda eléctrica
Conversión Fototérmica de la Energía Solar
Los sistemas fototérmicos convierten la radiación
solar en calor El calor se puede usar para: Calentar edificios
Calentar agua mover turbinas para generar electricidad secar
granos destruir desechos peligrosos.
Los colectores térmicos solares se dividen en tres
categorías, según el nivel térmico: Baja
temperatura Media temperatura Alta temperatura
Clasificación de los Colectores Solares
Térmicos
Colectores de baja temperatura El colector solar plano es el
aparato más representativo de la tecnología solar
fototérmica
Los colectores solares planos proveen calor útil a
temperaturas menores de 65°C Sus aplicaciones son muy
variadas Unicamente están limitadas por la temperatura
máxima del fluido de trabajo Colectores de baja
temperatura
Cuando los requerimientos de temperatura son de 30 a 90ºC,
están: calentamiento de agua para uso sanitario
doméstico calefacción de albercas
calefacción ambiental aplicaciones institucionales
comerciales e industriales refrigeración doméstica
y comunal secado de alimentos y productos agrícolas
Colectores de baja temperatura
Tipos de colectores solares planos: Colector desnudo (sólo
el absorbedor) En México, el calentamiento de albercas es
la aplicación más generalizada de esta
tecnología. Las temperaturas que se alcanzan en el agua
son de alrededor de 25 a 30ºC. Colector con gabinete: Para
agua caliente doméstica Las temperaturas que se alcanzan
en el agua son de alrededor de 55 a 65ºC.
Colectores de media temperatura Con esta tecnología es
posible alcanzar temperaturas hasta de 500°C Los tipos
principales son: Cilindro parabólicos Cilindro
parabólicos compuestos
Los sistemas de concentración solar tienen como finalidad
incrementar el flujo de radiación solar sobre los
receptores Deben seguir al sol tener ajustes periódicos
Colectores de media temperatura
Aplicaciones Instalación para agua de una
lavandería en una cárcel
Central eléctrica fototérmica de 354 MW
La principal aplicación es para la generación de
electricidad Su principal desventaja es que requieren de
radiación solar directa disponible en cielos claros y
seguimiento solar de los dispositivos en todo momento Colectores
solares para temperaturas elevadas
Los colectores de plato parabólico emplean el mismo
principio que los de canal parabólico, pero el desarrollo
es circular con lo que pueden alcanzar mayores temperaturas
Aplicaciones Tratamiento de materiales y procesos químicos
Cocina solar
Hornos solares Investigación científica Horno Solar
de Odeillo-Font-Romeu, Francia Temperaturas hasta 3,000 C
Torre central solar consisten en un gran número de espejos
que se orientan automáticamente para reflejar los rayos
solares concentrándolos en un absorbedor central se
utiliza para producir vapor y mover un turbogenerador
Conversión fototérmica de la energía solar,
temperaturas elevadas