Energía solar térmica para niños
La energía solar térmica es una forma de aprovechar el calor del Sol para diferentes usos. Con ella, podemos calentar agua para nuestras casas, usarla en la calefacción o incluso para cocinar alimentos. También puede generar energía mecánica y, a partir de ella, energía eléctrica. Además, esta energía se puede usar para sistemas de refrigeración que producen frío sin necesidad de electricidad.
Los aparatos que recogen la energía solar térmica se llaman colectores. Se clasifican según la temperatura que alcanzan:
- Baja temperatura: Suelen ser placas planas que calientan agua.
- Media temperatura: También son placas planas, usadas para calentar agua o aire en hogares y negocios.
- Alta temperatura: Usan espejos o lentes para concentrar la luz solar y se emplean principalmente para generar electricidad.
La energía solar térmica es diferente de la energía solar fotovoltaica, que convierte la luz del sol directamente en electricidad. La energía solar térmica es mucho más eficiente para producir calor.
Contenido
- ¿Cómo se usa la energía solar térmica?
- Partes de una instalación solar térmica
- Equipos solares domésticos
- ¿Cuánto cuesta y cuánto se ahorra?
- Colectores de baja temperatura
- Colectores de temperatura media
- Colectores de alta temperatura
- Almacenamiento de calor
- Uso del agua
- Eficiencia de conversión
- Costo de la energía solar térmica
- Galería de imágenes
- Véase también
¿Cómo se usa la energía solar térmica?
Agua caliente para el hogar (ACS)
Para tener agua caliente en casa, existen dos tipos de sistemas:
- Circuito abierto: El agua que usas pasa directamente por los colectores solares. Es más eficiente y económico, pero puede tener problemas en lugares muy fríos (donde el agua se congela) o con mucha cal, que puede obstruir los tubos.
- Circuito cerrado: Aquí, un líquido especial se calienta en los colectores y luego transfiere ese calor al agua que usas, sin que el agua pase directamente por los paneles. Hay dos formas de mover este líquido: por termosifón (el agua caliente sube naturalmente) o por flujo forzado (con bombas).
Los paneles solares térmicos son muy respetuosos con el medio ambiente.
Calefacción y aire fresco con energía solar
La energía solar térmica puede ayudar a tu sistema de calefacción tradicional (de gas o eléctrico). Los colectores solares y los tanques de almacenamiento pueden cubrir entre el 10% y el 40% de la energía que necesitas para calentar tu casa, dependiendo de lo bien aislada que esté. Para esto, la caldera debe tener un intercambiador de calor y un regulador que dé prioridad al agua caliente para uso doméstico.
También se pueden usar colectores solares de aire para calentar y ventilar una vivienda u oficinas. Estos sistemas son cada vez más populares porque son económicos, ahorran energía y mejoran la calidad del aire interior.
Calentar piscinas con el Sol
Otro uso importante de la energía solar térmica es calentar piscinas. Se usan colectores solares especiales, hechos de materiales como polipropileno o EPDM. El sistema es sencillo: una bomba de la piscina lleva el agua a los colectores (normalmente en un tejado cercano), el agua se calienta y regresa a la piscina.
Con estos equipos, puedes usar la piscina desde la primavera hasta el otoño en climas templados, y todo el año en climas cálidos. Son muy económicos de instalar comparados con calderas de gas o eléctricas, y no consumen energía. Son muy populares en países como Estados Unidos, Canadá, Australia, Brasil, México y Sudáfrica.
Partes de una instalación solar térmica
Una instalación solar térmica tiene varias partes clave:
- Captadores solares: Recogen la energía del Sol y la convierten en calor.
- Circuito primario y secundario: Transportan el calor.
- Intercambiador de calor: Transfiere el calor del circuito primario al agua de consumo.
- Acumulador: Almacena el agua caliente.
- Vaso de expansión: Mantiene la presión adecuada en el sistema.
- Tuberías: Conducen el agua o el líquido.
- Bombas: (Si el sistema es de circulación forzada) Mueven el líquido.
- Panel de control: Supervisa el funcionamiento.
Captadores solares: ¿Cómo funcionan?
Los captadores solares son el corazón del sistema. Capturan la radiación solar y la transforman en calor. Los más comunes son los de placa plana y los de tubos de vacío.
Los captadores de placa plana tienen una cubierta de vidrio que deja pasar los rayos del Sol. Estos rayos calientan unos tubos metálicos oscuros por donde circula un líquido. El vidrio también crea un efecto invernadero que ayuda a mantener el calor.
Los colectores solares se componen de:
- Cubierta: Una capa transparente (normalmente de vidrio) que minimiza la pérdida de calor.
- Canal de aire: Un espacio entre la cubierta y la placa absorbente.
- Placa absorbente: La parte que absorbe la energía solar y la transfiere al líquido. Debe absorber mucho calor y emitir poco.
- Tubos o conductos: Por donde circula el líquido que se calienta.
- Capa aislante: Recubre el sistema para evitar pérdidas de calor.
Captadores solares de placa plana
Son como una rejilla de tubos metálicos por donde pasa el agua fría. Esta rejilla está dentro de una caja con doble vidrio y aislamiento. A veces, los tubos están soldados a una placa metálica para captar más sol.
Captadores solares de tubos de vacío
En este sistema, los tubos metálicos se reemplazan por tubos de vidrio, uno dentro de otro, con vacío entre ellos para un mejor aislamiento. Pueden ser más eficientes que los de placa plana en temperaturas muy bajas o para calentar agua a temperaturas muy altas.
Son más económicos de fabricar que los de placa plana porque son de cristal. Además, son más versátiles para instalar y más eficientes porque su forma cilíndrica capta los rayos solares de forma más directa durante todo el día.
Captadores solares de tubos de vacío con "tubos de calor"
Este sistema usa tubos cerrados (normalmente de cobre) con un líquido que, al calentarse con el sol, se convierte en vapor. Este vapor sube a una parte superior donde transfiere su calor a otro líquido, se condensa y vuelve a bajar para repetir el ciclo.
El líquido dentro del tubo puede ser agua con presión reducida, lo que hace que hierva a baja temperatura y funcione incluso con nubes. Son muy eficientes y más económicos que las placas planas.
Circuito primario
Es un circuito cerrado que lleva el calor desde el captador hasta el acumulador. El líquido calentado (agua o una mezcla especial) transporta el calor y, una vez frío, vuelve al colector para calentarse de nuevo.
Intercambiador de calor
Calienta el agua que vas a usar con el calor captado del sol. Está en el circuito primario y tiene forma de serpentín para aumentar la superficie de contacto y ser más eficiente.
Acumulador
Es un depósito donde se guarda el agua caliente. El agua fría entra por abajo, se calienta con el intercambiador y sube, saliendo por arriba cuando la necesitas. Tiene un aislamiento para evitar que el calor se escape.
Circuito secundario
Es el circuito de consumo. El agua fría entra al acumulador y el agua caliente sale para la ducha, el lavabo, etc. Las tuberías de agua caliente exteriores deben estar aisladas.
Si el sistema también calienta la casa, es mejor usar sistemas de baja temperatura (como el suelo radiante) para que la calefacción solar sea más eficiente.
Bombas
Si la instalación es de circulación forzada, se usan bombas para mover el agua. Suelen ser dos por circuito, que se turnan para trabajar y así durar más tiempo.
Vaso de expansión
Absorbe los cambios de volumen del líquido que transporta el calor, manteniendo la presión adecuada y evitando pérdidas.
Tuberías
Las tuberías están cubiertas con aislante para evitar que el calor se pierda. Antes se usaban de cobre, luego de plástico-aluminio-plástico, y ahora se usan de acero inoxidable con aislamiento especial para mayor durabilidad.
Panel de control
Es un panel donde puedes ver las temperaturas y controlar el sistema. En verano, a veces se cubren las placas para evitar que se dañen por el exceso de calor, o se usan para producir frío solar (aire acondicionado).
Equipos solares domésticos
Son muy populares los equipos compactos para el hogar, que suelen tener un depósito de unos 150 litros y un colector de 2 m². Estos equipos pueden cubrir el 90% de las necesidades anuales de agua caliente de una familia de cuatro personas. Ayudan a reducir la emisión de gases contaminantes. La energía que se usó para fabricarlos se "recupera" en aproximadamente un año y medio de uso, y pueden durar más de 25 años con poco mantenimiento.
Existen diferentes tipos de equipos:
- Circulación forzada: Con captadores, acumulador, grupo hidráulico, regulación y vaso de expansión.
- Termosifón: El acumulador está encima del captador, y el agua circula por diferencia de temperatura.
- Sistema Drain-Back: Un sistema compacto y seguro, ideal para casas unifamiliares.
Algunos sistemas tienen una resistencia eléctrica de apoyo para cuando el sol no es suficiente, aunque en algunos lugares esto ya no está permitido para evitar pérdidas de energía.
¿Cuánto cuesta y cuánto se ahorra?
En muchos países, hay ayudas para usar energía solar en casa, lo que permite recuperar la inversión en unos cinco o seis años. Por ejemplo, en España, desde 2006, es obligatorio instalar sistemas de agua caliente solar en las nuevas construcciones para ayudar a proteger el medio ambiente.
Colectores de baja temperatura
El colector solar plano es el más común. Se usa principalmente para calentar agua para baños y piscinas, pero también para secar productos agrícolas calentando aire o para destilar agua en zonas rurales.
Está hecho de:
- Marco de aluminio
- Cubierta de vidrio templado
- Placa absorbedora con aletas de cobre
- Tubos para la entrada y salida de agua
- Aislante (como poliestireno)
- Caja galvanizada
Una unidad básica para el hogar suele tener un colector de 1.8 a 2.1 m² y un tanque de almacenamiento de 150 a 200 litros. Funcionan por termosifón (el agua caliente sube naturalmente). Para usos industriales, se conectan varios módulos y se usan bombas para la circulación forzada.
Calor para procesos industriales
Los sistemas de calefacción solar para procesos están diseñados para proporcionar grandes cantidades de agua caliente o calefacción para edificios no residenciales.
Las piscinas de evaporación solar son estanques poco profundos que concentran sales disueltas a través de la evaporación. Es una de las aplicaciones más antiguas de la energía solar, usada para obtener sal del agua salada. Hoy en día, también se usan para concentrar soluciones en la minería o eliminar sólidos de desechos.
Los colectores transpirados sin vidrio son muros perforados que miran al sol y se usan para precalentar el aire de ventilación. Pueden aumentar la temperatura del aire hasta 22 °C. Son una opción económica y eficiente. En 2009, se habían instalado más de 1500 sistemas en todo el mundo.
Una fábrica de alimentos en California usa cilindros parabólicos para producir vapor en su proceso de fabricación, lo que ahorra mucha energía.
Colectores de temperatura media
Estos sistemas pueden usar diferentes diseños, como los de glicol a presión o los que drenan el agua cuando no se usan. Se están desarrollando nuevas tecnologías con tuberías de polímero que contienen agua y son resistentes a la congelación.
Secado solar
La energía solar térmica es útil para secar madera (para construcción o combustible), frutas, granos y pescado. Secar cultivos con energía solar es bueno para el medio ambiente, económico y mejora la calidad del producto. Hay diferentes tecnologías, desde simples mallas al sol hasta colectores de aire con vidrio que dirigen el aire caliente a una cámara de secado.
Cocinar con energía solar térmica
Las cocinas solares usan la luz del sol para cocinar, secar y purificar alimentos. Reducen el consumo de combustibles y mejoran la calidad del aire al no producir humo.
La cocina solar más sencilla es la caja de cocción, inventada en 1767. Es un recipiente aislado con una tapa transparente. Funciona incluso con cielos parcialmente nublados y alcanza temperaturas de 50-100 °C.
Las cocinas solares de concentración usan reflectores para enfocar la energía solar en el recipiente de cocción. Cocinan más rápido y a temperaturas más altas (hasta 350 °C), pero necesitan luz solar directa.
En Auroville, India, hay una cocina solar gigante que usa un "tazón solar" para producir vapor y cocinar 2000 raciones diarias. En India también se usan los reflectores Scheffler, que son discos parabólicos que siguen el sol y pueden alcanzar temperaturas de 450 a 650 °C. El sistema Scheffler más grande del mundo, en Abu Road, India, puede cocinar hasta 35 000 raciones diarias.
Destilación solar
Los destiladores solares se usan para obtener agua potable en lugares donde el agua limpia es escasa. La energía solar calienta el agua en un recipiente, el agua se evapora y luego se condensa en la cubierta de vidrio, obteniendo agua pura.
Colectores de alta temperatura
Para generar electricidad de manera eficiente, se necesitan temperaturas muy altas. Esto se logra concentrando la radiación solar con espejos o lentes, una tecnología llamada energía termosolar de concentración (CSP).
A medida que la temperatura aumenta, la conversión a electricidad es más eficiente. Esto reduce el tamaño de los colectores y el uso de terreno por unidad de energía, disminuyendo el impacto ambiental y el costo.
Las plantas CSP primero generan calor, lo que permite almacenarlo antes de convertirlo en electricidad. El almacenamiento de calor es más económico que el de electricidad, por lo que una planta CSP puede producir electricidad día y noche, siendo una fuente de energía confiable.
Los sistemas de canal parabólico usan reflectores curvos para enfocar la luz solar en un tubo largo que contiene un fluido, el cual puede alcanzar hasta 500 °C. Este fluido caliente se transporta a un motor térmico para generar electricidad.
El sistema SEGS en California, Estados Unidos, es un gran ejemplo de este diseño, con una capacidad total de 350 MW.
Diseños con torres
Las torres de energía solar (o centrales de 'helióstatos') usan miles de espejos que siguen al sol (helióstatos) para concentrar la energía en un receptor en la parte superior de una torre central. En el receptor, la radiación solar concentrada calienta una sal fundida a más de 538 °C. Esta sal caliente se almacena y luego se usa para generar vapor, que impulsa una turbina para producir electricidad.
La ventaja de este diseño es que alcanza temperaturas más altas, lo que permite una conversión más eficiente a electricidad y un almacenamiento de calor más económico. Además, el terreno no necesita ser tan plano. La desventaja es que cada espejo necesita su propio sistema de control.
Un ejemplo es la central PS10 en España, con una capacidad de 11 MW.
Diseños de disco
Un sistema de disco Stirling usa un gran disco reflector parabólico (como una antena parabólica) que enfoca toda la radiación solar en un solo punto, donde un receptor captura el calor y lo transforma en energía. Normalmente, se acopla a un motor Stirling para generar electricidad.
La ventaja es que alcanzan temperaturas muy altas y son muy eficientes. Sin embargo, requieren más mantenimiento y un sistema de seguimiento más robusto porque el motor es pesado y se mueve con el disco.
Reflectores Fresnel
Las centrales con reflectores Fresnel lineales usan una serie de espejos largos y estrechos para enfocar la luz en uno o más receptores lineales ubicados sobre los espejos. La idea es reducir costos al compartir un receptor entre varios espejos y usar un sistema de seguimiento más simple. El receptor es fijo, lo que simplifica el diseño.
Un ejemplo es la central solar Puerto Errado 1 en España, que usa esta tecnología y tiene una capacidad de 1.4 MW.
Cilíndrico parabólico cerrado
Este sistema encierra los componentes dentro de un recinto de vidrio, como un invernadero. Esto protege los espejos del viento y el polvo, lo que mejora la eficiencia y la durabilidad. Los espejos concentran la radiación solar en tuberías de acero fijas, donde el agua se calienta y se convierte en vapor para procesos industriales.
Hornos solares
Los hornos solares son reflectores parabólicos o lentes muy precisos que concentran la radiación solar en un punto pequeño para calentar objetos a temperaturas muy altas. Pueden alcanzar hasta 3500 °C, y se han reportado temperaturas superiores a 4000 °C. Se usan para experimentos científicos, como fundir materiales muy resistentes o realizar reacciones químicas.
La utilidad de los hornos solares aumenta con el uso de helióstatos (espejos planos móviles) que dirigen la radiación solar al reflector parabólico. Esto permite que el horno principal permanezca fijo, facilitando el trabajo con los materiales.
Almacenamiento de calor
El almacenamiento de calor es clave para que las centrales solares térmicas puedan producir electricidad incluso de noche o en días nublados. Esto permite que la energía solar sea una fuente de energía constante y confiable, como las centrales que usan combustibles tradicionales.
El calor se transfiere a un material de almacenamiento en un depósito aislado durante el día y se recupera para generar electricidad cuando no hay sol. Los materiales de almacenamiento pueden ser vapor presurizado, concreto, o sal fundida (como nitrato de sodio y nitrato de potasio).
Almacenamiento en sal fundida
La sal fundida es una opción muy usada porque es líquida a presión atmosférica, es económica para almacenar energía térmica, funciona bien con las turbinas de vapor actuales, y no es inflamable ni tóxica. Se usa mucho en la industria química y metalúrgica.
Los tanques de sal fundida pueden almacenar calor hasta por una semana. La central solar de Andasol en España fue la primera en usar sal fundida para almacenar calor y generar electricidad de noche. La central Gemasolar en España fue la primera en generar electricidad de forma continua durante 24 horas usando este sistema.
Almacenamiento de calor en grafito
El grafito purificado también se usa para almacenar calor, especialmente en diseños de torre de energía. El calor capturado por los helióstatos va directamente al grafito en la parte superior de la torre. Es un material económico y compatible con las sales líquidas.
Uso del agua
Las centrales solares térmicas, especialmente las que necesitan agua para enfriar o condensar, pueden tener problemas en zonas desérticas donde el agua es escasa. Sin embargo, algunos diseños usan refrigeración por aire, lo que reduce el consumo de agua en un 90%, aunque puede disminuir un poco la eficiencia.
Eficiencia de conversión
La eficiencia energética más alta la tiene el sistema de disco solar/motor Stirling, que puede convertir hasta el 31.25% de la energía solar en electricidad. Los sistemas cilíndricos parabólicos tienen una eficiencia de alrededor del 20%.
La eficiencia general de una central solar se calcula considerando la energía que cae sobre toda el área ocupada por la central. Por ejemplo, la central de Andasol 1 tiene una eficiencia bruta del 2.6%.
Es importante recordar que la eficiencia no es lo único que importa; también hay que considerar el costo de construcción y mantenimiento.
Costo de la energía solar térmica
Como una central solar no usa combustible, su costo principal es la inversión inicial, con gastos menores de operación y mantenimiento. El "costo normalizado de la energía" es el precio por kWh a lo largo de la vida útil de la central.
Por ejemplo, la inversión para Andasol 1 fue de 310 millones de euros para producir 179 GWh al año, lo que significa una inversión de 1.73 euros por kWh producido en un año.
El "factor de capacidad" de una central solar (que es el porcentaje de tiempo que produce energía a su máxima capacidad) es de aproximadamente un 20%. Esto significa que una central de 50 MW producirá alrededor de 87.6 GWh al año.
El precio final por kWh depende mucho de cómo se financia el proyecto. Si la tecnología es probada, la tasa de interés puede ser baja, pero para nuevas tecnologías, los inversores buscan tasas más altas para compensar el riesgo.
Galería de imágenes
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Piscinas de evaporación solar en el Desierto de Atacama.
Véase también
En inglés: Solar thermal energy Facts for Kids
