Gobierno Regional de Tarapacá

Talleres Regionales sobre Energías Renovables no-convencionales

Expositor: Roberto Román L. Fecha: 08 de Septiembre 2010

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A modo de presentación • Roberto Román L.: Ingeniero Civil Mecánico; especialista en Termofluidos. Formación post grado en energía solar. Profesor Asociado de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas (FCFM) de la Universidad de Chile. Actualmente uno de los Vicepresidentes de la International Solar Energy Society (ISES). Esta es la Organización científica más extensa y más antigua en energía solar en el mundo. • Investigador y Consultor en energías renovables tanto a nivel nacional como Internacional. • Formador de EcoMaipo: una organización dedicada a educación, formación y llevar las energías renovables a sectores menos favorecidos.

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Estructura Presentación


Siglo XX: Cambalache…




Energía Solar: definiciones básicas.










Energía Solar y Chile: el uso de la energía solar en Chile a través de los años. Métodos de conversión de la energía solar: en primer lugar dedicamos unos breves párrafos a los diferentes métodos de conversión de la energía solar y su aplicación a nivel terrestre. También le dedicamos un tiempo a ver la magnitud del recurso a nivel de la tierra. Conversión térmica: luego abordamos los aspectos básicos de la conversión térmica de la energía solar, incluyendo sistemas sin concentración y sistemas con concentración solar.

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Estructura Presentación














Conversión directa: seguiremos con la conversión directa de radiación solar en energía eléctrica. Veremos un poco hacia donde evoluciona la tecnología. Magnitud del recurso en Chile: especialmente en comparación con otras partes del mundo. Mecanismos de incentivo para Chile: mecanismos vigentes y otros que están por venir. Aplicaciones térmicas en la región:luego nos dedicamos a un breve repaso de las aplicaciones térmicas. Aquí no solo abordaremos aspectos tecnológicos, sino también el análisis de algunos casos y también los órdenes de magnitud involucrados según sea la aplicación. Conclusiones: de la presentación y herramientas que se pueden utilizar.

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Siglo XX: Cambalache… •

•

•

Que el mundo fue y será una porquería ya lo sé... (¡En el quinientos seis y en el dos mil también!). Que siempre ha habido chorros, maquiavelos y estafaos, contentos y amargaos, valores y dublé... Pero que el siglo veinte es un despliegue de maldá insolente, ya no hay quien lo niegue. 5

Siglo XX: el siglo de los fósiles… •

Siglo XX: será (espero) conocido a futuro como el Siglo de los combustibles fósiles.

•

De hecho en el Siglo XIX el “motor” fundamental de la sociedad fueron las energías renovables más clásicas: fuerza muscular, biomasa, hidráulica, viento…

•

Pero el Siglo XX trajo un crecimiento explosivo en todos los ámbitos y, principalmente en el uso de fósiles.

•

Se partió por el carbón, seguimos con el petróleo y se ha ido terminando el Siglo XX con el uso masivo del gas natural… 6

Combustibles Fósiles: El Siglo XX se caracterizó por el uso intensivo de los combustibles fósiles. En orden de importancia son: •

Carbón: es el fósil más abundante. Usado principalmente en generación eléctrica. Mucha emisión de CO2.

•

Petróleo: fue el motor del Siglo XX. Estamos entrando en etapa de producción decreciente. Hay crisis ad portas.

•

Gas Natural: recurso importante. Es el más limpio de los fósiles. Presión sobre su uso será creciente.

Uno de los mayores impactos del uso intensivo de los fósiles ha sido sobre el medio ambiente.

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Desafío Energético en el Siglo XXI

La concentración de CO2 en la atmósfera es hoy la más alta en más de 450.000 años. Fuente: Mark Thorpe de datos de Oak Ridge Ntl. Labs

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Desafío Energético en el Siglo XXI

La quema de combustibles fósiles ha sido dramática en los últimos 150 años. Fuente: Mark Thorpe de datos de Oak Ridge Ntl. Labs

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En el caso del petróleo: • Muy versátil. • Alta densidad energética. Aproximadamente 10 kWh/litro. • Sencillo de transportar y almacenar. • Motores compactos y relativamente eficientes… Todo llevó a su uso intensivo.

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Brecha entre producción y descubrimiento

Esta brecha indica que nuevas reservas de hidrocarburos son cada vez más escasas. Fuente: www.aspo.net

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Desafío Energético en el Siglo XXI

Hacia mediados del 2009, se publicó en varias fuentes (The Independent UK y otros) que el informe de la IEA 2008 había manipulado cifras para disimular los problemas asociados a la disponibilidad de petróleo. Fuente: Informe IEA 2’008

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Desafío Energético en el Siglo XXI

La Universidad de Upsala (Suecia) analizó a fines de 2009 los datos del IEA “World “World Energy Outlook” y concluyó de que las cifras presentadas no eran realistas. Su nueva proyección ha sido publicada en Marzo de 2010 Fuente: Trabajo U. Upsala

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Situación Actual: La incertidumbre de producción de petróleo dará lugar a una situación muy volátil de precios. La volatilidad activada por la situación económica mundial. •

Petróleo: situación volátil, con tendencia al alza a precios cercanos a los sustitutos.

•

Gas Natural: se tenderá a ubicar a precios cercanos al petróleo por sus ventajas. Solo será más barato en lugares donde pueda llegar por gaseoducto.

•

Carbón: también su precio ha subido. Existirá creciente presión por desplazarlo por altas emisiones de CO2.

•

Energía nuclear: se usará más en países como China e India. Mayor presión sobre el escaso recurso. Costos de reactores aún demasiado elevados (sobre 7.000 euros/kW) 14

Desafío Siglo XXI: La situación ambiental y la incertidumbre con respecto a suministro de fósiles plantea el cambio fundamental a desarrollar en el Siglo XXI: •

Más energía: sin duda, en especial para países en desarrollo. Se necesita para mejorar condiciones de vida.

•

Transición a renovables: horizonte de tiempo no más allá de 50 años en que renovables pasen a ser lo fundamental en matriz energética mundial.

•

El pilar de la Eficiencia Energética: básico en cualquier contexto. Es lo que posibilita el uso de las renovables.

•

Cambios en modelo de desarrollo: aumentar radicalmente reciclaje, reutilización de recursos y reducción de desperdicios. 15

Recurso Solar Chile versus otros países…

Recurso Solar: Sin duda es el recurso energético más abundante sobre el planeta. Está en el origen de los combustibles fósiles y muchos ciclos naturales: ciclo del agua, ciclo del viento; ciclo de las corrientes marinas. Es el motor que permite la vida. De hecho somos “propulsados” por energía solar. Consumimos 2 kWh al día de energía solar de manera indirecta a través de los alimentos.

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Comparación recurso solar

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Recurso Solar: Energía solar: es radiación electromagnética que llega a la superficie terrestre desde el sol. Se caracteriza por ser:

• 

Un fenómeno cuántico. Es decir la energía llega en cuantas, que llamamos fotones.



A nivel de la tierra llega en longitudes de onda que van de los 0,3 a 2,5 µm (micrones) de longitud de onda.

A nivel de la tierra, podemos distinguir tres componentes de la radiación solar:

• •

La directa (que es la que viene del disco solar). Es la que proyecta sombra.

•

La difusa (es la que viene de las otras direcciones de la bóveda celeste). No tiene una dirección preferencial. Es mucho menor en magnitud.

•

La reflejada . Es la radiación solar que se refleja de objetos cercanos al observador (por ejemplo edificios, cerros e incluso nubes cercanas al sol).

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Espectro Radiación Solar:

En la figura vemos el espectro de radiación solar fuera de la atmósfera y a nivel del mar. Se observa además el espectro de emisión de un cuerpo negro a 5250°C (5523K). Fuente: de datos ASTM

Recurso Solar: Energía solar: fuera de la atmósfera, la intensidad de la radiación solar es de 1353 [W/m²] en un plano perpendicular a los rayos del sol. A nivel de la tierra, la intensidad depende de varios factores:

• •

• •



En primer lugar los Astronómicos. Es decir la Latitud, el día del año y la hora.



En segundo lugar del estado del cielo, en particular la nubosidad (tipo, espesor, ubicación).



En tercer lugar de otros fenómenos tales como altura, turbiedad de la atmósfera, columna de agua precipitable y otros factores menores.

Para días despejados, es muy predecible la intensidad de la radiación directa, difusa y global. A nivel terrestre, la mayor cantidad de energía cae en la banda de ±30° ° de Latitud.

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Energía Solar Radiación directa Llega directamente a la superficie

Radiación difusa Difractada por los componentes atmosféricos

Radiación reflejada Reflejada por los componentes cercanos a la zona

22

Energía Solar















Energía Solar: la energía solar es radiación electromagnética que llega en el rango entre los 0,3 y 2,5 µm (micrones). Intensidad: en un plano perpendicular a los rayos del sol la intensidad fuera de la atmósfera es del orden de 1367 [W/m²]. A nivel del suelo, la radiación directa es del orden de los 800 a 1000 [W/m²]. Cantidad: sin duda la energía solar es el recurso energético más abundante en el planeta tierra. Pronto veremos su magnitud relativa. Inconveniente: su mayor inconveniente es que es un recurso difuso, es decir tiene baja concentración por m2. En Chile los valores diarios promedio se sitúan entre los 2 y 8 [kWh/m²]. Disponibilidad: la mayor cantidad de energía solar cae sobre el planeta en la banda de latitudes entre +40º a -40º de Latitud. Comparación con otros países: Igual el recurso en Chile es muy superior a los típicos lugares de Europa o Estados Unidos. 23

Recurso Solar en bruto: Hoy día existe abundante información sobre radiación solar en plano horizontal. Por lo menos los valores medios mensuales. Las fuentes que existen son:

• 

Datos de estaciones terrestres. Se sistematizan en el World Radiation Data Center que depende de la WMO (World Meteorological Organization).



Datos de mediciones satelitales, las que se corrigen a nivel del suelo con algoritmos. Disponibles en NASA.



• • •

Diversos programas que traen bases de datos. Por ejemplo RetScreen, SAM,

TRNSYS, Meteonorm, etc.

Siempre uno debe preguntarse sobre la calidad de los datos. En efecto, para sistemas térmicos, un error de datos de un 10% puede inducir a un error de dimensionamiento de 20% o más. A continuación veamos los datos “en bruto” de seis ciudades obtenidos de Retscreen y del WRDC.

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Recurso Solar en bruto:

Estos son los datos diarios “en bruto” de Almería para el año 2004… Fuente de datos: WRDC

Recurso Solar en bruto:

Y estos los de Calama para el año 2006. De esta figura es evidente la ventaja de Calama vs. Almería (que es el mejor lugar de España). Fuente de datos: WRDC

Recurso Solar en bruto:

Tenemos tres ciudades del Hemisferio Norte y Tres del Hemisferios Sur. Es difícil comparar por las diferencias estacionales. Esto se arregla… Datos de Retscreen

Recurso Solar corregido:

Aquí simplemente ponemos en fase las estaciones. Verano con verano, otoño con otoño. Las comparaciones son más sencillas. De la figura es clara la ventaja de Chile. Santiago es mejor que Almería en España…

Energía Solar en Chile Oportunidades y Desafíos…

Energía Solar en Chile: La razón de la ubicuidad de los combustibles fósiles ha sido simple:

• •

Alta densidad energética. Un litro de diesel contiene una energía bruta de unos 10 kWh.

•

La típica radiación media incidente es de 4 a 8 [kWh/(m2día)]. Considerando las tecnologías de conversión, para generar la misma cantidad de energía se necesita unos 2 a 4 m2 de superficie de captación (y la tecnología).

•

Así que el recurso solar es difuso, y tampoco es continuo. En los lugares de Europa es bastante inferior a la mayor parte de Chile.

•

Esto explica por qué se ha desarrollado primero la energía eólica antes que la solar en gran escala.

Energía Solar en Chile: •

Pero si uno tiene la tecnología para “cosechar” adecuadamente el sol, los números obtenibles son impresionantes.

•

Y en Chile tenemos el recurso y además la necesidad de energía.

Energía Solar en Chile: Algunos números: • En el norte de Chile, 1 m2 de colector térmico puede generar al año el equivalente a 100 kg de combustible (a temperaturas bajas o medias). Esto es prácticamente el doble a lo obtenible en la mayor parte de Europa. • Para generar 2750 MWe a firme (factor de planta 0,85) se necesitan entre 4800 y 8250 Ha (según la tecnología que se utilice). • A modo de comparación Hidroaysén propone generar 2750 MW inundando 5910 Ha. • Pero sin duda es una tecnología que está en plena evolución. En pocos años más estará madura.

Estructura de esta parte… • • • •

Que ha ocurrido en el pasado. Oportunidades que existen hoy. Desafíos presentes. Aspectos tecnológicos básicos.

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Energía Solar en Chile: • Los pioneros: Siglo XIX, desalinización solar, Charles Wilson en Chacabuco. 20.000 litros/día de agua dulce con 5.000 m² de destiladores. Trabajos del Dr. Abbot en Moctezuma (cerca de Calama). Trabajos U. de Chile y U. Santa María años 50 e inicios de los 60. Primer proyecto en viviendas en 1964 (Antofagasta). • Primeras aplicaciones (74-90): desalinización; calefacción Hospital Combarbalá; cancha solar El Salvador; Hotel Copiapó, Carcel Colina; escuelas, casas. Casa solar La Ola. • Actualidad: industria incipiente. Gran variedad de oferta de equipos. Falta estandarización.

Siglo XIX: Destilador Solar: Charles Wilson

Un pionero de gran importancia fue Charles Wilson. En 1872 construyó un gran destilador solar en Las Salinas (cerca de Chacabuco), Chile. Producía más de 20.000 litros de agua dulce al día y se utilizó al menos hasta 1912. El destilador ocupaba unos 5000 m² de destiladores.

Sistemas en Chile en los Años 80

Cancha de Colectores en El Salvador Casa Solar La Ola Estos dos sistemas aún están en operación, pero la cancha de El Salvador tuvo que reemplazar colectores y estanques.

Casa Solar La Ola

En operación desde 1984, sigue operativa. Sistema pasivo

Instalación en cercanías de Cabildo:

Sistema de termosifón con 2000 litros de acumulación. Hoy debería tener sistema de captación activo.

Cancha Solar Salvador hoy

Colectores faltantes, con roturas y fallas. Los antiguos tenían superficie selectiva y vidrio templado. Los nuevos vidrio corriente

Sistema Solar Salvador hoy

Segunda casa cambios, semi operativa. Foco de área de mantención está en producción

Problemas con primeros sistemas: • En los primeros sistemas hidrónicos (con agua), usualmente se utilizó tecnología de colectores directos. Se originaron muchos problemas por incrustaciones, corrosión y congelamiento. • En los pocos casos que se diseñaron sistemas de calefacción activos, no se realizó mejora térmica necesaria. • Sistemas bien concebidos han seguido operando de manera satisfactoria. • En todos los casos se ha demostrado que adecuada mantención es clave.

Métodos de Conversión de la Energía Solar

La radiación solar propiamente tal la podemos utilizar en forma directa solo como iluminación. Si queremos aprovecharla con otros fines, típicamente la misma se debe convertir en otra forma de energía. Los tres métodos de conversión de la energía solar son:

Conversión biológica: es lo que hacen las plantas por medio de la fotosíntesis. Las hojas de las plantas (más bien su clorofila) captan los fotones de la radiación solar y aprovechan esta energía para “fabricar” productos químicos. Así absorben radiación y convierten Carbono e Hidrógeno (Carbono proveniente del CO2 e Hidrógeno proveniente del agua) en Carbohidratos, azúcares y otros compuestos (por ejemplo celulosa). Como subproducto liberan oxígeno a la atmósfera.

Métodos de Conversión de la Energía Solar

Conversión térmica: en este caso la radiación solar simplemente se transforma en calor. Es el método de conversión más sencillo que existe. Está detrás del ciclo hidrológico y el ciclo de los vientos. Pero con tecnología podemos aumentar mucho su eficacia y además lograr temperaturas de trabajo muy elevadas.

Conversión Directa: es el más reciente método de conversión de la energía solar. Consiste en transformar la misma directamente en energía eléctrica. También se conoce como fenómeno fotoeléctrico. Solo se descubrió a fines del Siglo XIX y su explicación física data de los trabajos de Albert Einstein a inicios del siglo XX (donde se introduce el concepto de fotón). La primera fotocelda práctica data recién de 1954 por el descubrimiento de los Laboratorios Bell de las celdas solares. Hoy es una real opción de generación eléctrica, con una producción mundial de celdas que supera las decenas de Megawatts de capacidad al año.

Conversión Térmica


El principio básico de funcionamiento de un sistema térmico de conversión de energía solar se basa en que existe una superficie receptora que absorbe la mayor parte del espectro solar incidente (la radiación solar en la práctica llega en longitudes de onda de 0,3 a 2,5 µm). El receptor, al calentarse, intercambia calor con el ambiente por medio de radiación, convección y conducción. Mientras mayor sea la diferencia de temperatura con el ambiente, mayores serán las pérdidas.




Al equilibrio, se tiene que:




α·τ·E = Qcond + Qconv + Qrad + Eutil

Conversión Térmica


El término de la izquierda representa la radiación absorbida. E: radiación incidente α·τ: cuociente absorción-transmisión de la radiación solar entre cubierta transparente y superficie absorbente.




α·τ·E = Qcond + Qconv + Qrad + Eutil Esta ecuación simplemente nos dice que la energía que absorbe el sistema captor (y por lo tanto está afecta a las pérdidas ópticas de transmisión y absorción), debe ser igual a las pérdidas por convección, conducción y radiación, más la energía útil.

Transferencia básica Cada una de estas pérdidas es aproximadamente igual a:

Qrad = ε ·σ ·(T − T ) 4 p

4 a

Q conv = K (T p − Ta ) Qcond =

λ e

·(T p − Ta ) 46

Tipos de sistemas estáticos:





Colectores planos: estáticos, con superficie absorbente negra o selectiva. Tamaños de 1 a 2,5 m2 por módulo. Es la tecnología más madura. Amplia variedad de productos y calidades en el mercado. Colectores de tubo evacuado: una serie de tubos en paralelo que tienen vacío dentro del envoltorio y una superficie absorbente selectiva. No toda la periferia del tubo es activa. La industria China hoy fabrica los de menor precio, pero no los de mejor calidad. Mucho fabricante europeo integra tubos evacuados Chinos a sistemas europeos.

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Tipos de sistemas estáticos:

Instalación de sistema de tubos evacuados en Viña Gracia (sur de Rengo)

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Tipos de sistemas estáticos:

Sistema con colectores planos. Superficie Selectiva. Cubierta de vidrio templado y alta transparencia. Se observa el estanque acumulador. 49

Colectores planos





En el colector plano, se tiene una superficie captora que a la vez está recubierta de una superficie transparente para reducir las pérdidas térmicas por el frente. Esta típicamente aprovecha el efecto invernadero. Antes comprendamos como funciona una superficie negra expuesta al sol:

50

Colectores planos








En el efecto invernadero la superficie de vidrio absorbe la radiación en onda larga que emite la placa absorbente y la vuelve a emitir por ambas caras. Lo que se reemite hacia el fondo se vuelve a absorber, con lo cual las pérdidas por radiación se reducen a la mitad. El efecto neto es que es posible alcanzar mayores temperaturas antes de que las pérdidas térmicas igualen la ganancia solar 51

Colectores planos





La cubierta transparente permite reducir las pérdidas por convección hacia el exterior y las pérdidas por radiación. Si aislamos el fondo y costados, además se reducen las pérdidas por conducción. En este caso el mecanismo dominante de pérdidas para temperaturas altas de receptor pasa a ser la

radiación. 52

Colectores planos








En los típicos sistemas planos, uno actúa sobre la parte derecha de la ecuación, es decir todas las mejoras técnicas buscan reducir las pérdidas térmicas de manera de maximizar la energía útil. Es así como se han desarrollado colectores con cubierta plana, mejores superficies absorbentes, superficies selectivas y muchas otras estrategias para reducir las pérdidas de energía. Pero en cualquier sistema plano no podemos desmarcarnos del hecho de que la radiación incidente sobre el sistema captor será, en el mejor de los casos, del orden de 1.000 [W/m2] y que por cada metro cuadrado de sistema captor vamos a tener un metro cuadrado de sistema receptor. Con las técnicas más sofisticadas de reducción de pérdidas térmicas, en la práctica no podremos fabricar sistemas que operen con rendimiento aceptable a temperaturas muy superiores a los 100ºC. 53

Colectores planos














Es muy diferente calentar agua (que se usa a 45ºC) a calentar agua para calefacción (que se usa a 60 a 65º). En el caso del agua caliente sirve toda la energía captada por sobre la temperatura del agua de la red. En cambio para calefacción, solo sirve el calor captado sobre unos 50ºC. Además las magnitudes son muy diferentes. Para agua caliente se necesitan unos 20 kWh/día, pero para calefacción se necesita unas 5 a 10 veces más para la típica construcción en Chile. Además la demanda de calefacción ocurre en la época de menor radiación solar (para gran parte del país).

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Colectores planos El colector plano se caracteriza por una curva de rendimiento que se obtiene para condiciones standard. Aquí con 1000 W/m2 de insolación. Escoger una tecnología u otra dependerá más que nada de costos en este caso…

Colectores Solares 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

0 12

0 11

0 10

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

0




(Tm-Ta) Apricus

SunRay

Select

Negro

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Colectores planos Ahora con 600 W/m2 de insolación. Con menos radiación, el colector negro aún es aceptable para agua caliente, pero no sirve para calefacción convencional.

Colectores Solares 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

(Tm-Ta) Apricus

SunRay

Select

0 12

0 11

0 10

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

0




Esta radiación corresponde a día despejado de invierno para Santiago.

Negro

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Colectores planos Y en este caso, tenemos los mismos colectores, pero con insolación de solo 300 W/m2 Este corresponde a día nublado de invierno. Los rendimientos son aceptables para agua caliente (para los colectores selectivos) pero muy bajos para calefacción…

Colectores Solares 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

0 12

0 11

0 10

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0 0




(Tm-Ta) Apricus

SunRay

Select

Negro

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Colectores planos en Calefacción Si se desea realizar calefacción usando energía solar, se deben tomar algunas precauciones indispensables: •

•

•

•

La construcción debe estar muy bien aislada para reducir la demanda al máximo. El sistema de entrega de calor debe ser de baja temperatura. Son aceptables losas radiantes a baja temperatura (si se usa agua) o sistemas que usen aire como medio de trabajo en el colector. La acumulación debe (en lo posible) ser en gran parte en la masa de la construcción. En el norte de Chile existe oportunidad, pues se da la paradoja de mucha radiación solar y temperaturas ambiente muy bajas.

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Colectores de tubo evacuado


El caso mejor es con receptor de tubo evacuado y superficie selectiva: El vacío minimiza las pérdidas por convección y conducción y la superficie selectiva de los tubos minimiza las pérdidas por radiación.

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Tipos de colectores

Colector plano y colectores de tubo evacuado 60

Sistema Termosifón:

Se separa la función acumulador del colector. Se guarda agua de un día a otro. Mayor costo. Se debe tomar precauciones en instalación 61

Sistemas de Termosifón: Si uno separa el colector del estanque y monta el estanque más alto que el colector, puede tener un sistema que opera por termocirculación. Es simple y efectivo. Tiene, eso sí, algunos inconvenientes:







Al hacer circular el agua de servicio directamente por el colector, pueden ocurrir incrustaciones, corrosión y otro tipo de fallas en los colectores. El sistema está más expuesto al riesgo de congelamiento. La mantención debe ser más cuidadosa. Pero para climas benignos, con buena calidad de agua, es sin duda una opción viable.

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Sistemas de Termosifón

Sistema de termosifón con 2000 litros de acumulación 63

Esquema de sistema indirecto

Mejores características. Mayor costo. 64

Posibles Aplicaciones Para sistemas térmicos:
Mientras menor sea temperatura de ingreso de fluido al sistema, mejor será la eficiencia de conversión.
Mientras más grande es el ∆T utilizable, mejor es la eficiencia de conversión.
Mientras más ahorro de acumulación, menor será la inversión.
El criterio básico es que sistema se amortice lo más rápido posible.
Un buen sistema de control es clave. En caso de error se puede desperdiciar el 50% de la energía recibida.

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Posibles Aplicaciones

Sistema parte si T1-T2 > 5 [ºC] Sistema para si T1-T2 < 2 [ºC] El sistema de control también sirve para evitar el congelamiento de las cañerías del sistema, luego cuando T1=2 [ºC], el sistema parte para hacer circular el fluido.

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Edificios como sistemas…

Captor

Si los flujos de energía entre componentes se debe a gradientes naturales, el sistema es Pasivo…

Consumo

Acumulador

Si los flujos de energía entre componentes se debe a motores, bombas u otros, el sistema es Activo…

Casa Solar La Ola

En operación desde 1984, sigue operativa. Sistema pasivo. Los sistemas pasivos tienen la ventaja de ser muy durables

Casa Solar la Ola

Otro mito dice que los muros Trombe no pueden tener ventanas. Falso…

Edificio Solar XXI

Edificio Solar XXI Lisboa, Portugal

Inercia Térmica y Capacidad Térmica





En este párrafo abordaremos el tema de inercia térmica, oscilación térmica exterior y como la masa térmica tiene influencia en el comportamiento de las viviendas y edificios. Lo dividiremos en los siguientes puntos:













Capacidad térmica de materiales: en particular de los más usuales en construcción. Hormigón, albañilerías, agua y otros. Oscilación térmica exterior: como varía la temperatura ambiente externa. Grados día: y el comportamiento de la estructura. Capacidad térmica y retardo térmico: como la capacidad térmica influye en el comportamiento del recinto. Ganancias solares: como se pueden aprovechar. Conclusiones: generales del párrafo.

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Inercia Térmica





El efecto de la inercia térmica en las estructuras es que amortiguan y retardan la oscilación térmica exterior. Además si hay ganancias internas, también las mismas son amortiguadas por efecto de la inercia térmica. T_int

T_ext

72

Inercia Térmica


Una estructura con alta inercia, va a amortiguar y retardar la ganancia interna y amortiguar la oscilación térmica exterior.

T_int

T_ext

73

Capacidad Térmica de Materiales




Hay dos valores básicos:
Capacidad térmica: cantidad de calor que pueden almacener o ceder en función de un ∆T fijo.
Difusividad térmica: facilidad para conducir el calor.

En la siguiente Tabla se entregan algunos valores de materiales usuales. Están expresados por unidad de masa y por unidad de volumen. 74

Valores de Capacidad Térmica Material

Densidad

Conductividad

[W/(m° °C)]

[kg/m3] Tablero Yeso

Cap.Term

Cap.Term

kJ/(kg° °C)

kJ/(dm3° °C)

800

0,12

1,21

0,97

Acero

7600

45,3

0,5

3,80

Acero Inox

7680

15,6

0,46

3,53

Estuco Cemento

1860

0,72

0,84

1,56

Piedras

2600

4

0,84

2,18

Ladrillo barro cocido

1920

0,9

0,79

1,52

Concretos con grava o piedra

2400

2,6

0,84

2,02

500

0,12

1,63

0,82

1000

0,58

4,187

4,19

Maderas blandas Agua

75

Capacidad Térmica












Para entender como aplicar esto de manera simple, primero hay que tener en cuenta órdenes de magnitud de energía necesaria para calefaccionar vivienda y los grados día. Esto se explicará a continuación: El Factor de pérdida volumétrico es G (incluyendo ventilación). Supongamos un caso de vivienda con G=1,5 [W/m3° [W/m3 °C] y volumen de 250 [m3]. La pérdida total será de: P=1,5x250 = 375 [W/° [W/°C] 76

Capacidad Térmica Suponer ahora que se desea mantener 18° 18°C como media interior y afuera la temperatura media sea de 8° 8°C.
La energía necesaria para calefacción sería: E = 375x(18375x(18-8) [W/° [W/°C]x[ C]x[° °C]x[día] 1 día = 86.400 [s] => E =375x10x86.400 = 324.000.000 [J] E = 324 MJ 1 kWh = 3,6 MJ E = 90 kWh Solo para ese día. Si en el lugar, durante el mes se acumularan unos 150 °C-día, la energía requerida sería: E = 375x150 [W/° [W/°C]x[ C]x[° °C-día] E =56.250 [W[W-día] E = 4.860 [MJ] = 1.350 [kWh]


Esto es un promedio de 45 kWh cada día.

77

Capacidad Térmica


Si el piso fuera una losa de 12 cm de espesor y pudiéramos hacer que la temperatura de la misma oscile 6° 6°C en total, la capacidad de acumulación de calor de 100 m2 de losa sería: E = 100x0,12x2,02x1000x6 [kJ] E = 145.440 kJ = 40,4 kWh

Esto significa que en la estructura misma de la construcción hay capacidad suficiente para absorber gran parte de la demanda diaria de energía. Siempre que la construcción tenga suficiente masa. En caso contrario:




O se agrega capacidad de acumulación adicional. O se suple la demanda por calefacción. O se mejora la aislación.

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Capacidad Térmica


Si no existe la capacidad de acumulación de calor (construcción liviana):



O se suple la demanda por calefacción. O se mejora la aislación.

En cualquier caso la capacidad térmica amortigua las oscilaciones de temperatura y permite aprovechar al máximo los flujos naturales de energía. Pero no es trivial aprovecharla bien. 79

Capacidad Térmica





Este mismo análisis de la capacidad térmica muestra también por qué conviene dejar la aislación térmica por fuera de la estructura. Así la masa o capacidad térmica queda dentro y podemos aprovechar su oscilación térmica internamente. En cambio si la aislación queda por dentro:



Se pierde la ventaja de la oscilación térmica de esa masa. Se corre el riesgo de que exista condensación entre aislación y muro.

Recuerden: siempre existe mayor cantidad de vapor de agua donde hay más temperatura. 80

Calefacción… Solo por mejoras térmicas es posible disminuir la demanda térmica de casas o edificios a menos de 1/3 de lo que para nosotros es habitual. Con los costos actuales de combustibles, hoy día el costo de calefacción pasa a ser un número relevante del costo de la vivienda.

81

Calefacción… El ideal es vivienda o edificio con la masa térmica dentro del espacio a climatizar y la aislación por fuera. Esto evita problema de condensaciones, hongos y otros. Debe, en lo posible, utilizarse ventanas de termopanel para climas como el de Santiago o más fríos. Debe controlarse de manera cuidadosa las infiltraciones. Esto significa barreras de vapor. Debe controlarse las pérdidas/ganancias por radiación. Esto implica el uso de barreras radiantes y control de la fenestración. 82

¿Y como se puede producir bloques tan grandes de energía? Usando tecnología alternativas:: alternativas

solar

existen

al

menos

cuatro

•Sistemas cilindro parabólicos, similares a ANDASOL o Nevada Solar One. One. •Sistemas Fresnel Fresnel:: más sencillos, menor costo costo.. •Sistemas de Torre Central. Central. Mayor temperatura de trabajo, mejor rendimiento. rendimiento. •Sistemas con motor Stirling: Stirling: modulares, no necesitan agua. agua.

gran

eficiencia,

•Sistemas FV con concentración: concentración: muy buena eficiencia, no necesitan agua. agua. 83

Sistemas de Cilindro Parabólicos

84

Sistemas de Cilindro Parabólicos Ventajas -Tecnología madura, plantas SEGS en EEUU han funcionado por más de 25 años aproximadamente. 350 MW en operación. -Soluciones disponibles comercialmente, ha disminuido el riesgo tecnológico y comercial. -Se han invertido altas sumas de dinero en I+D. Desventajas -Temperatura de operación limitada por el fluido calotransportador. Actualmente los aceites térmicos utilizados se degradan sobre los 400 oC -En aplicaciones eléctricas, el bloque de potencia requiere de gran cantidad de agua para refrigeración. -Está alcanzando el límite de desarrollo. 85

Sistemas de Cilindro Parabólicos País

Colector Cilindro Parabólico Plantas en Plantas en operación construcción [MW] [MW]

Estados Unidos España Grecia Egipto Marruecos Algeria Italia China Israel Jordan UAE Irán India México

433,8 200 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 1350 50 40 30 25 5 0 0 0 0 0 0 0

Plantas en estudio [MW] 3717 2365 0 0 0 225 460 251 350 135 100 67 30 30

Fuente: Publicación CSP Today.

86

Centrales Andasol

Centrales Andasol 3x50 MWe con acumulación

Centrales Andasol

Centrales Andasol 3x50 MWe con acumulación

Centrales Andasol

La misma central en Chile produciría al menos 30% más energía

Nevada Solar One

Excelente tecnología, muy confiable. Adecuada para producir durante el día. Sí usa agua enfriamiento y limpieza

Colector Fresnel lineal

Menor costo, pero tecnología menos madura. Límites ópticos similares a Cilindro parabólico. En sistemas lineales, límite de concentración cercano a 100

Colector Fresnel lineal Ventajas - Componentes simple, bajo costo de fabricación - Absorbedor está fijo, por lo que el sistema no requiere juntas de dilatación - Estructura liviana debido a menores cargas de viento - Sistemas más compactos, mejor uso de tierra. Desventajas - Bajo desarrollo, poca inversión en I+D y pocos proyectos en operación. - Menor eficiencia de conversión.

Colector Fresnel lineal Colector Fresnel Lineal Plantas en operación

Plantas en construcción

Plantas en estudio

[MW]

[MW]

[MW]

Estados Unidos

10

0

354

España

1,4

0

45

Australia

38

10

250

India

0

0

5

Portugal

0

0

6,5

País

Fuente: Publicación CSP Today.

Otras aplicaciones Además de la generación eléctrica, estor equipos (colector cilindro parabólico y colector fresnel lineal) se pueden utilizar para: •Aire acondicionado y calefacción •Desalinización •Vapor industrial •Agua caliente sanitaria (en grandes volúmenes, como recinto penitenciario) •Agua caliente para procesos •Cogeneración, se sacrifica eficiencia del ciclo de generación eléctrica pero se aprovecha de mejor forma el calor residual

Sistemas de Torre Central

95

Sistemas de Torre Central Ventajas - Cada vez más desarrollada. - Múltiples modos de funcionamiento -Altas razones de concentración, lo que implica mayores temperaturas y mayor eficiencia - Posibilidad de trabajar con ciclo Rankine y ciclo Brayton (que es el mismo de las turbinas a gas) Desventajas - Alto riesgo de inversión - Faltan datos sobre confiabilidad -En desarrollo materiales que soporten las altas temperaturas alcanzadas en el receptor. Temperatura de operación limitada por resistencia de los materiales existentes. 96

Torres Solares

Helióstatos y cáustica

Torres Solares

Helióstatos

Torres Solares: concepto e-solar

Helióstatos pequeños, sistemas replicables

Sistemas de Motor Stirling En sistemas de concentración puntual el límite de concentración es cercano a 10.000

100

Sistemas de Motor Stirling Esta tecnología tiene las siguientes carácterísticas: carácterísticas: •Son modulares de pequeña potencia (30 a 50 kWe por unidad). •La electricidad se genera en cada unidad. No hay pérdidas térmicas •Concentración teórica máxima en torno a 10.000, temperaturas de trabajo sobre 1000ºC. •Se usa ciclo Stirling que podría alcanzar el rendimiento de Carnot . •Solo se necesita agua para limpieza de espejos. •Conceptualmente sencillos. •Elementos replicables. 101

Sistemas Stirling

Sistemas Stirling de tipo Euro Dish 102

Sistemas Stirling

Sistemas Stirling de tipo Euro Dish

Sistema solar con motor Stirling para generación eléctrica. 20 kW kWpotencia potencia (Pirineos Franceses) 104

Sistemas de CPV (Concentrating Photovoltaic) Esta tecnología tiene las siguientes carácterísticas: carácterísticas: •La energía solar se concentra sobre celdas FV. Esto aumenta la producción por unidad de celda. •La electricidad se genera en cada unidad. No hay pérdidas térmicas •Se puede trabajar con celdas de muy alta tecnología y rendimiento. •No se necesita agua de refrigeración. •Solo se necesita agua para limpieza de espejos. •Conceptualmente sencillos.

105

Sistemas CPV

Sistemas CPV Skyline(celdas PV normales 10x de concentación) 106

Sistemas CPV

Sistema SolFocus. Concentración 300x, rendimiento sobre 25%. Potencial alcanzar 30 a 40%

Sistemas CPV

Sistema SolFocus. Concentración 300x, rendimiento sobre 25%. Potencial alcanzar 30 a 40%

Generación FV distribuida La tecnología se ha ido desarrollando desde hace más de 40 años. Actualmente: •Sistemas distribuidos: existen centenares de miles instalados en Europa y USA. Permite reforzar redes eléctricas, en especial en el caso de alta demanda de verano. •Costos: Actualmente los paneles están en torno a los US$4 el Watt nominal en Chile. Costo de sistema un 50% superior •Acumulación de energía: la necesidad de vehículo eléctrico está produciendo grandes avances en acumulación de energía. No olvidar los Supercondensadores. •Costo de generación: en el caso de Chile, se puede generar energía eléctrica a un costo igual o menor al que le cuesta la energía al usuario.

109

El Sistema Fotovoltaico Control y

Módulos

Acondicionamiento

Carga

De Potencia

Acumulación de energía

Un sistema fotovoltaico tiene algunos componentes que son básicos. Veamos cuales son: En primer lugar los paneles o módulos donde se convierte la energía solar en electricidad. Luego un sistema de acumulación de energía para almacenar esta para el momento en que se necesite. Luego un sistema de control y acondicionamiento de potencia. Este sirve para evitar sobrecargas o bien descargas profundas en baterías. Además puede ser más “inteligente” aún. 110

Solar

Sistema solarsolar-eólico en San José de Maipo. 150 kWh/mes kWh/mes de producción 111

Casa con sistema integrado a red

En Alemania hay más de 500.000 casas que funcionan así… 112

Resumen Tecnología Solar Activa •Agua caliente sanitaria: probada y económica. Desafíos van por el lado de bajar costos instalación y tener personal capacitado. •Calefacción solar: sistemas activos se justifican en solo pocos casos (Norte de Chile). En general la mejor opción es optimización térmica y sistemas pasivos •Centrales solares: tecnología en plena evolución. Está en nivel similar a lo que era la energía eólica hace 15 años. No está claro cual tecnología puede ser más atractiva. •Sistemas FV distribuidos: gran avance en sistemas y precios. Es competitivo con costo final para el usuario. Falta bajar costos para generación en gran escala. 113

Aplicación regional Requerimiento energético: Iquique, y otros lugares Vivienda 20 departamentos, 50 litros por ducha. 16 Colectores planos Rendimiento caldera GLP: 80% Requerimient Convencional o energético GLP

Solar GLP

% Aporte Solar

[kg/año] 3570 3303 4896 4146 4530

[kg/año] 962

% 73

Iquique Calama Santiago Temuco

[kWh/año] 38200 39.200 52.300 44.300 48.400

1027 522 931 1516

72 89 78 67

Madrid Paris Freiburg Roma

44.300 48.500 49.200 42.300

4150 4536 4600 3959

1360 2373 2445 1000

67 48 47 75

Arica

215 [kg GLP/año], lo que implica más de 200.000 $/año. No abordable para muchas familias de escasos recursos.

114

Aplicación regional Integración energía solar Un sistema solar de 2 m2 con todos sus componentes puede costar entre $ 400.000 y $ 800.000, según proveedor. Ley 20.235  establece franquicia tributaria para colectores solares en viviendas nuevas. Beneficio hasta el año 2013, válido a través de constructoras. Cobertura total con tope de 31 UF para viviendas hasta 2.000 UF. Art. 14 incluye viviendas sociales existentes. Se espera gran desarrollo del mercado!!!!!!!!! Disminución de costos Producción local Sistema de certificación de equipos 115

Aplicación regional Integración energía solar Sistema de 2 m2. Características Colector no

0,7

a1

4,1

Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre

W/m2K

Radiación Curicó

Rend colector

Producción colector

[MJ/m2 mes]

%

[MJ/mes]

633,33 630 629,3 465,12 319,176 230,46 301,32 372,372 468,27 567,424 618,24 655,371

0,70 0,69 0,69 0,68 0,66 0,64 0,65 0,66 0,68 0,68 0,69

915 813 699 438 259 172 234 330 495 700 865

0,69

972

Ahorro equivalente a 120 [kg GLP]

116

Aplicación regional Integración energía solar Un sistema solar de 2 m2 con todos sus componentes puede costar entre $ 400.000 y $ 800.000, según proveedor. Ley 20.235  establece franquicia tributaria para colectores solares en viviendas nuevas. Beneficio hasta el año 2013, válido a través de constructoras. Cobertura total con tope de 31 UF para viviendas hasta 2.000 UF. Art. 14 incluye viviendas sociales existentes. Se espera gran desarrollo del mercado!!!!!!!!! Disminución de costos Producción local Sistema de certificación de equipos 117

Aplicación regional Oportunidades Desarrollo de capacidades locales. Nuevos trabajos, integración del conocimiento local. Es necesario integrar el capital humano local para mantener los sistemas. Competencia laboral Son las “aptitudes, conocimientos y destrezas necesarias para cumplir exitosamente las actividades que componen una función laboral, según estándares definidos por el sector productivo.” Es independiente de cómo se obtiene dichas competencias. (Estudios, traspaso de conocimientos)

118

Aplicación regional Oportunidades Levantamiento de competencias Instalador solar Técnicas de soldadura Técnicas de construcción Conocimientos de instalaciones de gas Conocimientos de sistemas hidráulicos Conocimientos de sistemas solares. Gásfiter OK Técnicas de soldadura OK Técnicas de construcción Conocimientos de instalaciones de gas OK OK Conocimientos de sistemas hidráulicos Conocimientos de sistemas solares. MAL

Necesidades de capacitación!!! 119

Aplicación regional Oportunidades Estas necesidades son transversales a todas las ERNC, a medida que se desarrolla el mercado es necesario desarrollar el capital humano necesario para que las instalaciones sean eficientes. Sistemas solares tienen vida útil sobre 20 años. Mercado de energía solar creciente, gran oportunidad laboral en la zona y gran oportunidad de mejorar calidad de vida en nuevas viviendas, especialmente en aquellas que no poseen sistemas para calentamiento de agua.

120

Aplicación regional Industria Energía solar puede ser aplicada en procesos térmicos industriales. •Precalentamiento de agua •Sanitización •Cocción de alimentos Fundamental: tener tecnologías compatibles para aprovechar al máximo la energía solar disponible. Ejemplo: Caldera modular. Se fija temperatura de operación de caldera y ésta entrega sólo el diferencial de energía requerida. Agua red invierno: 9 ºC. Con aporte solar: 25 ºC Requerimiento: 10000 litros diarios a 60 ºC

121

Aplicación regional Industria

Área Inversión Inversión Consumo anual Ahorro anual

120

m2

400.000 48.000.000 19.465 18.491.532 8.119

$/m2 $

7.713.173

950 $/kg GLP, optimista 6 años aproximadamente

[kg GLP] $ [kg GLP] $

122

Colector de Aire para Calefacción

123

Colector de Aire para Calefacción Para Proyecto Huatacondo

124

Colectores de Agua de bajo costo zona de Topocalma

125

Colectores de Agua de bajo costo zona de Topocalma

126

¡Muchas Gracias!

12 7