Actividad 10 Energía Solar Térmica - MARIO ALAN DIAZ LOPEZ

Vista previa del material en texto

Universidad de Guadalajara. 
Centro Universitario de Ciencias Exactas e 
Ingeniería. 
Ingeniería Mecánica Eléctrica. 
División de Ingenierías. 
Fuentes Alternas de Energía. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Actividad 10. Energía Solar Térmica. 
 
 
Díaz López Mario Alan. 
 
Profesor: 
López Ornelas Armando. 
 
 
 
Las primeras nociones que se tienen de lo que en la actualidad se llama suelo radiante datan de 
aproximadamente 3.000 años de antigüedad, pero fueron los romanos en el siglo I a. C. los que 
importaron esta técnica desde Anatolia (Turquía). 
En la península Ibérica, existen viviendas llamadas glorias que utilizaban la técnica romana de 
hipocausto en la que los gases calientes que se producían en un hogar situado en una planta más 
abajo eran reconducidos a través del suelo para caldear la habitación o termas, si eran baños 
públicos, esta técnica fue mejorada por los árabes durante su época de estancia en España para 
dar calor a sus baños públicos al igual que en las termas romanas. 
 
Figura 1. Hipocausto de una vivienda Romana. 
 
5.3. Origen de la energía solar térmica. 
El Sol es el origen de la energía solar y de las otras fuentes renovables de energía. Esta estrella 
es un enorme reactor de fusión nuclear que transforma parte de su masa en energía de acuerdo 
con la ecuación de Einstein, E = (𝑚)(𝑐2), donde E es la cantidad de energía liberada cuando 
desaparece la masa m; c es la velocidad de la luz. 
De la enorme cantidad de energía que emite constantemente el Sol, una parte llega a la 
atmósfera terrestre en forma de radiación solar (Figura 5.7). De ella, el 16% es absorbida por la 
estratosfera y la troposfera y el 22,5% por el suelo; el 4% es reflejada directamente al espacio 
desde el suelo. 
La atmósfera difunde el 17,5% de la radiación, de la cual el 10,5% es absorbida por el suelo y 
el 7% regresa al espacio exterior. Las nubes reflejan al espacio exterior un 24%, absorbiendo 
un 1,5% y enviando al suelo, como radiación difusa, el 14,5%, que es absorbido por el mismo. 
Así pues, el 47,5% de la radiación llega efectivamente a la superficie de la Tierra por tres vías: 
 
 
Radiación directa: Es la radiación que incide sobre los objetivos iluminados por el sol sin 
haber interaccionado con nada y sin cambiar de dirección (es la más importante en un día 
soleado). 
Radiación difusa: Es una radiación que incide indirectamente, como reflejo de la radiación 
solar que es absorbida por el polvo y el aire (es la radiación típica de los días nublados). La 
difusión se produce al desviarse los rayos solares, debido a las partículas sólidas y las moléculas, 
como el vapor de agua, que existen en la atmósfera. 
Radiación reflejada o albedo: Es la radiación procedente de la reflexión de la radiación directa 
en los elementos del entorno (es importante cerca del mar y de las zonas con nieve). 
 
Figura 2. Componentes de la radiación solar. 
 
5.4. Potencial de la energía solar térmica. 
Puede estimarse que la emisión solar total al espacio, asumiendo una temperatura del Sol de 
5.760 K, es de 3,84x1026 W. No obstante, solo una diminuta fracción de ella es interceptada por 
la Tierra, debido a que la energía recibida es inversamente proporcional al cuadrado de la 
distancia al Sol (150 millones de kilómetros). 
Esta cantidad se reduce hasta aproximadamente 900 W/m2 cuando atraviesa la atmósfera y 
llega al suelo. 
La distribución de la energía solar que llega a la Tierra no es uniforme. En la caracterización de 
la radiación solar incidente en la Tierra, con el objeto de estimar el potencial solar, intervienen 
diversos factores. Entre estos factores pueden señalarse: 
• Las condiciones climatológicas, que influyen en el grado de nubosidad, la turbidez 
atmosférica, viento predominante, etc. 
• Época del año. 
• La latitud del lugar. 
• Orientación de la superficie receptora. 
 
 
 
 
Figura 3. Movimiento elíptico de la tierra alrededor del sol. 
Medición. 
Para muchas aplicaciones prácticas, no basta con calcular la radiación teórica que incide sobre 
un lugar o sobre un equipo solar determinado. Es necesario hacer las mediciones, para tener los 
valores efectivos de energía disponible o incidente sobre un colector. 
Para medir la radiación solar que llega en cada momento a un lugar determinado se utilizan 
diversos aparatos. Entre ellos se pueden señalar los piranómetros, que miden la radiación global 
(directa más difusa) (W/m2) y los pirheliómetros que miden la radiación directa. 
 
Figura 4. Piranómetro. 
 
Figura 5. Tipos de pirheliómetros. 
 
 
5.4.2. Coordenadas Solares. 
Para poder localizar correctamente la posición del sol con respecto de un observador situado en 
la Tierra, se va a suponer para facilitar la comprensión del sistema anteriormente descrito, que 
es el sol el que se mueve alrededor de la Tierra. 
para situar una instalación solar correctamente es necesario conocer los ángulos más 
importantes de posición del sol y de los captadores. Para poder manejarse en este apartado se 
mencionan a continuación unas definiciones necesarias para ubicar correctamente las 
coordenadas, que luego se utilizarán: 
• Ángulo acimutal o acimut (Ψ, A): Es el ángulo formado por la proyección sobre la 
superficie horizontal del lugar, de la recta sol-Tierra, con respecto a la recta Norte-Sur 
terrestre. En el hemisferio norte se mide hacia el Sur y es positivo hacia el Oeste, siendo 
todo lo contrario para el hemisferio sur. 
• Ángulo o distancia cenitales (θz, θ): Es el ángulo que forma la línea Sol-Tierra con la 
vertical del lugar, su complementario es la altura solar (a, h). 
• Altura solar (α, h): Es el ángulo formado por la recta Sol-Tierra respecto al plano que 
contiene a la superficie del lugar. La altura se establece por tanto si se traza un cuarto 
de círculo entre el cénit y el punto de salida del Sol, y pasando por éste. 
• Ángulo de inclinación de la superficie captadora (β): Definido como el ángulo que 
forma el plano que contiene a la superficie captadora con el plano horizontal 
– Acimut del panel (γ): ángulo de desviación del plano que contiene a la superficie captador 
con respecto a la recta Norte-Sur terrestre. Sigue las mismas reglas que para al ángulo acimutal. 
– Cénit: punto del hemisferio celeste superior al horizonte, corresponde al punto de la vertical 
del observador en la superficie. 
– Nadir: punto opuesto de la esfera celeste al cénit. Si se une el punto sur del lugar de 
observación con el cénit se obtiene el meridiano celeste. 
5.4.3. Estimación de sombras. 
Uno de los problemas que se presenta a la hora de instalar un sistema de captación solar térmico 
o fotovoltaico es el de ubicar en la medida de lo posible dicho sistema en un lugar carente de 
sombra alguna. 
 
Figura 6. Algunos ángulos significativos. 
 
 
Como ejemplo, si tenemos un objeto de altura (h) en un lugar de latitud (L), estando el sol en 
unas coordenadas geométricas dadas por su altura solar (a) y por su acimut (t) la longitud de la 
sombra (d) proyectada sobre la línea Norte-Sur (Figura 5.18), vendrá dada por la fórmula: 
𝑑 = (ℎ) (
cos𝜓
tan𝛼
) 
 
Figura 7. Sombra que se proyectó por algún obstáculo. 
 
Tecnología de conversión térmica, que absorbe la energía solar y la transforman en calor. 
Mediante esta tecnología es posible también obtener indirectamente electricidad mediante la 
transformación del calor con una máquina termodinámica. 
Tecnología de conversión eléctrica, que permite la transformación directa de la energía solar 
en energía eléctrica. 
La energía térmica captada puede utilizarse de forma pasiva o activa. 
Energía solar pasiva. 
La energía solar pasiva se aprovecha mediante el acondicionamiento pasivo de los edificios 
siguiendo las pautas de la llamada arquitectura bioclimática. 
Es decir, diseñando los edificios (materiales y tipos de cerramientos, orientación del edificio y 
ventanales, colores, tipos de cubiertas,etc.) de manera que aprovechen óptimamente las 
condiciones ambientales del entorno, (entre las que se encuentra la energía solar disponible), 
para disminuir el consumo de energía convencional sin renunciar a los niveles de confort 
demandados. 
 
 
 
Figura 8. Bioclimática. 
Energía solar activa. 
La tecnología utilizada en la captación de la energía solar térmica de forma activa se puede 
clasificar, en función del margen de temperatura que se requiera, en tecnologías de: 
Baja temperatura (T < 90 ºC). 
Media temperatura (90 ºC < T < 400 ºC). 
Alta temperatura (T < 400 ºC).