+ All Categories
Home > Documents > [] Energia Solar Termica(BookFi.org)

[] Energia Solar Termica(BookFi.org)

Date post: 24-Nov-2015
Category:
Upload: juseverck-junior
View: 116 times
Download: 21 times
Share this document with a friend
Popular Tags:
161
EDICIONS UPC
Transcript
  • EDICIONS UPC

  • EDICIONS UPC

  • ENERGA SOLAR TRMICAPublished by ATARAXIAINC 111 III World Street Hoboken, NJ 07030-5774 Copyright 2006 by Ataraxiainc, Bogota, Chibchombia Published by Ataraxiainc, Bogota, Chibchombia Published simultaneously in the Earth planet All parts of this publication may be reproduced, stored in a retrieval system or transmitted in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording, scanning or otherwise, except as no permitted under Sections of the Copyright Act, without either the prior written permission of the Publisher, or authorization through payment of the appropriate per-copy fee to the Copyright Clearance Center, 2*2 Rosewood Drive, Danvers, MA 0+-23, (978) 75.-84/*00, fax (9%) 646-/600. Requests to the Publisher for permission should be addressed to the Legal Department, Ataraxiainc, Bogota, Chibchombia e-mail: [email protected]. Trademarks: ATARAXIAINC LIMIT OF LIABILITY/DISCLAIMER OF WARRANTY: THE PUBLISHER AND THE AUTHOR MAKE NO REPRESENTATIONS OR WARRANTIES WITH RESPECT TO THE ACCURACY OR COMPLETENESS OF THE CONTENTS OF THIS WORK AND SPECIFICALLY DISCLAIM ALL WARRANTIES, INCLUDING WITHOUT LIMITATION WARRANTIES OF FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. NO WARRANTY MAY BE CREATED OR EXTENDED BY SALES OR PROMOTIONAL MATERIALS. THE ADVICE AND STRATEGIES CONTAINED HEREIN MAY NOT BE SUITABLE FOR EVERY SITUATION. THIS WORK IS SOLD WITH THE UNDERSTANDING THAT THE PUBLISHER IS NOT ENGAGED IN RENDERING LEGAL, ACCOUNTING, OR OTHER PROFESSIONAL SERVICES. IF PROFESSIONAL ASSISTANCE IS REQUIRED, THE SERVICES OF A COMPETENT PROFESSIONAL PERSON SHOULD BE SOUGHT. NEITHER THE PUBLISHER NOR THE AUTHOR SHALL BE LIABLE FOR DAMAGES ARISING HEREFROM. THE FACT THAT AN ORGANIZATION OR WEBSITE IS REFERRED TO IN THIS WORK AS A CITATION AND/OR A POTENTIAL SOURCE OF FURTHER INFORMATION DOES NOT MEAN THAT THE AUTHOR OR THE PUBLISHER ENDORSES THE INFORMATION THE ORGANIZATION OR WEBSITE MAY PROVIDE OR RECOMMENDATIONS IT MAY MAKE. FURTHER, READERS SHOULD BE AWARE THAT INTERNET WEBSITES LISTED IN THIS WORK MAY HAVE CHANGED OR DISAPPEARED BETWEEN WHEN THIS WORK WAS WRITTEN AND WHEN IT IS READ. For general information on our other products and services or to obtain technical support, please contact our Customer Care Department within the ($=$(%&/&)%$=, outside the U.S. at =$(%(%$$__(/$--$)($, or fax |@##43@#. Ataraxiainc also publishes its books in a variety of electronic formats. Some content that appears in print may not be available in electronic books. Library of Congress Control Number: -!$&$+-+)=(%/ ISBN: !?=)$(%/&-/+* Manufactured in the Chibchombian World 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 2O/QW/RQ/QU/IN

  • Mart Rosas Casals

    Energia solar trmica

  • Primera edicin: febrer de 2001

    Diseo de la cubierta: Edicions UPC

    els autors, 2001 Edicions UPC, 2001 Edicions de la Universitat Politcnica de Catalunya, SL Jordi Girona Salgado 31, 08034 Barcelona Tel. 934 016 883 Fax. 934 015 885 Edicions Virtuals: www.edicionsupc.es e-mail: [email protected]

    Produccin: CPDA Av. Diagonal 647, ETSEIB, 08028 Barcelona

    Depsito legal: B-ISBN: 84-8301-

    Quedan rigurosamente prohibidas, sin la autorizacin escrita de los titulares del copyright, bajo las san-ciones establecidas en las leyes, la reproduccin total o parcial de esta obra por cualquier medio o pro-cedimiento, comprendidos la reprografa y el tratamiento informtico y la distribucin de ejemplares de ella mediante alquiler o prstamo pblicos, as como la exportacin e importacin de ejemplares para su distribucin y venta fuera del mbito de la Unin Europea.

  • Energies renovables i estalvi energticEnergia solar trmica

    ENERGIES RENOVABLES I ESTALVI ENERGTICENERGIA SOLAR TRMICA

    NDEX

    1. Les energies renovables1.1. L'estat actual del mn1.2. Eficincia i consum energtic1.3. Les energies renovables1.4. Un ltim apunt

    2. Radiaci solar2.1. El Sol2.2. Radiaci solar extraterrestre2.3. Relacions astronmiques2.4. Temps solar2.5. Angles solars relatius a superfcies inclinades2.6. Mitjana mensual de radiaci diria solar extraterrestre2.7. Mitjana mensual de radiaci diria solar terrestre sobre un captadorAnnex

    3. Captadors solars fototrmics3.1. Tipus de captadors3.2. Mecanismes de transmissi de calor3.3. Principi de funcionament dun captador solar pla3.4. Equaci fonamental dun captador solar pla3.5. Recta de rendiment dun captador solar plaAnnex

    4. Installacions i constituents4.1. Aigua calenta sanitria4.2. Calefacci4.3. Piscines4.4. Control i manteniment4.5. Connexi de captadors4.6. Reglament dinstallacions trmiques en edificis (RITE)Annex

    5. Comportament a llarg termini dels sistemes fototrmics5.1. Clcul de crregues trmiques5.2. El mtode de les corbes-f (f-charts)Annex

    6. Anlisi econmica dels sistemes fototrmics6.1. Conceptes danlisi econmica6.2. Anlisi econmica dels sistemes fototrmics6.3. Ajuts, subvencions i poltiques de futur

    7. Centrals solars7.1. Introducci7.2. Centrals solars fototrmiques7.3. Centrals solars fotovoltaiques

  • Energies renovables i estalvi energticEnergia solar trmica

    7.4. Centrals solars fotoqumiques

    ENERGIES RENOVABLES I ESTALVI ENERGTICENERGIA SOLAR FOTOTRMICA

    BIBLIOGRAFIA

    W.A. Beckman, S.A. Klein, J.A. Duffie: Solar Heating Design, 1980, Wiley Interscience.

    W.A. Beckman, S.A. Klein, J.A. Duffie: Solar Engineering of Thermal Processes,1980, Wiley Interscience [621.4 DUF].

    A. Coronas, M. Llorens, M. Villarrubia: Energia solar a Catalunya: radiaci solar i insolaci,1982, Publicacions Edicions Universitat deBarcelona.

    J.R. Howell, R.B. Bannerot, G.C. Vliet: Solar-Thermal Energy Systems1982, McGraw-Hill.

    E.W. Justi: Hidrogeno solar.Ed. Marcombo, 1985.

    J.F. Kreider: Medium and High Temperature Solar Processes.Academic Press, 1979.

    J.L. Riggs: Modelos de dicisin econmica para ingenieros igerentes de empresa,1973, Alianza Editorial, Alianza Universidad 21 [658 RIG]

    J.L. Riggs: Sistemas de produccin, planeacin, anlisis i control,1976, Ed.Limusa, Mxic [658.5 RIG]

    P.R. Sabady: Practica de la energia solar,1986, Ediciones CEAC, Barcelona, Biblioteca de Construccin

    C.J. Winter, R.L.Sizmann, L.L.Vant-Hull: Solar Power Plants.Fundamentals, technology, systemsand economics,1991, Springer-Verlag [620.91 SOL].

    J.A. White, M.H.Agee, K.E. Case: Tcnicas de anlisis econmico en ingeniera,1981, Ed.Limusa, Mxic [33 WHI]

    Recursos en xarxa: Per a conceptes sobre economia:http://www.bos.frb.org/economic/nerr/hell97_1.htmPer consultar els preus dels combustibles i altres dades econmiques:

  • Energies renovables i estalvi energticEnergia solar trmica

    http://www.icaen.es/frame0.html(preus de lenergia a Catalunya)Per a valors de la inflaci, previsions en els preus energtics i borsa:http://www.invertia.comPer centrals solars:http://www.psa.esPlataforma Solar dAlmeria

  • 1 Les energies renovables 1

    1 Les energies renovables

    1.1 L'estat actual del mn

    Efecte hivernacle, desforestaci, pluja cida, escalfament global, capa d'oz, desertitzaci,contaminaci... sn paraules que comencen a fer-se pesades quan les sentim una vegada i una altra.Per de fet en som causants i ereus a la vegada. En som causants perqu hem basat el nostredesenvolupament econmic i progrs cientfic en l'energia elctrica produda per enormesmquines giratries que necessiten combustibles fssils (= esgotables, com ara carb, petroli i gasnatural) per poder-les moure i aconseguint, aix, que ms del 78% de les emissions de dixid decarboni vinguin provocades per la combusti del carb, del petroli o del gas que es crema a lescentrals trmiques productores d'aquesta energia. I en som ereus perqu ens toca a nosaltres decidirqu volem fer d'ara en endavant amb el nostre futur.

    L'energia s la base de tota activitat humana per petita que aquesta sigui i en el sentit ms ampli dela paraula. I des del principi dels temps, l'home ha explotat el seu medi per tal d'obtenir-ne la dosique necessitava: en un principi, l'aliment per viure i la llenya per escalfar-se (la font denergia msantiga i encara ara la ms utilitzada per ms de la meitat de la poblaci mundial) i, posteriormentel carb i el petroli per donar ales a la revoluci industrial de l'hemisferi nord. Si a aquestaexplotaci hi associem el creixement demogrfic i l'augment actual de la dosi energtica (20vegades per sobre del que es considera necessari), com a conseqncia de l'aven del tan anomenatprogrs

    (econmic, social...), podem comenar a parlar d'esgotament de reserves i d'amenaa almedi ambient a causa d'una explotaci excessiva i per la recerca de vies d'explotaci alternatives(energia nuclear), que impliquen un cost desmesurat per al planeta. Per fer-nos una idea:

    Actualment consumim 3.500 milions de tones de carb a lany en 1.300 centralsd'aquest t ipus al mn, que suposen una producci de CO2 ms elevada que la produdacremant gas o petroli. A ms, les emissions de residus de la combusti, com els derivatsnitrogenats (NOx) i derivats del sofre, provoquen el fenomen de la pluja cida, plujaque ens cau amb un ph no adequat per al desenvolupament normal de la vida.

    El consum de petroli s de 65 milions de barrils per dia i lemissi de CO2 de lesgasolines suposa la cinquena part del CO2 mundial produt. Cada un d'aquests barrilscont uns 160 litres de cru, amb la qual cosa obtenim un volum de 10.000.000.000 m3de cru al dia, que es podria emmagatzemar en un cub de 2,2 km d'aresta. El seu consumha provocat recentment la major contaminaci de la histria per vessamentincontrolat al mar (Exxon Valdez a Alaska), una guerra (Guerra del Golf), disputesterritorials internacionals (Antrtida, Mar de la Xina...) i una crisi mundial (Crisi delPetroli al 1973), ja que els combustibles fssils provenen, en la major part, de pasospolticament inestables (Golf Prsic, Algria..) la qual cosa sol portar problemesd'abastament o d'encariment de les matries.

    El "nou combustible verd" s el gas atural, met quasi pur que afavoreix lefectehivernacle, relacionat amb els desastres de les perforacions petrolferes i que ara per araha esdevingut l'energia pont entre les tradicionals energies fssils i les renovables.

  • 2 Energia solar trmica

    Fig. 1.1 Idllicament ocult entre els obscurs boscos d'avets del Harz trobem el Hanskhnenburg. Aquest hostal,amb la seva torre massissa, s un alberg molt apreciat pels excursionistes que busquen el descans a les muntanyescentrals del nord d'Alemanya. Els cims i pujols d'aquesta regi foren famosos fa temps per la seva gran riquesaforestal. L'any 1972, quan es va fer aquesta fotografia, la "mort dels boscos" era encara un concepte desconegut(Font: Harzfoto Barke)

  • 1 Les energies renovables 3

    Fig. 1.2 L'hostal Hanskhnenburg es trova al 1983 al cim d'una muntanya pelada. Els gasos emesos en gransquantitats a tot el pas per les xemeneies de la indstria, les cases particulars i els tubs d'escapament dels cotxes,han contaminat l'atmosfera,i han fet emmalaltir els avets del Harz. La sequera i els parsits han donat el cop degrcia final a aquests arbres debilitats. Els boscos es moren a una velocitat terrible a tot Alemanya i a Europa.Segons un estudi del Ministeri d'Agricultura de Bonn, el 34% dels boscos alemanys estaven malalts al 1983. Al1988, ara fa deu anys, la xifra arribava al 52,4% . Desprs dels boscos de conferes, comencen a morir ja els arbrescaducifolis: quasi el 70% dels roures ja estan malmesos (Font: Axel Carp).

  • 4 Energia solar trmica

    Fig. 1.3 25 d'abril de 1986: desastre nuclear a la central atmica sovitica de Txernbil, a 130 km de Kev, lacapital d'Ucrana. Com a conseqncia d'una manipulaci equivocada d'un dels enginyers, una secci del bloc 4tdel reactor es comena a escalfar rpidament, falla el sistema d'aigua de refrigeraci i desprs d'una primeraexplosi i un incendi, es comena a fondre el nucli del reactor. La fuita de radioactivitat es produeix en granquantitat i les conseqncies sn desastroses. Trenta-una persones moren com a conseqncia de radiacionsdirectes, 135.000 ciutadans sovitics, que viuen en un radi de 30 km de la installaci nuclear, sn evacuats. El iode,l'estronci i altres elements radioactius sn transportats per nvols i vents arreu d'Europa. Tres anys desprs del'accident, el nombre de malalts de cncer s'havia duplicat en els territoris evacuats al voltant de la installaci. Elnivell de radiaci actual de la zona tan sols ha disminut un 10% . (Font: Jrgens Ost + Europa-Photo)

  • 1 Les energies renovables 5

    Si no volem consumir gas, petroli o derivats, ens queda l'energia nuclear de fisi, ambms de 400 centrals en funcionament actualment. s costosa, perillosa, no predible,genera residus (es calcula que la deixalla acumulada noms per les centrals nuclearsespanyoles t capacitat destructiva fins l'any 32000) i el seu consum ha possibilitatdesastres com els de Txernbil (1986) i Harrisburg (1979), sense comptar lesnombroses fuites radioactives ignorades pels governs involucrats. La fusi s un noucam. Per no elimina el problema dels residus.

    Sortosament, al 1973, els pasos rabs fan un estudi semblant al que hem fet als primers pargrafs idecideixen tenir una mica ms "controlats" els seus petroliers i refineries. s la Crisi del Petroli,que fa que el mn Occidental s'adoni de fins a quin punt depn de les energies fssils. Els governss'adonen d'un fet que molta gent ja havia exposat: petroli, carb, gas i urani sn reservesenergt iques finites i s'acabaran en un futur prxim. A ms, provoquen canvis i deterioramentsseriosos del medi. Cal, doncs, trobar vies alternatives per al desenvolupament mundial que, a ms,equilibrin les economies de tots els pasos per evitar l'esclat de tensions que les diferncieseconmiques i socials provoquen.

    1.2 Eficincia i consum energtic

    Un primer pas per donar en la lluita contra la crisi mediambiental i energt ica que estem patint smillorar els actuals processos productius fent un s ms eficient del combustible utilitzat tenint encompte que no volem energia ans els serveis que aquesta ens subministra. El concepte de les tres R(reduir, reutilitzar i reciclar) es pot aplicar arreu.

    Actualment, la majoria de centrals trmiques treballen amb uns rendiments al voltant del 40%. sfactible augmentar aquests rendiments i l'eficincia global de les centrals productores d'energiareduint-los la despesa en combustible per arribar fins a un 50-55% a partir de la millora del procsde combusti del fssil (centrals amb tcnica de llit fluditzat, a la figura 1.4) i a partir de lacogeneraci, p.ex., l'aprofitament de la calor residual d'alguns processos qumics entre els 80 i 200C (petroqumiques) per vaporitzar un fluid i impulsar un generador suplementari que ens produeixielectricitat (procs de cua) i aprofitar els vapors residuals (dun cicle amb turbines que ensprodueixi electricitat) per escalfar aigua o calefactar (procs de cap).

    Tamb calen millores en la conversi directa de l'energia. Actualment, si ens fixem amb els tipusdenergia que utilitzem, ens adonarem que lenergia mecnica i lenergia elctrica resten alcapdamunt de la llista. D'una banda, el sector responsable de la utilitzaci dun 30% de les energiesmanufacturades s el del transport (tant terrestre, com mart im i aeri), que transforma lenergiaqumica dun combustible en energia mecnica en un eix. De laltra, intentem posar un exempledalgun tipus daparell que pugui prescindir dun endoll o duna font energt ica que disposi de polpositiu i negatiu. I aix no s gratut , ni de bon tros, perqu lelectricitat s la forma denergia msfcilment transportable que es coneix. Si, a ms, considerem el fet que els llocs de consumacostumen a estar fora lluny dels llocs de producci (centrals trmiques, hidruliques i nuclears),podrem justificar encara ms ls de lenergia elctrica (que actualment s tamb dun 30% dels100.000.000.000 MWh denergia primria consumida per la humanitat).

    Ara b, els recursos principals no es troben de forma directa ni en energia mecnica ni, en lt imainstncia, en energia elctrica (el llamp seria lnic exemple natural), sin que es troben en formade combustibles fssils: cru de petroli, carb, gas natural... o sigui, energia qumica (energia solarfssil en definitiva). Cal, doncs, una transformaci (amb l'eficincia al ms elevada possible)daquesta energia qumica per obtenir energia mecnica que, o b ser aprofitable directament o b,en lt ima instncia, es convertir en energia elctrica.

    La conversi directa de lenergia qumica en elctrica s possible a partir de cllules o piles decombustible, elements que transformen una mescla de combustible i aire en electricitat, per

  • 6 Energia solar trmica

    oxidaci de l'hidrogen, i donen aigua com a nic residu en un procs que es pot arribar a realitzaramb rendiments prxims al 100% (tot i que actualment som al 65%).

    En aquest sentit , alguns bacteris tamb ofereixen diverses rutes a la producci energt ica. Podencultivar-se com a font de biomassa o utilitzar-se per generar corrent elctric o gasos combustibles.Algunes algues generen residus parents del petroli i experiments europeus en energia fotobiolgicainclouen plantes pilot de la companyia petroliera Total, a Frana, on en cultiven algues riques enenergia

    amb mtodes continus (no per crregues).

    Fig. 1.4 En els sistemes de combusti de llit fluditzat, partcules de combustible i d'altres materials "suren" icirculen en corrents d'aire. La figura mostra una caldera de llit circulant de Power Products (Foster W heeler) alRegne Unit. Partcules de pedra calcria, sorra i cendres viatgen de la cambra de combusti al bescanviador decalor, on transfereixen la calor a l'aigua. Els gasos de la combusti converteixen l'aigua escalfada en vapor a lacaldera. Un llit fluditzat dens de partcules de grava, que roman a la cambra de combusti, frena el flux perassegurar la combusti completa del combustible, que la pedra calcria tingui temps de capturar tot el sofrepresent i que les emissions d'xids de nitrogen es mantinguin al mnim. Captadors de pols (ciclons) separen lescendres fines que si no sortirien a l'atmosfera (Font: Foster W heeler Power Products Ltd, Londres, Regne Unit).

    Des del punt de vista de l'estalvi, cal veure que la calefacci d'edificis i l'escalfament d'aigua calentasanitria consumeix gran part de l'energia usada al mn. L'estalvi energt ic es pot incrementarmillorant les normes d'allament en els edificis, triplicant els vidres de les finestres o recobrint-los,aplicant calefacci solar passiva o utilitzant les bombes de calor.

    1.3 Les energies renovables

    Les energies renovables es poden definir com les fonts energt iques que, de forma peridica, esposen a disposici de l'home i que aquest s capa d'aprofitar i transformar en energia t il per

  • 1 Les energies renovables 7

    satisfer les seves necessitats. s a dir, es renoven de forma continuada en contraposici amb elscombustibles fssils com petroli, carb, gas i urani, dels quals hi ha unes determinadesdisponibilitats esgotables en un termini ms o meys llarg.

    Constitueixen una font d'abastiment inesgotable, ja que en el seu origen directe provenenmajoritriament del Sol (tot i que si ens remuntem molt ms enll en la histria, tot t l'origen enel Sol). Per aix no significa que les energies renovables hagin d'associar-se a l'aprofitamentdirecte de l'energia solar, sin que el Sol produeix un seguit de fenmens naturals que a la vegadadonen origen als recursos en qu es basen els diferents tipus d'aprofitament de les energiesrenovables.

    EnergiafotovoltaicaBiomassa

    Energiafototrmica

    Efecte trmic

    Energia solar directa

    Ones, correntsi T ocenics

    Elica

    Efecte sobrel'atmosfera

    Efecte sobrel'hidrosfera

    Efectef i

    Energia solari di

    Activa Passiva

    Calor a baixatemperatura

    Calor a mitjatemperatura

    Calor a altatemperatura

    Arquitecturabioclimtica

    Efecte sobrela biosfera

    Energia geotrmicaEnergia hidrulica Energia de les marees

  • 8 Energia solar trmica

    Fig. 1.5 Les energies renovables d'origen solar i no ( tan) solar ( ja que, de fet, tot prov del Sol).

    Tamb existeixen energies renovables no solars, com la hidrulica, la geotrmica i la de les marees.Sn renovables perqu es regeneren amb menys o ms temps, per sn el resultat dels cicles deformaci terrestres, geolgics i atmosfrics.

    Cal tenir en compte que l'energia procedent de la radiaci solar, absorbida per la Terra en un any,s equivalent a 20 vegades l'energia emmagatzemada a totes les reserves de combustibles fssils delmn. Si pogussim aprofitar tan sols el 0,005% d'aquesta radiaci mitjanant captadors, turbines,molins, etc, obtindrem ms energia t il en un any que la que aconseguim cremant petroli, carb igas en el mateix temps.

    1.3.1 Energia el ica

    Com diem al principi del captol, l'energia elctrica s la forma d'energia ms utilitzada arreu delmn, per tamb s la principal responsable de la degradaci atmosfrica ja que per tal de fer girarun motor elctric ens cal connectar-hi una turbina. I per fer girar aquesta turbina, ens cal uncombustible fssil.

    Amb lenergia elica, per, podem moure aquest motor elctric aprofitant l'energia que ensproporciona el vent. El vent sorgeix com a moviment de l'atmosfera degut a canvis de pressionsd'aquesta atmosfera esdevenen com a conseqncia de la variaci de temperatura de les diferentscapes que la formen produda pel Sol. Si aquesta massa en moviment s'intercepta adequadament, enpodem treure una certa quantitat d'energia. En particular, lenergia aprofitable dels vents a tot elmn es xifra en uns 10.000.000 MW (equivalent a l'energia produda per 10.000 centralstrmiques o nuclears).

  • 1 Les energies renovables 9

    Fig. 1.6 Localitzaci dels parcs elics a Espanya.

  • 10 Energia solar trmica

    Fig. 1.7 Els molins de vent van ser durant segles un dels subministradors d'energia ms importants. I ara s'hi tornaa recrrer. Diferents inversors nord-americans participen en les denominades "granges de vent" en les que -comaqu, a Altamont, a l'est de Sant Francisco- centenars o milers de molins transformen simultniament l'energiaelica en electricitat (Font: Kim Steel).

  • 1 Les energies renovables 11

    L'element que ens permet aprofitar aquesta energia s l'aerogenerador (figura 1.8). Unaerogenerador s essencialment un rotor amb aspes, subjectat a una barqueta (o gndola)orientable que reposa al capdamunt d'una torre. La longitud de les pales pot anar des d'uns pocsmetres fins als 22 metres (dimetre del rotor de 30 a 40 metres!) en aerogeneradors que ens doninentre 200 i 500 kW (superfcie escombrada de 1.400 m2). En aquests casos, les aspes sn fetes deresines epoxi reforades amb fibra de vidre i la barqueta, que fa uns sis metres longitud, s de fibrade vidre. La torre pot arribar als 50 metres i s feta de xapa d'acer per suportar lesaproximadament 50 tones que pot arribar a pesar el conjunt.

    Fig. 1.8 A Dinamarca, a la costa del Mar del Nord, sobre una torre de 57 m, a Esberjg, es va installar i va podercomenar a funcionar l'any 1988 una turbina elica de 2 MW . Les figures humanes posades a la secci transversalde la barqueta permeten fer-se idea de la mida del mol de vent (Font: I/S Vestkraft, Esberj, Dinamarca).

    Les aspes capten l'energia cint ica de l'aire en moviment. La potncia va en funci del cub de lavelocitat del vent: a ms velocitat, ms potencial elic. Un aerogenerador produeix electricitat apartir de 4,5 m/s (16 km/h) i assoleix la mxima producci entre els 15 i 25 m/s (uns 90 km/h).Perqu l'aerogenerador capti la mxima energia, les aspes i la barqueta estan dissenyades de maneraque poden girar sobre el seu propi eix i situar-les en tot moment contra el vent. Aquesta energia estransforma en energia elctrica de baixa tensi a l'interior de la barqueta grcies a un generador.

    A l'Estat espanyol la major concentraci de parcs elics es troba a les Illes Canries, en particulara Hierro i Fuerteventura, amb 19,1 MW installats. Cadis (on es t previst installar el major parcde lEstat, anomenat Pesur, de 20,1 MW), Galcia, Almeria (amb 31 MW previstos) i Navarra snaltres ciutats i comunitats amb un alt ndex d'implantaci d'aquestes energies. A Catalunya hi ha elParc Elic del Baix Ebre, prop de Tortosa, amb 27 aerogeneradors d'una potncia total de 4 MW.Cada 6 aerogeneradors comparteixen un centre de transformaci (5 en total) que eleven la tenside 400 V fins als 25.000 V, que s la tensi de lnia devaquaci. Aquesta installaci proveeix unapoblaci de 2.880 famlies (uns 10.000 hab) i substitueix 716 tones/any de petrolis, tones/any deCO2 i tones/any de SO2 (que provoquen l'efecte hivernacle).

  • 12 Energia solar trmica

    L'energia elica s essencialment neta i segura (reemplaant l1% de les trmiques de la UniEuropea, sevitaria lemissi de 15 milions de tones de CO2) i la producci neta denergia permetque en un any quedi amortitzada una installaci de 19 generadors. A ms, per cada 1 MW installates crea un nou lloc de treball de manteniment i pel que fa a l'espai, el terreny ocupat pels parcselics per produir 1 joule d'energia s 3 vegades inferior al d'una trmica de carb. Tot i aix,l'impacte visual es comena a qestionar.

    La capacitat installada actualment a nivell mundial s de 13.000 MW (amb dades de 1999), ambEuropa al capdavant, amb 9.200 MW. Els lders a Europa sn Alemanya, amb 4.440 MWinstallats, seguit de Dinamarca, amb 1.761 MW, i Espanya, amb 1.478 MW.

    L'objectiu de la UE s obtenir 100.000 MW elics al 2030. Aix suposar el 10% de lelectricitatde la UE i evitar la construcci de 70 grans centrals trmiques.

    1.3.2 O nes, corrents i gradients trmics ocenics

    El mar guarda en el seu interior una enorme reserva energt ica natural, que encara espera seraprofitada en qualsevol de les seves formes: marees, ones, corrents, calor.

    Actualment, i en fase molt experimental, hi ha els dispositius per aprofitar lenergia de les ones,encara que el desenvolupament tcnic i comercial s inferior. En segons quins casos es tractadaprofitar a travs de bombes hidruliques el moviment de cossos oscillants moguts per les ones, ien altres lacci del bombeig de la superfcie de laigua impulsa turbines daire (figura 1.9).

    Fig. 1.9 Columna d'aigua oscillant a Noruega: produeix fins a 500 kW d'electricitat a partir de les ones del mar(Font: Kvaerner Brug A/S Oslo).

  • 1 Les energies renovables 13

    Els principals prototipus shan desenvolupat a Jap i a Noruega (les ones omplen un dipsit elevat,que es descarrega passant per una turbina hidrulica). Els millors recursos naturals es troben aPortugal, Frana, Esccia i Irlanda; a Espanya, amb 7.900 km de costa, tan sols sha fet lanecessria avaluaci detallada del potencial disponible i, malgrat que hi ha diversos projectesdissenyats o ideats, noms hi ha una petita planta pilot a Sabn (La Corunya).

    En l'mbit experimental es troben sistemes com els convertidors denergia de les ones a maroberta (que podrien produir fins a milions de MW globalment), les turbines submergides en correntsrpids o la conversi de lenergia trmica dels oceans (en aiges tropicals), que aprofiten ladiferncia de temperatures entre capes superfcials i profundes del mar (20 C amb 700-900 metresde profunditat) per obtenir els focus calent i fred del cicle trmic que desenvolupen (usualment uncicle de Rankine).

    Fig. 1.10 Esquema d'una central termotalssica experimental situada a les illes Hawai, amb una potncia efectivade 64 MW .

    1.3.3 Biomassa

    L'energia del Sol s utilitzada per les plantes per sintetitzar la matria orgnica mitanant elprocs de la fotosntesi. Aquesta matria orgnica la incorpora i la transforma el regne animalincloent-hi l'home. L'home, a ms, la transforma per procediments artificials per obtenir bns deconsum. Tot aquest procs dna lloc a elements utilitzables directament, per tamb asubproductes que tenen la possibilitat de trobar aplicaci en el camp energt ic.

    La biomassa s, en definitiva, lenergia solar convertida per la vegetaci en matria orgnica:

    Biomassa = Residus forestals + Fracci orgnica delsresidus urbans +

    Residus de les indstriesagroalimentries, agrcoles i forestals

    Aquesta energia s recuperable per combusti directa o transformant la matria orgnica en altrescombustibles mitjanant mtodes de tractament especfics amb una primera etapa de trituraci,densificaci i pirlisi, que ens permet posteriorment passar a la digesti anaerbica, la gasificaci,la fermentaci alcohlica i, finalment, obtenir-ne gasos (met) o fluids combustibles (alcohols o

    NH3 lquid

    NH3 gas

    evaporador

    Tf = 6 C

    Tc = 26 C

    TV

    T = 20 C

    21 Ccondensador

  • 14 Energia solar trmica

    fuelolis). A ms, la biomassa s lnica font denergia que dna un balan favorable de CO2 perqula matria orgnica s capa de retenir durant el seu creixement ms CO2 del que sallibera en laseva combusti.

    Actualment, i a causa de la gran massa forestal que hi haque hi ha, es considera la font renovable dems potencial a Espanya, amb una producci estimada de 25,7 Mtep (milions de tones equivalentsde petroli). En lmbit mundial, per exemple a Frana, 6 milions de cases sescalfen utilitzant unsubproducte anomenat pellet, biomassa compactada substituta del carb.

    Al Brasil, 2 milions de vehicles funcionen amb derivats alcohlics (bioetanols) obtinguts de lafermentaci del sucre de la canya de sucre i 8 milions de vehicles ho fan amb una mescla d'aquests ibenzina (una mescla de entre el 5% i 15% amb benzina aconsegueix incrementar loctanatge ipermet eliminar el plom). A la vegada, el gas que es pot extreure dels purins del porc s una bonafont de combustible.

    L'aprofitament energt ic de la biomassa ha fet desenvolupar l'agroenergtica com a nova brancade lagricultura tradicional, en la qual es produeix biomassa mitjanant conreus especfics i estransforma en productes energt ics substituts dels combustibles tradicionals. Aix, es conreenllavors oleaginoses per obtenir bioolis carburants (per a motors disel en substituci del gasoil),biomassa lignocellulsica, en forma de pollancres i eucaliptus, biomassa alcoholgena, en forma debleda, rave i cereals, i biomassa oleaginosa, amb girasol, colza i card.

    1.3.4 Energia hidrulica

    L'energia del Sol evapora l'aigua dels oceans, mars, rius i llacs i l'eleva sobre la terra en forma denvols. Quan aquests es refreden, el vapor d'aigua en suspensi es condensa en forma de pluja itorna a tancar el cicle de l'aigua sobre la terra. L'aigua, en el seu transcurs per la superfcie terrestret la tendncia, per gravetat, a ocupar les posicions baixes i l'energia que aix proporciona sexplotable per les centreals hidroelctriques i minihidruliques (< 5 MW). Lenergia hidrulica s laque sobt a l'aprofitar el moviment de laigua, ja sigui per moure una turbina i produir electricitat,o b per a obtenir treball mecnic, com en els tradicionals molins daigua.

    Lenergia hidroelctrica avui es produeix fonamentalment en grans embassaments. El seu s noprodueix emissions ni residus, i s amb diberncia la ms barata dentre les energies convencionals.Tot hi aix, la construcci de grans preses t un gran impacte ambiental i social, perqu inundagrans extensions de terreny, separa comunitats animals, transforma completament el paissatge idesplaa als seus habitants, que no sn els destinataris de lelectricitat que shi produir. Aix fatotalment indesitjable la construcci de nous grans embassaments, encara que cal aprofitar almxim la capacitat dels ja existents.

    Un impacte ms petit provoca la minihidrulica, s a dir, les installacions que no superen els 5MW de potncia, encara que aquesta separaci s sempre arbitrria. Aquestes centralsminihidruliques es poden installar en canals de regadiu o abastiment, a peu de preses ja existents,o en el curs dels rius.

    Limpacte ambiental de la minihidrulica noms s important en les centrals daigua fluent, i laseva intensitat depn de com i quan es realitzi laprofitament. Els impactes ms importantsdaquest t ipus de centrals en els rius sn deguts a les fluctuacions brusques del nivell daigua, la

  • 1 Les energies renovables 15

    variaci de les condicions de velocitat de laigua, els obstacles per a la migraci dels peixos, laretenci dels sediments ms fins i un cabal ecolgic insuficient (per conservar les poblacionsfluvials es necessita assegurar un cabal mnim, especfic per a cada riu). Aquests impactes podenarribar a ser localment molt greus, i a vegades s preferible evitar la construcci de la minicentral.

    Aquests i altres exemples no poden servir per justificar el refusament global a la minihidrulicacom a font denergia, i oblidar els seus clars avantatges: reduir la producci denergia mitjanantfonts brutes i perilloses (combustibles fssils, energia nuclear), aprofitar un recurs autcton,acostar la producci delectricitat al lloc de consum i evitar en ocasions la construcci dun granembassament en el mateix riu.

    En els pasos menys afavorits, on encara noms saprofita el 8% del potencial hidrulic, la mini-hidrulica pot dur a terme un paper clau. I tamb a Espanya, on es podria augmentar la produccihidroelctrica en un any mig duns 28 TWh (terawatts-hora = milers de milions de kilowatts-hora)fins a 40 TWh (el 27% de la producci elctrica actual), sense la necessitat de construir cap novagran central, sin mitjanant laprofitament hidroelctric de canals de regadiu i subministramenturb i dembassaments ja construts, la millora de minicentrals ja existents i la rehabilitaci deminicentrals tancades (el 1964 funcionaven a Espanya 1.740 minicentrals, de les quals el 1982noms en quedaven 576). Noms en el darrer cas es podrien autoritzar noves concessions en rius,comenant pels cursos mitjans i baixos, on limpacte seria menor.

  • 16 Energia solar trmica

    Fig. 1.11 L'nica central elctrica a gran escala basada en marees que funciona al mn aprofita marees de 8 metresa l'estuari bret de La Rance, prop del Mont-Saint-Michel. Les seves vint-i-quatre turbines poden funcionar com abombes per optimitzar la producci elctrica (Font: Agence Explorer, Pars, Frana).

  • 1 Les energies renovables 17

    1.3.5 Energia de les marees

    Lenergia mareomotiru es basa en el moviment regular de pujada i baixada de laigua (marees), quea la costa i especialment als estuaris amplifica els seus efectes. Quan el rang supera els cinc metreses pot produir electricitat competitivament, mitjanant turbines collocades en una presa.

    s la font denergia amb ms eficincia en la conversi (80%, i podria arribar al 90%), s a dir, laque en millor proporci es converteix en energia aprofitable i la seva disponibilitat de mitjana sdel 95% del temps, amb lavantatge de ser totalment predible. El major dispositiu en explotacicomercial s el de La Rance, situat a la Bretanya francesa, prop del Mont-Saint-Michel, a l'estuaridel riu Rance, i genera 240 MW des de 1966, amb una provada maduresa tcnica. Tamb shanexplorat llocs adequats per a la seva explotaci a Amrica, sia i Austrlia. La potncia dunainstallaci podria arribar fins als 9.000 MW (lequivalent a 9 grans centrals nuclears o trmiques),malgrat que limpacte ambiental sobre els estuaris podria ser important.

    1.3.6 Energia geotrmica

    L'energia geotrmica t el seu origen en el seguit de reaccions qumiques naturals que esdevenen al'interior de la Terra i que produeixen grans quantitats de calor. Aquesta realitat es posa demanifest de forma natural i violenta en fenmens com les erupcions volcniques o elsterratrmols. Per tamb l'home pot aprofitar aquesta font de calor en tots aquells llocs on trobemuna diferncia de temperatura entre linterior terrestre, ms calent, i la superfcie. La geotrmica,per tant, s una font denergia natural, encara que no estrictament renovable, ja que la calor queextraiem dun jaciment en unes desenes danys, trigar milers danys a regenerar-se.

    La forma daprofitament varia segons el lloc on es troba el recurs. La majoria de tecnologiesactuals extreuen laigua calenta (lquida o vapor) present en el subsl (figura 1.12), encara que spossible injectar aigua en una roca seca calenta per escalfar-la o vaporitzar-la.

    Fig. 1.12 Els esquemes mostren les categories importants de fonts geotrmiques. Illustren un sistema d'altatemperatura, en el qual la menor densitat de l'aigua calenta la fa retornar convectivament a la superfcie, i un

  • 18 Energia solar trmica

    sistema de baixa temperatura impulsat per pressi hidrosttica (Font: Jens Tmasson, Servei Nacional delEnergia, Reykiavik, Islndia).

    A baixes temperatures (< 150 C), saprofita directamet la calor o laigua calenta per a processosindustrials, calefacci, ACS, usos agrcoles o balnearis, amb la limitaci de situar el consum en elmateix lloc on es trobi la font. A temperatures mitjanes i altes (> 150 C) la calor es pot convertireficament en electricitat, com en una central trmica.

    El potencial geotrmic mundial s dues mil vegades superior al de les reserves conegudes de carb, iels pasos menys desenvolupats sn els que disposen dels milllors recursos. Actualment, ms de 20pasos es beneficien daquesta energia, amb 330 plantes generant electricitat. Quasi la meitat de lapotncia installada es troba als EUA, i Filipines, per exemple, genera el 14% de la sevaelectricitat a partir de lenergia geotrmica. A Europa, Itlia t les installacions ms importants.El potencial a Espanya s de 600.000 Tep anuals, per actualment noms se naprofiten 3.400,cap delles per a producci elctrica.

    Limpacte ambiental s sensiblement inferior que el de les energies convencionals, especialmentlocupaci de terreny i les emissions de substncies contaminants a l'aire i a laigua, que podenreduir-se enormement amb la reinjecci de lquids i gasos.

    1.3.7 Energia fotovoltaica

    El Sol emet radiacions electromagnt iques que es poden aprofitar per a l'obtenci d'energiaelctrica en una transformaci directa. L'energia solar fotovoltaica est basada en l'aplicaci deldenominat efecte fotovoltaic, que es produeix en incidir els fotons de la llum sobre materialssemiconductors (en general cristalls de silici amorf), de tal manera que es genera un flux d'electronsa l'interior del material i, en condicions adequades, una diferncia de potencial que es pot aprofitar.

  • 1 Les energies renovables 19

    Fig.1.13. Un camp de panells fotovoltaics a Zambelli, nord d'Itlia, produeix fins a 70 kW d'electricitat a fi debombejar aigua potable a un poble de muntanya. Per assegurar un subministrament continu, 24 hores al dia, partde l'energia va a un conjunt de bateries. Quan la producci elctrica dels panells excedeix la demanda es potemmagatzemar tamb l'aigua bombejada (Font: ENEA, Roma, Itlia).

    Les cllules de silici treballen tant amb els raigs solars directes com amb la llum de dia difusa al'atmosfera. No hi ha parts mbils, les cllules tenen una vida llarga i sn inherentment modulars.L'nic problema ambiental predictible s l'enorme superfcie de terrenys que es requereix per a lageneraci elctrica a gran escala (uns quants km2 per a uns 500 MW).

    captadorsfototrmics

    captadorsfototvoltaics

    celobert peraprofitament de

    llum natural

    celobert peraprofitament de

    llum natural

    cobertade mxim

    allament trmic

    finestres mbils

    prescalfadorpassiu dACS

    jard i hivernacle

    finestres mbils

    captadorsdaire

    llumfototvoltaica

    llumfototvoltaica

    calderade calefacisubmergida

    bombafotovoltaica

    circuladora decaldera

  • 20 Energia solar trmica

    Fig.1.14. L'aplicaci de conceptes bioclimtics a l'arquitectura comena als anys setanta. La figura superiormostra un dels primers dissenys. La figura inferior s la seu de l'Institut Rocky Mountain, a Aspen, Colorado,dissenyat per Steven Conger i l'Aspen Design Group. Aquesta edificaci s'ha convertit en un exemple del dissenysostenible. L'estalvi en energia elctrica dels diferents sistemes utilitzats s de prop del 90% i el tempsd'amortitzaci no va arribar a l'any (Font: Earthwatch Institute, Oxford, Regne Unit).

    Els sistemes de cllules solars ja troben moltes aplicacions especials, sobretot a l'espai, on altrestecnologies sn inapropiades o massa cares. La principal barrera al seu s a gran escala s el costper a fabricar-les.

    1.3.8 Arquitectura bioclimtica

    Larquitectura bioclimt ica t en compte, en el disseny, el clima local i en treu profit utilitzantlorientaci i certs elements, com ara vidrieres, per crear ambients d'hivernacle, o magatzemstrmics, que fan interaccionar el medi amb lhabitatge, per obtenir un estalvi energt ic que ha deser de ms del 40% respecte a edificacions normals (pel contrari, tenim la domtica, que s elcontrol informatitzat dels edificis).

    Aplicant els conceptes bioclimt ics de forma correcta, en clima clid sarriben a aconseguirtemperatures de fins a 20 C i en clima fred podem anar des dels 16 C fins als 18 C sense cap altrafont de calor artificial. La mxima eficincia d'aquest t ipus d'arquitectura es dna en habitatges dedues o tres plantes: amb ms plantes es perd eficcia.

  • 1 Les energies renovables 21

    Fig. 1.15 Els conceptes d'arquitectura bioclimtica es poden aprendre de la tradici histrica: es tracta deredescobrir qu feien els nostres avantpassats a l'hora de construir els seus habitacles. Per exemple, els havelis deJaisalmer, poblaci de l'oest de l'ndia situada enmig del desert de Thar, sn construccions tpiques que utilitzenmurs gruixuts per protegir-se de la calor i, a ms, fan servir un sistema original i sofisticat, tan antic com efica,per facilitar la circulaci de l'aire i la ventilaci. Les faanes resten protegides per cobertes (A) que donen ombra iradien calor a l'exterior; finetres de pedra perforada o jalis (B) impedeixen l'entrada directa dels raigs del sol ipermeten la filtraci d'aire exterior, que circula fins a uns canals d'evacuaci situats al mig de l'edificaci. Encaraque no ho puguin semblar, les cases de pags del Pirineu sn un altre exemple clar de construccions bioclimtiques(Font: Earthwatch Institute, Oxford, Regne Unit).

    Els conceptes bioclimt ics porten associats a la vegada els conceptes ecolgics d'utilitzaciracional de l'energia, construcci amb materials allants que no perjudiquin el medi ambient, etc. Enaquest sentit , un dels exemples ms importants d'aplicaci dels conceptes bioclimt ics i desostenibilitat sha donat a Sydney, en el disseny i la construcci de la vila olmpica. Dissenyada pera 15.000 habitants, en la seva construcci s'intentar frenar el canvi climt ic, protegir la capadoz, aturar la contaminaci per residus txics, mantenir la biodiversitat i utilitzar racionalmentels recursos naturals. Com? Doncs mitjanant electrodomstics eficients, construcci bioclimt icaamb el mxim aprofitament de la llum natural i utilitzaci de llum artificial amb bombetesfluorescents compactes, subministrament daigua calenta i electricitat per energia solar, habilitacide zones per a vianants, carrils bici, trens, tranvies..., utilitzaci de sistemes allants de fibresnaturals i frigorfics greenfreeze lliures de CFC, HCFC, sense PVC a la construcci, sense materialssintt ics com allants, sense embalatges de PVC, implantant vegetaci natural amb espciesautctones, regenerant zones humides prximes, utilitzant fustes procedents de boscos no verges,utilitzant sistemes estalviadors en distribuci i utilitzaci, sistemes de depuraci biolgics per aaiges residuals i sistemes de reutilitzaci daiges residuals no txiques (per regar, refrescar, etc).

    1.3.9 Energia fototrmica activa

    Al llarg d'aquest llibret, ens centrarem en l'estudi de l'aprofitament de l'energia solar en l'mbittrmic. L's de la llum del Sol per subministrar calor de baixa temperatura per a calefacci t unallarga histria en molts llocs. Al nord d'Europa s mpliament acceptada i a pasos com Israel s deforosa adopci. A Dinamarca, de 3.500 sistems installats, el 70% produeix noms aigua calentasanitria i la resta combinen aigua calenta i calefacci. La tecnologia ja est totalment a punt,per els interessos sn molts i molt diversos per a una adopci generalitzada d'aquesta tecnologia.

    Lany 1995, a Catalunya hi havia ms de 2.000 installacions solars trmiques (no totes enfuncionament), amb una superfcie total installada de 38.950 m2. Segons aquestes dades, Catalunyarepresenta quasi el 13% del parc solar trmic de lEstat.

    Cal tenir en compte que un captador solar de 2 m2 de superfcie pot produir fins a 150 litresdaigua calenta cada dia, fet que estalvia lemissi daproximadament 1 tona de CO2 a lany, s adir, la crema de 90 kg de carb o 130 litres de gasoil.

    1.4 Un ltim apunt

  • 22 Energia solar trmica

    Tot i el seguit de conferncies i trobades de Copenhaguen, Rio o Buenos Aires, els grans pasosproductors i consumidors d'energia (s a dir, l'hemisferi nord) encara no acaben d'entendre elsconceptes sobre els quals es discuteix, com ara biodiversitat o sostenibilitat1. El fet s que la Terrano pot acabar de gestionar per ella mateixa els desequilibris que li estem provocant: no pot redirigirel clima, ni controlar la temperatura, ni pot redrear les lleres dels rius tal com ho havia estat fentfins a principis de segle perqu nosaltres li ho impedim. A mode d'exemple actual, tenim elfenomen del Nio. El terme el Nio s el nom curt del fenomen que els cient fics denominen ElNio, Oscillaci Meridional o ENSO (en angls). Part del nom prov de les observacions fetes pelcient fic angls Gilbert Walker a principis de segle. Aquest cient fic descobr que quan la pressiatmosfrica s baixa sobre Austrlia, s alta a l'est de l'illa de Tahit i a l'inrevs. La pressiatmosfrica, doncs, oscilla entre valors alts i baixos a l'emisferi sud.

    1 Una activitat s sostenible quan:

    1. Utilitza materials en forma de cicle tancat.2. Utilitza fonts denergia netes i renovables.3. Prov del potencial hum; p.ex., la comunicaci, la creativitat, la coordinaci, lestimaci iel desenvolupament espiritual i intellectual.

    Una activitat s no sostenible quan:1. Requereix inputs continus de recursos no renovables.2. Consumeix recursos renovables de forma ms rpida que el seu ritme de renovaci.3. Causa una degradaci acumulativa de lentorn.4. Requereix recursos en quantitats que mai no poden sser disponibles per tothom.5. Condueix a lextinci daltres formes de vida.

  • 1 Les energies renovables 23

    Fig. 1.16 L'any 1982 entra en funcionament la central d'energia solar Solar One, a Barstow (Califrniameridional). Mil vui-cents divuit miralls, amb una superfcie total de ms de 70.000 m2, reflecteixen la llum solar ila concentren en una torre central que arriba fins als 1.000 C de temperatura. Amb aquesta temperatura s'escalfaun lquid que posteriorment permet impulsar turbines i generadors elctrics. Tots els miralls segueixenconstantment l'rbita solar mitjanant un comandament automatitzat. Solar One produeix 10 MW de potnciaelctrica (Foto: Peter Menzel/W heeler Pictures/Focus).

    Durant poques sense el fenomen del Nio, l'aigua ms calenta dels oceans terrestres se sita alPacfic oest. Els vents que van d'est a oest empenyen l'aigua escalfada pel Sol tropical cap a l'oest iacumulen l'aigua calenta al voltant d'Indonsia i altres zones a l'oest de la lnea de tempsinternacional (IDL, captol 2). De tant en tant, i les raons encara no sn clares, els vents afluixenla seva intensitat i l'aigua calenta acumulada a l'oest es filtra cap a l'est, a travs del Pacfic, finsque xoca amb la costa d'Amrica del Sud, sescampa al nord i al sud de la costa, augmenta latemperatura de l'aigua i provoca el fenomen del Nio davant les costes de Per amb un augment imillora, a la vegada, de les condicions per a l'activitat pesquera, ramadera i agrria (augment depluges). Acostuma a passar durant els mesos freds, novembre i ms aviat desembre, i per aix repdel nom del Nio, en referncia a l'infant Jess.

    Aix que passa als oceans tamb afecta l'atmosfera. Les tempestes tropicals vnen alimentades perl'aire calent i humit que est en contacte amb l'oce calent. Com ms calent sigui l'aire, ms forta iimportant ser la tempesta. A mesura que l'aigua calenta avana cap a l'est, les tempestes avancenamb ella, alimentant amb aire calent i humitat les capes superiors de l'atmosfera. Aix implica unagran quantitat d'energia alliberada cosa que afecta els corrents dels vents freds de les capes altes i,en conseqncia, els seus patrons de moviment. Resulat: no noms hi ha grans alteracionsclimt iques a Amrica del Nord i del Sud sin a tot el globus terrestre. L'impacte global en el climaes tradueix en inundacions en certes parts de la Terra i sequeres extremes en d'altres.

    Encara que el Nio s un fenomen natural, el cicle 1997-1998 sembla que ha tingut un impactemediambiental fora ms devastador del que ens pensvem. Aix s perqu molts dels sistemesnaturals que en condicions normals nhaurien mitigat l'impacte, han estat degradats o b eliminatsper l'acci humana, com ara l'activitat reguladora tant dels boscos de les illes d'Indonsia com delsde l'Amazones, actualment cremats en bona part.

    Amb aquest exemple veiem com les dimensions del desastre ecolgic no sn pas predibles a captermini. Per s que patim els efectes d'una activitat que sobreexplota els recursos qu disposem.Ara per ara som una mena de parsits per a la Terra. I de seguir amb aquests nivells actualsd'infecci noms podem esperar dues coses: la mort del cos parasitat o l'eliminaci, per part del'hoste, dels parsits que provoquen la infecci.

    L'adopci d'energies renovables s una de les moltes opcions que tenim a la nostra disposici en elcam de viure no com a parsits sin en simbiosi amb la Terra. Sn energies en les quals no hipensem gaire perqu ens arriben suaument i sense presses, amb el fluir natural del dia a dia. Sn

  • 24 Energia solar trmica

    energies que s difcil que alg les acapari. Per a causa dels clculs bojos del sistema econmicvigent (que comptabilitza noms els beneficis per una minoria d'ssers humans i que no t encompte els costos sobre la major part de la poblaci) es consideren que sn cares. Per ni sn caresni contaminen i sn aqu per ser captades i utilitzades sempre que nosaltres estiguem disposats aaprofitar-les.

    Com s'ha anat assenyalant al llarg d'aquest primer captol, la gran incertesa sobre els futurs preusenergt ics, la seva producci i la creixent ansietat pblica sobre les fonts existents d'energia ensexigeixen desenvolupar un sistema energt ic flexible a la vegada que respectus amb el medi. Aixha d'incloure millores de rendiments, per exemple en tecnologies avanades en combusti de carb,i accs a les diverses fonts energt iques renovables amb els costos ms baixos possibles, aix comuna ferma voluntat polt ica. Han transcorregut poc ms de dues dcades des que les formesrenovables d'energia van comenar a atreure seriosament l'atenci. Encara hi ha molta feina perfer. Per sn, en definitiva, una assegurana cap al futur.

  • 1 Les energies renovables 25

  • 2 Radiaci solar 23

    2 Radiaci solar

    2.1 El Sol

    La font denergia inesgotable que ha perms lexistncia de la vida (tal com nosaltres la coneixem) enaquest planeta s el Sol. Amb un dimetre aproximat de 1.400.000 km (109 vegades el de la Terra) iuna massa d 1,99 1030 kg (332.000 vegades la de la Terra), s un immens forn de fusi termonuclearque transforma cada segon 600.000.000 de tones d'hidrogen mollecular en 596.000.000 de tones dheliper proporcionar 4.000.000 de tones equivalents denergia (uns 3,71023 kW!). Aix, tot i que cada diaperd 345.000.000.000 de tones de gasos, el Sol noms ha perdut un 0,03% de la seva massa original i liresta encara una vida calculada terica que pot anar des dels 5 als 7 mil milions danys (com areferncia, pensem que la Terra t una edat aproximada de 4.600 milions danys).

    Fig. 2.1 Estructura esquemtica del Sol (de radi R).

    R

    0,2 RZonaconvectiva

    Corona

    Nucli

    Cromosfera

    Fotosfera(part superior de lazona convectiva)

    T = 5.000 K

    T = 130.000 K

    T = 8 - 40 milions de K

    0,7 R

  • 24 Energia solar trmica

    El Sol s una estrella de lanomenda seqncia principal, de tipus espectroscpic G0, formada per nucli,fotosfera, cromosfera i corona (Fig. 2.1). El nucli del Sol s un forn de fusi a una temperatura mitjanade 20 milions de graus Kelvin. La fotosfera s la part exterior, el seu disc visible, lluny del forn defusi, i queda a 6.000 K. s la font directa demissi del Sol que nosaltres podem observar i que ens elfa considerar un cos negre emetent a 5.762 K, tot i que el seu espectre no sigui del tot continu (tal commostra la figura 2.2 i com ms endavant comentarem). Ms enll, la cromosfera s la capa de gasos quesestn uns 10.000 km en lespai i on soriginen les prominncies solars o arcs dH2. La part msallunyada s la corona, tan sols visible en eclipsis totals de Sol.

    Fig. 2.2 Espectre de la radiaci solar extraterrestre.

    Malgrat aquestes dades imponents, el Sol noms s una estrella del tot normal en el panorama galctic:s important per la seva proximitat per no per la seva unicitat.

    Cont molts, sin tots, dels elements presents a la Terra tot i que els ms abundants sn lheli ilhidrogen, que representen el 20% i el 78% de la seva massa respectivament.

    2.2 Radiaci solar extraterrestre

    La Terra es mou al voltant del Sol demarcant el pla eclptic. I ho fa a una distncia mitjana de 150106km, distncia que rep el nom d'unitat astronmica (UA). La seva rbita s lleugerament ellptica(variaci dun 1,7%) tot i deixant el Sol situat en un dels seus focus i que fa que aquesta distncia varides de les 1,017 UA (mxim anomenat afeli) fins a les 0,983 UA (mnim anomenat periheli) al llarg delany. Tot i aix, la Terra t altres moviments de perodes molt ms llargs (Fig. 2.3). Leix de rotaciterrestre rota, a la vegada, descrivint un cercle com ho faria una baldufa quan s a punt daturar-se. sel moviment de precessi, amb un perode de 22.000 anys. A la vegada tamb varia el seu angle dedeclinaci (concepte que veurem ms endavant) amb un perode de 41.000 anys. I per ltim,lexcentricitat de lrbita tamb varia, com si lrbita fos elstica, amb un perode de 100.000 anys.

    Longitud d'ona (m)

    Ultraviolat Visible Infraroig

    0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6

    2.400

    2.000

    1.600

    1.200

    800

    400

    0

    Espe

    ctre

    de

    la ra

    diac

    i so

    lar

    extr

    ater

    rest

    re (W

    /m2

    m

    )

    100

    80

    60

    40

    20

    0

    Percentatg

    e de radiaci solar

    per sota

    de la lo

    ngitud d'ona indicadada

  • 2 Radiaci solar 25

    Dels 3,71023 kW denergia generats per lastre rei, tan sols 1,71014 kW arriben a la Terraefectivament, per fins i tot aquesta petita fracci denergia (0,000000046% del total ems) equival aunes 5.000 vegades el total del consum energtic de la poblaci de la Terra.

    a) b) c)

    Fig. 2.3 Moviments de a) precessi, b) variaci de la declinaci i c) variaci de lexcentricitat de l'rbita terrestre.

    La radiaci solar total (al llarg de totes les longituds dona) que arriba a una unitat de superfcieexposada perpendicularment als raigs del Sol, fora de latmosfera, i a la distncia mitjana Terra-Sol(una UA) s una constant i rep el nom de constant solar extraterrestre o constant solar simplement.Saccepta com a valor estndard

    =2

    203531m

    W.I CS

    De totes formes, la radiaci extraterrestre Ie que arriba a la Terra variar al llarg de lany per la petitaexcentricitat de la seva rbita. Aquesta variaci es pot expressar com

    +=

    236536003401

    m

    Wncos,I)n(I CSe (2.1)

    on n s el dia de lany comptat des de lu de gener (n = 1 365).

    Lespectre solar extraterrestre en funci de la longitud dona des dels 0,2 fins als 2,6 m, i considerantel Sol com a cos negre emetent a 5.762 K, es representa a la figura 2.2 (ultraviolat 0,030,40 m-,visible 0,400,70 m i infraroig 0,71,00 m).

  • 26 Energia solar trmica

    Exemple 2.1

    Quina quantitat de radiaci solar obtenim en el rang visible lu de desembre?

    De la figura 2.2, veiem com les fraccions de radiaci solar que resten entre 0,4 i 0,7 (rang visible)valen 0,09 i 0,47 del total ems. La radiaci solar extraterrestre emesa el dia u de desembre (n =335) segons lequaci 2.1 val 1.393 W/m2, i la quantitat de radiaci en el visible ser

    22 530393.1)09,047,0( mWmW =

    La distribuci aproximada de la resta de radiaci solar entre infraroig i ultraviolat s de 53% i 9%respectivament (que pel mateix dia implicaria 725 i 100 W/m2 respectivament).

    Ara b, per aplicacions de lenergia solar a nivell de superfcie terrestre s essencial que tinguem encompte la interacci, per ara omesa, de la radiaci amb latmosfera terrestre. Els dos principalsmecanismes dinteracci sn labsorci i la dispersi. El resultat daquests dos mecanismes s el dereduir la radiaci directa i, a ms, la dintroduir un component difs de la radiaci, que ms endavantestudiarem.

    2.3 Relacions astronmiques

    Per arribar a un disseny acurat de qualsevol equip trmic que utilitzi lenergia solar, ens cal tenir lacapacitat de predir lenergia disponible en un determinat lloc i en un determinat moment. La mesura dela radiaci solar requereix un seguit daparells dels quals no sempre es pot disposar, per hom ha de sercapa defectuar els seus clculs a qualsevol lloc i per qualsevol instant de temps. Perqu aix siguipossible, necessitem conixer quines relacions hi ha entre el Sol i la Terra i com influeixen en la radiacique rebem cada dia.

    Fig. 2.4 Declinaci (entre parntesi, lestaci corresponent a lhemisferi sud).

    Sol

    Equinocci de primavera (tardor)21 de mar

    Equinocci de tardor (primavera)21 de setembre

    Solstici d'hivern (estiu)21 de desembre

    Solstici d'estiu (hivern)21 de juny

    = + 23,45

    = - 23,45

  • 2 Radiaci solar 27

    A mesura que la Terra gira al voltant del Sol (translaci), gira, a la vegada, al voltant dun eiximaginari que apunta cap a lestrella Polar (rotaci). Leix normal a aquest, resta inclinat 23278,2(aproximadament 23,45) respecte del pla orbital, com mostra la figura 2.4. En conseqncia, langleentre lEquador terrestre i el pla orbital marcat per la lnea Sol-Terra varia al llarg de lany entre 23,45. Aquest angle lanomenem declinaci () i ve donat per lequaci

    +

    365284

    360sin45,23 n (2.2)

    amb declinacions positives al nord de lEquador i negatives al sud. El valor de la declinaci calculatamb lequaci 2.2 pateix un error de +0,37 (desviaci mxima positiva) per lu de maig, i de -1,70(desviaci mxima negativa) pel nou doctubre.

    Com podem suposar, la declinaci (ajudada una mica per lexcntrica de lrbita) ens proporciona lesdiferents estacions anuals. Per exemple, per lhemisferi nord, les declinacions negatives, estacions detardor i hivern, implicaran una inclinaci dels raigs solars molt ms obliqua i molt menys perpendicularsobre la superfcie terrestre que no pas per declinacions positives, corresponents a les estacions destiu iprimavera.

    Com illustra la figura 2.5, la posici relativa del Sol al firmament respecte dun punt a la superfcieterrestre es pot definir per dos angles: laltitud solar (s), entesa com langle entre la lnea que passa pelpunt i el Sol, i la lnea que passa pel punt i s tangent a la superfcie terrestre, i lazimut solar (s), entscom langle entre la lnea anterior, la tangent a la superfcie terrestre, i la lnea coincident amb elmeridi local, en direcci nord-sud terrestre. Es pren positiu mesurat cap a lest i negatiu mesurat cap aloest en ambds hemisferis. El complementari ds sanomena zenit solar i es representa per s.

    Fig. 2.5 Altitud, zenit i azimut solar per lhemisferi nord (sud).

    Sol

    Punt de la superfcie terrestre

    Ver

    tical

    O(E)

    E(O)

    S (N)

    N (S)

    S

    S

    S

  • 28 Energia solar trmica

    La posici del Sol al cel ser, doncs, funci de la situaci del punt a la Terra, de lpoca de lany i delmoment del dia.

    La posici del punt a la Terra vindr donada per la latitud (a lequador, = 0, mentre que alnord s positiu i al sud s negatiu).

    Lpoca de lany vindr donada per la declinaci solar anteriorment definida.

    I el moment del dia sespecificar per langle horari .

    Langle horari es defineix com a 0 en el moment del migdia solar local (s = 0) i augmenta de 15 en15 per cada hora que resti per arribar al migdia solar (p.ex., per a les 08.00 del mat temps solar--tindrem = 60) i disminueix de 15 en 15 per cada hora que passi del migdia solar (p.ex., per a les15.00 de la tarda --temps solar-- tindrem = -45) a tots dos hemisferis. Podrem dir que s una mesuraque ens relaciona el temps solar i la posici celeste del Sol. Si ens hi fixem, el fet que el Sol tardi 24hores a donar una volta sencera a la Terra (pensem que s la Terra la que gira sobre della mateixa en24 hores), fa que per cada hora que passa, dels 360 que tenim per voltar, el Sol nhagi recorregut 15(360 / 24 hores = 15 per hora). Fixem-nos, a la figura 2.6, com dividim el mn en els diferents fusoshoraris i com varia el temps per a cada regi: quan per a nosaltres sn les 12 del migdia (meridi deGreenwich), a l'altre extrem de mn sn les 12 de la nit (lnea internacional de canvi de data).

    Fig. 2.6 Divisi horria del mapa terrestre. Els temps de rellotge es mostren per sota o per sobre del temps de Greenwich,ignorant qualsevol tipus de variaci estacional (p.ex., quan s migdia al Regne Unit, sn les 7 del mat a Washington DC i

    les 9 de la tarda a Tquio).

    Migdia12.00 + 1 + 3 + 5 + 7 + 9 + 11

    MitjanitPM AM

    Ln

    ia in

    tern

    acio

    nal

    de ca

    nvi d

    e dat

    a

    Mer

    idi

    de G

    reen

    wich

    Equador

    - 1- 3- 5

    - 7

    - 9- 11 - 7

    + 1

    + 10

    0

    + 2

    + 4

    + 3

    + 5

    + 3

    + 6+ 7

    + 8

    + 9+ 10

    + 11 + 12 + 13

    + 8 + 9

    + 8 + 10

    - 3

    - 4

    - 4

    - 3

    - 4- 5

    - 5

    - 6

    - 7- 8- 9

  • 2 Radiaci solar 29

    Les equacions que ens permeten relacionar els angles anteriors sobtenen mitjanant geometria esfrica ia partir de la qual podem escriure

    coscoscossinsinsin +=s (2.3)

    i

    s

    s

    cos

    sincossin = (2.4)

    Exemple 2.2

    Determina la posici del Sol a les 09.00 i a les 14.00 (temps solar) a Houston ( = 30) i a Rio deJaneiro ( = -23), el dia 1 de febrer.

    De lequaci 2.2 tindrem

    ''59'30175,17365

    32284360sin45,23

    365284

    360sin45,23 ==

    +=

    +

    n

    cosa que implica hivern a lhemisferi nord i estiu al sud.

    Les 09.00 impliquen 3 hores per arribar al migdia solar (12.00 09.00 = 3). Aix s un angle horaride = 315 = 45. Les 14.00 impliquen 2 hores que passen del migdia solar(12.00 14.00 = -2).Aix s un angle horari de = -215 = -30. A partir daquests resultats i de les equacions 2.3 i 2.4podem omplir la taula inferior. Fixem-nos com el canvi rpid de lazimut solar per Rio s degut a quel Sol cau quasib sobre del cap dels brasilers pel seu migdia solar (s = 84,5) i passa dest a oestmolt rpidament.

    Houston Rio de Janeiro09.00 14.00 09.00 14.00

    -17,5 -17,5 -17,5 -17,5 30 30 -23 -23 45 -30 45 -30

    s 25,7 34,4 47,6 88,7s 48,4 -35,4 61,4 -84,5

    Els moments de sortida i posta de Sol aix com la durada del dia es poden calcular a partir de lequaci2.3 com

    spss coscoscossinsin00sin0 +=== (2.5)

    on sp s langle horari de sortida (o posta) del Sol i que es pot expressar com

  • 30 Energia solar trmica

    ( ) tgtgsp = arccos (2.6)La durada del dia d s dues vegades langle horari de posta (o sortida). En hores, queda com

    sphorad =

    /152 (2.7)

    on sp sexpressar ara en graus.

    La tradici pagana mundial ha associat el moviment de la Terra i la durada dels dies de manerasingular. Per exemple, cadascun dels dos punts de leclptica (rbita de la Terra al voltant del Sol) perals quals el valor de la declinaci pren el seu valor mxim (+) o mnim (-) rep el nom de solstici, imarca els dies solars de durada mxima (nit ms curta, solstici destiu, el 21 de juny) i de duradamnima (nit ms llarga, solstici dhivern, el 21 de desembre).

    Similarment, cadascun dels dos punts de leclptica en els quals la declinaci val zero rep el nomdequinocci. En tenim un a la primavera i un a la tardor i sn els nics dies de lany en els quals cadapunt de la superfcie terrestre es mou essencialment dintre del pla orbital relatiu del Sol. La figura 2.7ens mostra com es veu la Terra des del Sol durant els solsticis i els equinoccis. Que les lnies de latitudconstant quedin rectes als equinoccis illustra el fet que durant aquests dies, i per cada punt de lasuperfcie terrestre, el Sol sortir per lest i es pondr per loest.

    Fig. 2.7 La Terra vista des del Sol.

    21 de mar

    21 de setembre

    21 de juny

    21 de desembre

    Pol Sud

    Cercle Antrtic = 66,5 S

    Pol NordCercle rtic = 66,5 N

    Trpic de Cncer = 23,5 N

    Trpic de Capricorn = 23,5 S

    23,5

  • 2 Radiaci solar 31

    Els trpics de Cncer, de latitud 23,5, i de Capricorn, de latitud -23,5, sn les latituds ms al nord i alsud respectivament, a les quals el Sol assoleix un angle de zenit igual a 0 (directament sobre del cap)durant almenys un dia a l'any. Similarment, els cercles rtic i Antrtic es defineixen com les latitudsms enll de les quals el Sol no saixeca del pla de lhoritz almenys una vegada a lany.

    2.4 Temps solar

    Com ja explicvem a lhora dintroduir el concepte dangle horari, la Terra sha dividit de com acordinternacional en un sistema de 24 zones temporals, que determinen els fusos horaris a mode de talls deformatge al llarg dels 360 de la circumferncia terrestre. Fsicament aquests fusos comprenen la Terraexistent entre dos meridians separats 15 (obviant algunes modificacions de tipus fronterer, poltiques onaturals) i tots vnen fixats com a positius a loest del meridi 0 o meridi de Greenwich. La magnitudque determina la posici daquests fusos horaris s la longitud i se simbolitza per la lletra (0 pel dereferncia, Greenwich).

    El dia solar a qualsevol punt del planeta es defineix pel temps transcorregut entre dos migdies solarssuccessius (entenent com a migdia solar el moment de qualsevol dia en el qual el Sol arriba a la sevamxima altitud). Malgrat aix, degut a lexcentricitat de lrbita terrestre i als efectes de la declinaci,la durada dun dia solar no s constant i, de fet, pot augmentar o disminuir en 30 segons dun dia a unaltre. Lefecte acumulatiu daquest fenomen s una variaci en lescala de temps de fins a 16 minuts i24 segons (mxim pel 4 de novembre, n = 309) i de fins a -14 minuts i 22 segons (mnim, negatiu, perl11 de febrer, n = 41) respecte del temps mitj. Aquesta variaci (la diferncia entre el temps solarveritable i el temps solar mitj) rep el nom dequaci de temps i pren la forma1

    ( ) ( )( ) ( )

    3662Con

    3sin0041,02sin1565,0sin1229,03cos0012,02cos0528,0cos0072,0

    n

    CCCCCCTE

    =

    =

    (2.8)

    Per no haver dadaptar lhora contnuament, els nostres rellotges marquen una hora mitjana a vegadesfora lluny de l'hora solar veritable que ens proporciona laparent posici del Sol al cel. La relaci finalentre temps solar veritable (TSV) i temps oficial local (el del rellotge) ens ha de lligar totes aquestesvariacions, i alguna ms, daquesta manera:

    ( ) ++= 0151

    oficial Hora TEVST (2.9)

    on s la correcci eventual destiu ( = 2 hores, dabril a octubre) o b dhivern ( = 1 hora, denovembre a mar), ET s la correcci, amb el seu signe, obtinguda de lequaci 2.8 i ( ) ( ) 0151 sla correcci que afegim per efectes de la longitud del lloc en qesti respecte de la del meridi dereferncia (Greenwich per a nosaltres). Aquesta correcci s de quatre minuts per cada grau de longitud(60 minuts / 15 graus-hora) i noms cal tenir en compte que 0 = 0 sempre, i que prendr valorsnegatius si cau a lest del meridi de Greenwich i positius si cau a loest.

    1 Lequaci 2.8 cal utilitzar-la en mode radians i multiplicar el resultat obtingut per 60, perqu aquest resultat ens ve donat amb hores i

    fraccions decimals dhora.

  • 32 Energia solar trmica

    Exemple 2.3

    Per a la ciutat de Barcelona ( = -27), quin ser el temps solar veritable el dia u de desembre si elrellotge marca les 17.35?

    Amb 0 = 0, = 1 hora (hivern) i

    ( ) ( )( ) 141,0116,20151

    151

    0 ==

    s a dir, 8 minuts 28 segons (el clcul es fa amb graus centesimals),i obtenim la taula de resultatssegent:

    hores minuts segonsHora oficial 17 35 00 - 1ET +11 +1

    ( ) 0151

    +8 +28

    TSV = 16 54 44

    2.5 Angles solars relatius a superfcies inclinades

    Per vncer els efectes que la declinaci t sobre de l'angle d'incidndia de la radiaci solar i aconseguirinterceptar aquesta radiaci de la forma ms perpendicularment possible, les superfcies captadores calque estiguin inclinades un cert angle respecte de la horitzontal del sl i, a la vegada, orientades al msmeridionalment possible (aix s el ms parallelament possible al meridi nord-sud de referncia).

    El clcul ms important en lestudi de la radiaci solar s justament el de la determinaci de langledincidncia del raig solar un cop disposem de la nostra superfcie inclinada i orientada arbitrriamentper determinar posteriorment la quantitat denergia que hi arribar.

    La posici del Sol queda establerta per laltitud solar (s) i lazimut solar (s). Lorientaci de lasuperfcie irradiada (o captador, per a nosaltres) quedar tamb definida pel seu azimut (c), mesuratdes del meridi local cap a lequador (positiu cap a lest i negatiu cap a loest tant per a lhemisferi sudcom per al nord) i, a ms, per la seva inclinaci , mesurada respecte del pla horitzontal. Aquesta colladangles sillustra a la figura 2.8.

    Langle dincidncia solar relatiu a la superfcie inclinada es designa amb . Per tant, la fracci deradiaci solar instantnea que impactar sobre la unitat de superfcie ser

    cos= ss Iq (2.10)

  • 2 Radiaci solar 33

    on cos escrit en funci dels angles que coneixem queda com

    ( )( )

    ( )

    sinsinsincoscossinsincoscoscoscos

    cossincoscossinsincossinsincoscoscos

    +

    +++

    +=

    =+=

    c

    c

    c

    sscs

    (2.11)

    Fig. 2.8 Angles relatius a superfcies inclinades.

    En alguns casos, lequaci anterior es pot simplificar:

    Superfcie encarada al sud(c = 0)

    ( ) ( )

    coscoscossinsincossinsincoscoscos

    +=

    =+= sss

    (2.12)

    Superfcie verticalencarada a lequador

    (c = 0 i = 90)

    cossincoscossincoscoscos

    +=

    == ss

    (2.13)

    Per una superfcie horitzontal( = 0)

    coscoscossinsinsincos

    +=

    == s (2.14)

    O

    (E)

    E

    (O)

    SolN

    S

    (S)

    (N)

    Normal a la superfcie

    CS

  • 34 Energia solar trmica

    A la prctica, la inclinaci del captador es considera constant al llarg de lany i sagafen com a valorsusuals els segents:

    estiu = (latitud geogrfica - 15)hivern = (latitud geogrfica +10 o +15)anual ajustem als valors hivernals

    2.6 Mitjana mensual de radiaci diria solar extraterrestre

    Com viem a lapartat 2.1, la quantitat de radiaci que arriba al capdamunt de latmosfera es potexpressar mitjanant lequaci 2.1. Aquesta seria la quantitat denergia radiant per unitat de temps idrea perpendicular a la font (el Sol). Si ens interesss trobar la quantitat denergia extraterrestre aqualsevol punt de lesfera atmosfrica (en superfcie horitzontal), caldria multiplicar lequaci anteriorpel sinus de laltitud solar, com ara:

    sCSseenInIH sin

    365360

    cos034,01sin)(

    +== (2.15)

    on H vol dir superfcie horitzontal i el subndex e vol dir extraterrestre.

    La mitjana diria de radiaci extraterrestre en una superfcie horitzontal sobtindria integrant lequacianterior des del moment de la sortida (ts) al moment de la posta (tp) del Sol:

    +

    +=

    ==

    sinsin

    180sincoscos

    365360

    cos034,0124 spspCS

    t

    t

    ee

    nI

    HHp

    s (2.16)

    on la barra sutilitza per indicar que s una mitjana diria en ( )diamkWh 2 sempre que CSI estigui en2mkW i

    sp estigui en graus.

    La mitjana diria de radiaci solar es pot transformar en una mitjana diria mensual de radiaci solarseleccionant, per a cada mes, el dia en qu la radiaci solar diria es consideri aproximadament igual ala mitjana del mes. Els dies caracterstics recomanats sn els de la taula 2.1.2

    2 Actualment, amb l'existncia dels fulls de clcul, resoldre aquestes equacions, fins i tot d'hora en hora i de cada dia de l'any, s una tasca

    relativament senzilla.

  • 2 Radiaci solar 35

    Taula 2.1 Dies significatius per a cada mes

    Mes Dia de lany (n) DataGener 17 17 de generFebrer 47 16 de febrerMar 75 16 de marAbril 105 15 dabrilMaig 135 15 de maigJuny 162 11 de junyJuliol 198 17 de juliolAgost 228 16 dagost

    Setembre 258 15 de setembreOctubre 288 15 doctubre

    Novembre 318 14 de novembreDesembre 344 10 de desembre

    Exemple 2.4

    Determineu la mitjana diria mensual de radiaci solar extraterrestre per una superfcie horitzontalde latitud = 40 N per al mes de maig.

    Per al dia 15 de maig (135 de lany), la declinaci ve donada per lequaci 2.2.

    8,18

    Lequaci 2.6 ens proporciona langle horari de sortida o posta:

    ( ) ( ) ( )( ) 6,1068,1840arccosarccos === tgtgtgtgsp Finalment, a partir de lequaci 2.16, la radiaci diria en mitjana mensual ser:

    ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )diamMJdiamkWh

    m

    kW

    nIH spspCSe

    ==

    =

    +

    +

    =

    =

    +

    +=

    22

    2

    15,3988,10

    8,18sin40sin180

    6,1066,106sin8,18cos40cos365

    135360cos034,01353,124

    sinsin180

    sincoscos365

    360cos034,0124

  • 36 Energia solar trmica

    2.7 Mitjana mensual de radiaci diria solar terrestre sobre un captadorEl dissenyador duna installaci solar ha de ser capa, per sobre de tot, de respondre a la pregunta dequina quantitat denergia arriba al seu captador, finestra o celobert, de mitjana, cada hora, cada dia,cada mes o cada any. Un cop conegui aquesta dada ja podr determinar les caracterstiques del seusistema trmic i dissenyar lequip adequat per aprofitar aquesta energia.

    A la superfcie terrestre la insolaci diria resta fora allunyada dels nivells extraterrestres assolits alexterior de latmosfera: labsorci, la reflexi i la dispersi de radiaci per part de nvols i de la restadelements qumics en suspensi i que formen la biosfera, retalla els nivells energtics de la radiacidirecta que arriba a la Terra de manera considerable i la transforma, a la vegada, en radiaci difusa.Com a exemple, en dies estiuencs en els quals les ombres resten definides, ms del 90% de la radiaci sdirecta (radiaci provinent directament del Sol, sense haver estat dispersada per latmosfera), i superantels 1.000 W/m2 denergia; en canvi, per dies amb nuvolositat apreciable, tot i que la illuminaci suniforme, quasi no saprecia cap mena dombra pel baix nivell de radiaci directa i lelevat nivell deradiaci difusa. En aquest ltim cas parlem de nivells de 400 W/m2.

    En lmbit nacional, hi ha tot un seguit destacions de mesura que, amb la utilitzaci daparellsespecfics, determinen la radiaci diria que arriba a aquella zona en superfcie horitzontal. A l'annexdisposem de les taules daquesta dada en mitjana mensual i per a algunes ciutats espanyoles. Malgrataix, no es disposa generalment de dades de radiaci solar sobre duna superfcie inclinada, i per tenir-les cal fer tot un seguit de clculs que ara estudiarem.

    La mitjana mensual de radiaci diria sobre una superfcie inclinada, TH , es pot expressar com

    HRHT = (2.17)

    on H s la mitjana mensual de radiaci diria sobre una superfcie horitzontal (obtinguda de mesuresin situ, com les de l'annex) i R s el quocient entre la mitjana mensual de radiaci diria sobre lasuperfcie del captador i sobre una superfcie horitzontal per a cada mes, i que es pot avaluarconsiderant separadament els components de radiaci directa, difusa i reflectida del total de la radiacique arriba a la superfcie terrestre amb lexpressi

    reflectitcompdifscomp

    HH

    directecomp

    RHHR dbd

    .

    2cos1

    .

    2cos1

    .

    1

    +

    +

    +

    = (2.18)

    on dH s la mitjana mensual de radiaci difusa diria en superfcie horitzontal, bR s el quocient entrela mitjana mensual de radiaci directa (beam) sobre un superfcie inclinada i una superfcie horitzontalper a cada mes i s la reflectncia del sl, que pot anar des de 0,2 per a superfcie de pedresblanquinoses, fins a 0,7 per un superfcie coberta de neu.

    dH , la radiaci solar difusa, acostuma a ser difcil de calcular per qu depn de les condicionsmeteorolgiques i de carcter irregular. Malgrat aix, la fracci difusa de la radiaci total en mitjanamensual HH d es pot correlacionar amb un coeficient de transmissi de latmosfera que anomenem

  • 2 Radiaci solar 37

    ndex de nuvolositat TK . Lndex de nuvolositat, per a cada mes, es pot prendre de les mateixes taulesque tenim a l'annex o b es pot calcular a partir de l'equaci 2.19 com

    e

    T HHK = (2.19)

    on H s la mitjana mensual de radiaci global diria en superfcie horitzontal (la que trobem tabuladaa l'annex) i

    eH s la mitjana mensual de radiaci solar extraterrestre diria en superfcie hotitzontal,

    que ens proporciona lequaci 2.16.

    La correlaci que permet calcular HH d en funci de TK pren el nom de correlaci de Liu i Jordan is'expressa com:

    32 108,3531,5027,439,1 TTTd KKKHH

    += (2.20)

    Tericament bR s una funci complicada de la transmitncia de latmosfera. Tot i aix es pot calcularper a cada mes com el quocient entre la radiaci extraterrestre sobre una superfcie inclinada i sobre unasuperfcie horitzontal, segons consideracions geomtriques a partir de lequaci 2.21, com:

    ( ) ( ) ( )( )

    sinsin180sincoscos

    sinsin180sincoscos+

    +=

    ss

    ssbR (2.21)

    on s

    s langle horari corresponent a la posta del Sol per una superfcie inclinada donat per

    ( )( )[ ] tgtgss = arccos,min (2.22)i

    s s langle horari corresponent a la posta del Sol per una superfcie horitzontal i donat per lequaci

    2.6.

    Per illustrar aquest complex ball dequacions, en donem un exemple.

    Exemple 2.5

    Trobeu la mitjana mensual de radiaci diria incident sobre una superfcie orientada al sud iinclinada 41 respecte de lhoritzontal a la ciutat de Lleida ( = 4137) si la reflectncia del sl sde

    = 0,4.

  • 38 Energia solar trmica

    Aquests clculs acostumen a ser enutjosos i llargs, per aix la millor opci s dissenyar una taula declcul com la que tenim a la pgina segent.

    Aclariments:

    Laltitud solar mxima lobtenim igualant a zero langle horari a lequaci 2.3 (perqu langlehorari creix amb signe negatiu fins a zero al migdia solar, quan el Sol s ms alt, i decreix ambsigne positiu fins a arribar al mateix valor):

    ( ) coscossinsinarcsin +=s Atenci amb els valors de la columna 8: el resultat que obtenim ve donat amb kWh / (m2dia)(si Io(n) ve donat en kW/m2). Per tenir-ho tot en unes mateixes unitats, ens cal multiplicar per3.600 i obtenir aix el resultat en J/dia-m2.

    A la columna 12, per obtenir el factor bR ens cal calcular el valor de langle horari en unasuperfcie inclinada (equaci 2.22), que ens ve definit com el valor mnim de dos angles: langlehorari s propiament dit, i langle horari afectat per la inclinaci de la superfcie captadora idefinit com )tg)tg(arccos( (que per al cas que el nostre captador tingui una inclinacicorresponent a la latitud geogrfica, valdr 90 graus).

    La columna 16 s la suma de les dues columnes anteriors (components directa i difusa de laradiaci) ms la constant de la radiaci reflectida que val

    05,02

    '61,41cos14,02cos1

    reflectit Comp. =

    =

    =

    Fixem-nos en els grfics de radiaci; observem com la radiaci directa que arriba a lasuperfcie horitzontal H augmenta a meura que la declinaci de la Terra augmenta perqu laseva altitud ho fa en conseqncia i lenergia del Sol augmenta la seva perpendicularitat respectede la poblaci en estudi (s saproxima a 90 mentre sin(90) saproxima a 1). En canvi, lenergiaque arriba a la superfcie inclinada s ms elevada en els mesos dhivern que no pas en els destiuperqu la inclinaci del captador fa que aquest quedi ms perpendicular al Sol durant lhivern i,aix, augmenta el guany denergia durant el perode de lany que ms es necessita.

  • 2 Radiaci solar 39

    1 2 3 4 5 6 7 8MES dia H (J/dia-m2) () sp () s () Mx He (J/s-m2) He (J/dia-m2)

    n s. annex Eq. 2.2 Eq. 2.5 Eq. 2.3 Eq. 2.15 Eq. 2.16G (17) 17 6,08E+06 -20,92 70,33 27,71 649,69 1,42E+07F (16) 47 1,22E+07 -12,95 78,31 35,68 807,58 1,96E+07M (16) 75 1,56E+07 -2,42 87,87 46,21 985,91 2,65E+07A (15) 105 1,92E+07 9,41 98,40 58,04 1138,82 3,39E+07M (15) 135 2,20E+07 18,79 107,44 67,42 1220,25 3,91E+07J (11) 162 2,43E+07 23,09 112,05 71,72 1243,70 4,13E+07J (17) 198 2,46E+07 21,18 109,96 69,81 1228,24 4,02E+07A (16) 228 2,13E+07 13,45 102,16 62,08 1166,76 3,59E+07S (15) 258 1,67E+07 2,22 91,95 50,85 1039,65 2,91E+07O (15) 288 1,20E+07 -9,60 81,43 39,03 859,07 2,16E+07N (14) 318 6,30E+06 -18,91 72,44 29,72 686,46 1,55E+07D (10) 344 4,01E+06 -23,05 67,99 25,58 602,77 1,28E+07

    9 10 11 12 13 14 15 16 17

    KT =H/He Hd/H 1-Hd/H 's () Rb Comp. Comp. R HT (J/dia-m2)annex o Eq. 2.19 Eq. 2.20 Eq. 2.22 Eq. 2.21 directe difs Eq. 2.17

    0,43 0,44 0,56 70,33 2,37 1,34 0,38 1,77 1,08E+070,62 0,27 0,73 78,31 1,86 1,35 0,24 1,64 1,99E+070,59 0,30 0,70 87,87 1,41 0,99 0,26 1,30 2,03E+070,57 0,32 0,68 90 1,07 0,74 0,28 1,06 2,04E+070,56 0,32 0,68 90 0,88 0,60 0,28 0,93 2,04E+070,59 0,30 0,70 90 0,80 0,56 0,26 0,87 2,12E+070,61 0,28 0,72 90 0,84 0,60 0,25 0,90 2,21E+070,59 0,29 0,71 90 0,98 0,69 0,26 1,00 2,14E+070,57 0,31 0,69 90 1,26 0,87 0,27 1,19 2,00E+070,56 0,32 0,68 81,43 1,70 1,14 0,28 1,48 1,77E+070,41 0,46 0,54 72,44 2,22 1,21 0,40 1,66 1,04E+070,31 0,57 0,43 67,99 2,56 1,09 0,50 1,64 6,58E+06

    Annex al captol 2

    -40

    -20

    0

    20

    40

    60

    80

    100

    120

    17 47 75 105 135 162 198 228 258 288 318 344

    dies

    angl

    e () sp () s () Mx

    0,00E+00

    5,00E+06

    1,00E+07

    1,50E+07

    2,00E+07

    2,50E+07

    3,00E+07

    17 47 75 105 135 162 198 228 258 288 318 344

    dies

    H (J/dia-m2)Ht (J/dia-m2)

  • 40 Energia solar trmica

    A la taula segent es presenten les dades meteorolgiques de 49 localitats espanyoles ordenadesalfabticament pel nom de la ciutat. Les dades inclouen:

    latitud en graus nord (hi manca la longitud )H mitjana mensual de radiaci diria sobre superfcie horitzontal (en kJ/m2-dia)

    TK ndex de nuvolositat

    Aquests valors s'han d'anar modificant a mesura que vagin apareixent noves dades experimentals deradiaci per a aquests punts del mapa estatal.

    Albacete (= 38.92) G F M A M J J A S O N DH (kJ /m2-dia) 6410 9220 13990 16530 19820 23070 23240 19760 16400 11280 6310 5630

    KT 0,49 0,5 0,54 0,49 0,51 0,56 0,58 0,56 0,58 0,55 0,44 0,48Alacant (= 38,37) G F M A M J J A S O N D

    H (kJ /m2-dia) 9360 13540 16244 20746 23720 25870 26088 22446 18522 13386 9264 7502KT 0,58 0,63 0,58 0,59 0,6 0,62 0,64 0,61 0,6 0,59 0,53 0,52

    Almeria (= 36,83) G F M A M J J A S O N DH (kJ /m2-dia) 8918 12144 16748 20432 23404 24034 24534 22188 17962 13778 9796 7662

    KT 0,53 0,54 0,58 0,58 0,59 0,58 0,61 0,60 0,57 0,56 0,53 0,50vila (= 40,65) G F M A M J J A S O N DH (kJ /m2-dia) 6558 10194 12044 16260 19716 21236 24406 22664 16578 11076 6454 5004

    KT 0,45 0,50 0,44 0,47 0,50 0,51 0,51 0,60 0,62 0,49 0,40 0,38Badajoz (= 38,88) G F M A M J J A S O N D

    H (kJ /m2-dia) 6656 9504 13150 17588 21266 23320 23906 21142 16496 11638 7872 5568KT 0,43 0,45 0,47 0,50 0,54 0,56 0,59 0,57 0,54 0,49 0,46 0,39

    Barcelona (= 41,40) G F M A M J J A S O N DH (kJ /m2-dia) 6196 10006 13606 18170 21272 22734 22358 18966 15196 11764 6906 5862

    KT 0,44 0,50 0,51 0,53 0,54 0,55 0,55 0,52 0,51 0,53 0,44 0,46Bilbao (= 43,40) G F M A M J J A S O N DH (kJ /m2-dia) 3804 6016 8824 9962 13562 13442 14110 11286 10722 8190 4400 3042

    KT 0,30 0,32 0,34 0,30 0,35 0,32 0,35 0,31 0,37 0,38 0,30 0,27Burgos (= 42,37) G F M A M J J A S O N DH (kJ /m2-dia) 3708 7996 10780 14386 18110 21434 22964 20080 14452 10034 5170 2910

    KT 0,27 0,42 0,41 0,42 0,46 0,52 0,57 0,56 0,49 0,46 0,34 0,24Cceres (= 39,33) G F M A M J J A S O N D

    H (kJ /m2-dia) 6061 9614 14992 20273 23157 26877 31768 29218 22321 12749 7691 5852KT 0,39 0,46 0,54 0,58 0,59 0,65 0,78 0,79 0,73 0,54 0,45 0,42

    Cadis (= 36,47) G F M A M J J A S O N DH (kJ /m2-dia) 8394 13264 16458 22270 25630 27322 27222 25710 20528 14594 9750 7878

    KT 0,49 0,59 0,57 0,63 0,65 0,66 0,67 0,69 0,65 0,59 0,52 0,50Castell (= 39,98) G F M A M J J A S O N D

    H (kJ /m2-dia) 7604 12424 15634 18496 21158 23044 23364 20306 17170 12126 7766 6806KT 0,50 0,60 0,57 0,54 0,54 0,56 0,58 0,56 0,57 0,52 0,47 0,50

  • 2 Radiaci solar 41

    C, Real (= 38,98) G F M A M J J A S O N DH (kJ /m2-dia) 5948 10424 12642 16584 20720 23024 25764 22956 17426 10974 6493 4612

    KT 0,38 0,49 0,45 0,48 0,53 0,56 0,64 0,56 0,57 0,47 0,38 0,33Crdova (= 37,88) G F M A M J J A S O N D

    H (kJ /m2-dia) 7400 11094 14156 17224 19014 24266 15722 23412 17988 11894 8228 6236KT 0,46 0,51 0,50 0,49 0,48 0,59 0,46 0,63 0,58 0,49 0,46 0,42

    La Corua (= 43,37) G F M A M J J A S O N DH (kJ /m2-dia) 5172 7638 11078 14676 15016 16876 18172 14926 13356 8244 6268 3938

    KT 0,40 0,41 0,43 0,44 0,38 0,41 0,45 0,42 0,42 0,39 0,43 0,34Conca (= 40,08) G F M A M J J A S O N DH (kJ /m2-dia) 6040 9212 11800 15266 18680 20928 23788 21468 15982 11076 6394 4968

    KT 0,41 0,45 0,43 0,44 0,47 0,50 0,59 0,59 0,53 0,48 0,39 0,37Girona (= 41,38) G F M A M J J A S O N DH (kJ /m2-dia) 7238 10204 13624 15958 17958 17070 22052 18058 13652 10632 7400 5600

    KT 0,53 0,53 0,51 0,47 0,46 0,41 0,55 0,50 0,46 0,48 0,48 0,46Granada (= 37,18) G F M A M J J A S O N D

    H (kJ /m2-dia) 6880 9670 12250 15872 18594 21006 23686 18806 15452 11206 7414 5510KT 0,41 0,44 0,43 0,45 0,47 0,51 0,59 0,51 0,49 0,46 0,41 0,36

    Guadalaj, (= 40,63) G F M A M J J A S O N DH (kJ /m2-dia) 4990 7658 9948 12998 16258 18372 23580 20474 14554 10034 5186 4166

    KT 0,34 0,38 0,37 0,38 0,41 0,44 0,58 0,56 0,49 0,44 0,32 0,32Huelva (= 37,25) G F M A M J J A S O N DH (kJ /m2-dia) 7572 11858 1579

    820796 24036 25632 26996 24840 20612 13088 8670 6684

    KT 0,46 0,54 0,55 0,59 0,61 0,62 0,67 0,67 0,66 0,54 0,48 0,44Oesca (= 42,15) G F M A M J J A S O N DH (kJ /m2-dia) 6434 11472 1499

    417614 20608 22330 23894 20734 15420 11370 6772 4966

    KT 0,47 0,59 0,57 0,52 0,53 0,54 0,59 0,57 0,52 0,52 0,44 0,41Jan (= 37,77) G F M A M J J A S O N DH (kJ /m2-dia) 62070 9906 1467

    118057 20189 24411 26835 24285 19646 11620 7774 6311

    KT 0,38 0,45 0,52 0,51 0,51 0,51 0,66 0,65 0,63 0,48 0,43 0,42Lle (= 42,58) G F M A M J J A S O N DH (kJ /m2-dia) 5600 10726 1365

    217314 19144 23574 24820 21668 15406 10630 6972 4216

    KT 0,42 0,56 0,52 0,51 0,49 0,57 0,61 0,60 0,53 0,49 0,44 0,35Lleida (= 41,62) G F M A M J J A S O N DH (kJ /m2-dia) 6078 12168 1559

    219226 21954 24262 24638 21340 16740 11980 6302 4006

    KT 0,44 0,62 0,58 0,56 0,53 0,58 0,61 0,59 0,57 0,54 0,40 0,32

  • 42 Energia solar trmica

    Logroo (= 42,45) G F M A M J J A S O N DH (kJ /m2-dia) 5986 9630 13606 18254 21228 23572 25224 21396 16538 11808 6740 5024

    KT 0,45 0,50 0,52 0,54 0,54 0,57 0,62 0,59 0,56 0,54 0,45 0,42Lugo (= 43,10) G F M A M J J A S O N DH (kJ /m2-dia) 3868 7238 8590 13566 13836 16734 17034 15242 11302 9146 5342 3156

    KT 0,30 0,39 0,33 0,40 0,35 0,40 0,42 0,42 0,39 0,43 0,36 0,27Madrid (= 40,42) G F M A M J J A S O N DH (kJ /m2-dia) 6362 9798 14150 19552 21184 23530 25874 22986 16118 10762 7326 6263

    KT 0,43 0,48 0,52 0,57 0,54 0,57 0,64 0,63 0,54 0,47 0,45 0,47Mlaga (= 36,85) G F M A M J J A S O N DH (kJ /m2-dia) 8204 11556 17708 18882 22818 24870 25916 22316 18546 13020 10134 6236

    KT 0,49 0,52 0,62 0,53 0,58 0,60 0,64 0,60 0,59 0,53 0,55 0,40Mrcia (= 37,98) G F M A M J J A S O N DH (kJ /m2-dia) 9546 11978 17208 11352 25288 25748 26922 23954 19050 13900 9670 7746

    KT 0,59 0,55 0,61 0,61 0,64 0,62 0,67 0,64 0,62 0,58 0,54 0,53Orense (= 42,33) G F M A M J J A S O N DH (kJ /m2-dia) 2824 6790 14072 12094 8868 19184 16162 18176 12546 7158 5300 2440

    KT 0,21 0,35 0,53 0,36 0,23 0,46 0,40 0,50 0,43 0,33 0,35 0,20Oviedo (= 43,35) G F M A M J J A S O N DH (kJ /m2-dia) 5360 7536 10426 12892 15280 16622 16204 14196 12100 8040 5610 4272


Recommended