“ENERGIAS RENOVABLES: ENERGIA SOLAR ”
Curso : Sistemas no convencionales de energía
Docente : Ing Beltran, Enrrique
Semestre : VIII
Alumno : Mayhua Davirán, Víctor D.
Romero Huarcaya, Jhonatan.
Romero Lanasque, Juan Carlos.
Contreras Pariona, Maicol
Meza Canchari, Orlando
Huancayo –Perú
2015
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
I. INTRODUCCION:
La energía solar, energía radiante del sol recibida en la tierra, es una fuente de energía que tiene importantes ventajas sobre otras y que, para su aprovechamiento, también presenta varias dificultades. Entre sus ventajas se destacan principalmente su naturaleza inagotable, renovable y su utilización libre de polución. Pero, para su utilización, es necesario tener en cuenta su naturaleza intermitente, su variabilidad fuera del control del hombre y su baja densidad de potencia. Estas dificultades conllevan entonces la necesidad de transformarla a otra forma de energía para su almacenamiento y posterior uso. La baja densidad de potencia resulta en que es una fuente extensiva: para mayor potencia, mayor extensión de equipos de conversión. La ingeniería solar precisamente se ocupa de asegurar el suministro confiable de energía para el usuario teniendo en cuenta estas características.
La energía solar se transforma en la naturaleza en otras formas de energía, como biomasa y energía eólica, pero también se puede transformar a otras formas de energía como calor y electricidad.
II. MARCO TEORICO:
II.1. ENERGÍA SOLAR: es el calor y la luz que irradia el sol, controla el clima de la Tierra y permite la existencia de seres vivos en nuestro planeta. La energía solar se refiere específicamente a la conversión de la luz solar en electricidad a través de celdas o células fotovoltaicas.
Cada día el sol irradia enormes cantidades de energía, irradia más energía en un segundo que lo que toda la humanidad ha utilizado desde el principio de los tiempos. La energía que constantemente se irradia desde el sol viene del sol mismo. Tal como otras estrellas, el sol es una gran masa de gases, en su mayoría hidrógeno y helio. Los átomos de hidrógeno en el núcleo del sol se combinan para formar helio y generan energía a través de un proceso llamado fusión nuclear.
Durante la fusión nuclear, la alta presión y temperatura del sol causan que los átomos de hidrógeno se separen, y que sus núcleos se combinen.
Cuatro núcleos de hidrógeno se combinan para formar un átomo de helio. El átomo de helio contiene menos masa que los cuatro átomos de hidrógeno que se fusionaron, es por ello que cierta cantidad de masa se pierde durante la fusión nuclear. Esta materia perdida se emite hacia el espacio en forma de energía radiante.
Toma millones de años para que la energía en el núcleo del sol llegue a la superficie solar, y tan solo 8 minutos en recorrer 149 millones de kilómetros hasta la tierra. La energía solar viaja hacia la tierra a una velocidad de 186,000 millas por segundo, la velocidad de la luz.
Sólo una muy pequeña cantidad de la energía que se irradia de desde el sol hasta el espacio llega a la tierra, dos mil millonésimas partes. Aun así esta cantidad de energía es suficiente, la energía solar que llega a la tierra en un sólo día sería suficiente para abastecer a nuestro planeta por un año y medio, esto si la aprovecháramos eficientemente.Alrededor del 15 % de la energía del sol que llega a la tierra se refleja de regreso al espacio. Un 30% se utiliza para evaporar agua, que al elevarse a la atmósfera produce lluvia. La energía solar también la absorben las plantas y los océanos.
El resto de la energía solar es la que tenemos disponible para cubrir nuestras necesidades energéticas (luz, electricidad, calor, etc).
Figura 1. Balance de la Energía Solar que entra a la Tierra.
Los seres humanos han aprovechado la energía solar por siglos. Desde el siglo VII a.C., las personas utilizaban lupas magnificadoras para concentrar la luz del sol en rayos tan calientes que podían encender llamas en la madera.
A principios del siglo pasado, gran cantidad de científicos e ingenieros comenzaron a investigar diferentes maneras para aprovechar la energía solar. Un desarrollo importante fue un calentador solar para agua inventado por Charles Greeley Abbott, un astrofísico norteamericano, en 1936.
El calentamiento de agua con energía solar tuvo popularidad en las regiones del sureste de Estados Unidos desde los años veinte. Fue hasta después de la Segunda Guerra Mundial que se empezó a crecer la investigación en el campo de la energía solar. Este crecimiento duró hasta mediados de los años cincuenta, cuando el bajo costo del gas natural lo convirtió en el principal combustible para calentar hogares.
La población y los gobiernos permanecieron indiferentes a las posibilidades de la energía solar, hasta la escasez de petróleo de los años setenta. En nuestros días las personas utilizan la energía solar para calentar edificios y agua, y para generar electricidad.
Si se utiliza la energía solar, no se genera contaminación de aire o agua, y es una enorme y gratis fuente de energía.
II.2. TIPOS DE ENERGÍA SOLAR:
II.2.1. Energía solar térmica:La energía solar térmica o energía termo solar consiste en el aprovechamiento de la energía del Sol para producir calor, que puede aprovecharse para cocinar alimentos o para la producción de agua caliente destinada al consumo de agua doméstico, ya sea agua caliente sanitaria, calefacción, o para producción de energía mecánica y, a partir de ella, de energía eléctrica. Adicionalmente puede emplearse para alimentar una máquina de refrigeración por absorción, que emplea calor en lugar de electricidad para producir frío con el que se puede acondicionar el aire de los locales.
Figura 2. Energía Solar Térmica.
También son denominados colectores y a su vez estos se clasifican en dos tipos:
Colectores de placa plana: Estos colectores actúan como receptores que almacenan la energía procedente del sol utilizando el efecto invernadero. El diseño de estos colectores se puede ver en la figura. La placa selectiva en la parte posterior evita reflejar la radiación hacia el espacio, y la cubierta transparente (vidrio o plástico) genera el efecto invernadero dentro del colector. En este espacio interior se encuentra un sistema de tubos por los que circula el fluido, el cual aumenta su temperatura debido al gradiente entre el fluido y la temperatura dentro del colector.
Colectores Heat-Pipe: Poseen una simetría cilíndrica, formados por dos tubos; uno exterior de vidrio y uno interior con una capa de pintura o material selectivo. El tubo interno contiene un fluido de trabajo que se evapora y genera la transferencia de calor por conducción en el extremo superior del tubo para luego condensar y descender por efecto de la gravedad hacia la parte inferior del tubo. Así, de forma natural, se genera el ciclo de funcionamiento de este sistema. Un esquema de su funcionamiento se ve en la figura.
II.2.2. Energía solar fotovoltaica:
La energía solar fotovoltaica es un tipo de electricidad renovable (energía eléctrica-voltaica) obtenida directamente de los rayos del sol (foto-) gracias a la foto-detección cuántica de un determinado dispositivo; normalmente una lámina metálica semiconductora llamada célula fotovoltaica, o una deposición de metales sobre un sustrato llamada capa fina. También están en fase de laboratorio métodos orgánicos.
Se usa para alimentar innumerables aparatos autónomos, para abastecer refugios o casas aisladas y para producir electricidad para redes de distribución.
Éstos están formados por un cristal o lámina transparente superior y un cerramiento inferior entre los que queda encapsulado el sustrato conversor y sus conexiones eléctricas. La lámina inferior puede ser transparente, pero lo más frecuente es un plástico al que se le suelen añadir unas láminas finas y transparentes que se funden para crear un sellado antihumedad, aislante, transparente y robusto.
La corriente eléctrica continua que proporcionan los módulos fotovoltaicos se puede transformar en corriente
alterna mediante un aparato electrónico llamado inversor e inyectar en la red eléctrica (para venta de energía) o bien en la red interior (para autoconsumo).El proceso, simplificado, sería el siguiente: Se genera la energía a bajas tensiones (380-800 V) y en corriente continua. Se transforma con un inversor en corriente alterna. En plantas de potencia inferior a 100kW se inyecta la energía directamente a la red de distribución en baja tensión (230V). Y para potencias superiores a los 100kW se utiliza un transformador para elevar la energía a Media tensión (15 ó 25 kV) y se inyecta en las redes de transporte.
En entornos aislados, donde se requiere poca potencia eléctrica y el acceso a la red es difícil, como señalización de vías públicas, estaciones meteorológicas o repetidores de comunicaciones, se emplean las placas fotovoltaicas como alternativa económicamente viable.
Figura 3. Energía Solar Fotovoltaica.
II.3. IMPACTO AMBIENTAL:
Relacionada con las ventajas y desventajas de esta energía la cual es muy importante a tomar en cuenta para avaluar una eficiencia ya que influenciara en la parte económica, parte geográfica( lugar en donde evaluar).
Figura 4. La energía solar y su impacto ambiental.
II.3.1. Ventajas de la energía solar:
Los paneles solares no emiten contaminación, la contaminación sólo se produce como resultado de la fabricación de los paneles solares en sus las fábricas, el transporte de las mercancías, y la instalación.
Capacidad de aprovechar la electricidad en lugares remotos que no están vinculados a una red nacional. Un buen ejemplo de esto es en el espacio, donde los satélites son alimentados por células solares de alta eficiencia.
La instalación de paneles solares en lugares remotos, por lo general es mucho más rentable que la colocación de los cables de alta tensión necesaria.
Los paneles solares pueden ser instalados en la parte superior de los techos, lo que elimina el problema de encontrar el espacio necesario para la colocación de paneles solares.
Figura 5. Paneles Solares sobre el techo de una casa.
Otro gran pro de la energía solar es el costo. Aunque la inversión inicial de las células solares es alta, una vez instaladas, proporcionan una fuente gratuita de energía eléctrica, que dará sus frutos en los próximos años.
El uso de la energía solar para producir electricidad permite al usuario ser menos dependiente de los suministros de combustibles fósiles mundos.
II.3.2. Desventajas de Energía Solar:
El mayor problema de la energía solar es el costo inicial de las células solares. Actualmente, los precios de las células solares de alta eficiencia puede estar por encima de USD 1000, y algunos hogares pueden necesitar más de uno. Esto hace que la instalación inicial de paneles solares sea muy costosa.
La energía solar sólo es capaz de generar electricidad durante el día. Esto significa que alrededor de la mitad de cada día los paneles solares no producen ninguna energía para su hogar.
El clima puede afectar la eficiencia de células solares. Los niveles de contaminación puede afectar a la eficiencia de
células solares, esto sería una problema importante para las empresas o industrias que deseen instalar paneles solares en zonas muy contaminadas como los son algunas ciudades.
II.4. FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA FV:
En un sistema típico, el proceso de funcionamiento es siguiente: la luz solar incide sobre la superficie del arreglo fotovoltaico, donde es trasformada en energía eléctrica de corriente directa por las celdas solares; esta energía es recogida y conducida hasta un controlador de carga, el cual tiene la función de enviar toda o parte de esta energía hasta el banco de baterías, en donde es almacenada, cuidando que no se excedan los límites de sobrecarga y sobre descarga; en algunos diseños, parte de esta energía es en viada directamente a las cargas.
La energía almacenada es utilizada para abastecer las durante la noche o en días de baja insolación, o cuando el arreglo fotovoltaico es incapaz de satisfacer la demanda por sí solo. Si las cargas a alimentar son de directa,
esto puede hacerse directamente desde el arreglo fotovoltaico o desde la batería; si, en cambio, las cargas son de corriente alterna, la energía proveniente del arreglo y de las baterías, limitada por el controlador, es enviada a un inversor de corriente, el cual la convierte a corriente alterna. Cómo se produce energía eléctrica a partir del Sol
Fig. Nº 6 Efecto fotovoltaico en una célula solar
Efecto fotovoltaico en una célula solar La producción basada en el fenómeno físico denominado "efecto fotovoltaico", que básicamente consiste en convertir la luz solar en energía eléctrica por medio de unos dispositivos semiconductores denominados células fotovoltaicas. Estas células están elaboradas a base de silicio puro (uno de los elementos más abundantes, componente principal de la arena) con adición de impurezas de ciertos elementos químicos (boro y fósforo), y son capaces de generar cada una corriente de 2 a 4 Amperios, a un voltaje de 0,46 a 0,48Voltios, utilizando como fuente la radiación luminosa. Las células se montan en serie sobre paneles o módulos solares para conseguir un voltaje adecuado. Parte de la radiación incidente se pierde por reflexión (rebota) y otra parte por transmisión (atraviesa la célula). El resto es capaz de hacer saltar electrones de una capa a la otra creando una corriente proporcional a la radiación incidente. La capa antirreflejo aumenta la eficacia de la célula. Funciona un sistema fotovoltaico Un sistema fotovoltaico es un dispositivo que, a partir de la radiación solar, produce energía eléctrica en condiciones de ser aprovechada por el hombre. El sistema consta de los siguientes elementos (ver esquema):
Un generador solar, compuesto por un conjunto de paneles fotovoltaicos, que captan la radiación luminosa procedente del
sol y la transforman en corriente continua a baja tensión (12 ó 24 V).
Un acumulador, que almacena la energía producida por el generador y permite disponer de corriente eléctrica fuera de las horas de luz o días nublados.
Un regulador de carga, cuya misión es evitar sobrecargas o descargas excesivas al acumulador, que le produciría daños irreversibles; y asegurar que el sistema: trabaje siempre en el punto de máxima eficiencia. _ Un inversor (opcional), que transforma la corriente continua de 12 ó 24 V almacenada en el acumulador, en corriente alterna de 230 V.
II.5. CONDICIONES OPTIMAS PARA LA CAPTACION DE ENERGIA SOLAR:
Se denomina ángulo de incidencia (o punto de incidencia) al punto de reflexión donde se ubica la normal de luz sobre algún objeto reflectivo cóncavo ó convexo. El espejo convexo es un espejo de forma esférica y se pueden observar imágenes a la inversa.
En el caso de las superficies planas el ángulo incidente es igual al ángulo reflejado, y su punto de referencia es la recta normal.
La mayoría de los paneles solares fotovoltaicos usados para cubiertas son completamente negros para conseguir una mayor integración visual y mayor eficiencia en el panel solar.
En la actualidad, se ha ido innovando nuevos materiales parra la construccion de estos módulos y entregarán al menos un 80% de la potencia nominal de éstos tras 20 años de funcionamiento. La cuestión es que no siempre es fácil encontrar instalaciones fotovoltáicas con la suficiente antigüedad como para verificar estas cifras.
El panel solar híbrido: Se basa en dos tecnologías ya existentes; la fotovoltaica y la solar térmica. Ambas tecnologías quedan fusionadas en una única unidad. De esta forma sobre un absorbedor de colector solar térmico se instalan las células fotovoltaicas con su cableado correspondiente. Todo lo demás del colector (circuito hidráulico, carcasa y cubierta transparente) permanece como en cualquier colector convencional.
III. BIBLIOGRAFIA:
PANELES SOLARES Y SU FUNCIONAMIENTO “; disponible en :
www.areatecnologia.com/electricidad/ paneles - solares .html
“RENEWABLE ENERGIES”- Sistemas de Energia Renovables; Disponible en :http://www.sana-int.com/ecology/calculando.php
