Sistemas generadores de electricidad,
con fuentes renovables, para aplicaciones
residenciales, comerciales e industriales
Guillermo Corona Jazo / Frank Weiss
E2 Energias, S. A. de C. V.
SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
El impacto que produce la posibilidad de utilizar la energía renovable como la solar, en forma controlada y para nuestros propios fines, ha permitido el desarrollo de sistemas completos de transformación, almacenamiento y distribución de esta energía según nos convenga. La producción de electricidad a partir de la radiación solar mediante células solares, integrados en módulos fotovoltaicos, es una aplicación que aún no se difunde en su totalidad en México.
La energía eléctrica no está presente en la naturaleza como fuente de energía primaria, y, en consecuencia, sólo podemos disponer de ella mediante la transformación e alguna otra forma de energía. Es por eso que han surgido todo tipo de plantas generadoras de energía a partir de combustibles fósiles. Sin embargo, se ha notado que esta forma de generación produce mucha contaminación y devastación de los recursos naturales con los que cuenta nuestro país.
Las llamadas "energías alternativas o renovables", son aquellas cuyo uso no genera contaminación y entre ellas podemos citar la energía eólica o la energía solar.
La generación de este tipo de energía para generar energía eléctrica no produce contaminantes, y es por eso que últimamente ha tomado mucha importancia, tanto por el aspecto económico (ya que el recurso de generación no tiene costo), como por el beneficio que hay para el medio ambiente (su generación no emite contaminante alguno), donde hoy el tema del "calentamiento global" es uno, que no podemos ignorar más, ya que con la quema de combustibles fósiles generamos contaminantes, siendo uno de ellos de los mas considerables el dióxido de carbono (CO2), el que influye directamente en la elevación de la temperatura promedio anual en nuestra atmósfera.
Otro factor relevante en este aspecto es el agotamiento de nuestras reservas fósiles (en especifico del petróleo, aunque también del gas y carbón en el largo plazo).
Nuestra economía depende en gran medida de estos recursos, tanto en lo económico como en lo energético, y no se está creando la infraestructura necesaria para sustituir estos bienes mediante otros recursos, ya que sin ellos se afectaría el adecuado funcionamiento de la nación.
GRÁFICO 1
Efecto invernadero: Dióxido de carbono calienta la Tierra.
Recientemente el hombre ha aprendido a transformar la energía solar en eléctrica mediante diferentes procedimientos. Algunos de ellos, los llamados heliotérmicos o fototérmicos, operan sobre principios semejantes a los de las centrales térmicas y nucleares convencionales; por otro lado se encuentran los llamados fotovoltaicos, los cuales significan una importante simplificación respecto a los procesos energéticos convencionales. Las células o celdas fotovoltaicas (donde la materia prima principal, que es el silicio, es el segundo material más abundante en nuestro planeta) son dispositivos capaces de transformar la radiación solar en electricidad; y son dispositivos estáticos, es decir, carecen de partes móviles.
Conversión de luz solar en electricidad
La conversión directa de la energía solar en electricidad depende del efecto fotoeléctrico que ya había sido descubierto en diversas formas en el siglo pasado.
El efecto fotoeléctrico es la emisión de electrones de una superficie sólida (o líquida) cuando se irradia con emanaciones electromagnéticas. Debemos señalar que hay dos tipos de efectos fotoeléctricos en las células solares. El primero es el interno, donde ciertos portadores de carga se ven liberados dentro del seno de un material mediante la absorción de fotones energéticos. En el caso del efecto fotoeléctrico externo, se emiten electrones libres mediante la absorción de fotones energéticos. El efecto fotoeléctrico, es el agente principal del funcionamiento de los dispositivos conocidos como células solares.
La célula fotovoltáica
Partiendo de una oblea de silicio (disco muy delgado) se produce una célula solar una vez que se ha creado el campo eléctrico interno y después de preparar los contactos eléctricos adecuados. El campo eléctrico debe ser superficial para que la radiación solar llegue fácilmente hasta él.
Los contactos eléctricos que se hacen en ambas caras de la oblea son de geometría y características especiales. La cara que no recibe la radiación se recubre totalmente, mientras que la cara expuesta a los rayos solares sólo se cubre parcialmente mediante un electrodo metálico en forma de red. Esto permite que el electrodo recoja en forma eficiente los portadores de carga eléctrica generados en el interior de la oblea.
Debido a que una célula solar genera corrientes y voltajes pequeños, éstas no son los elementos que se utilizan en las aplicaciones prácticas, sino que, con objeto de lograr potencias mayores, se acoplan en serie o en paralelo para obtener mayores voltajes y corrientes formando lo que se denomina módulo fotovoltaico, que es el elemento que se comercializa. A la vez, estos módulos se conectan en serie o en paralelo para obtener los voltajes y corrientes que nos den la potencia deseada.
Los módulos en serie aumentan el voltaje y conservan la misma corriente, mientras que los módulos en paralelo aumentan la corriente, conservando el mismo voltaje.
El proceso de fabricación de las células solares de silicio lo podemos dividir en tres grandes etapas:
a) Obtención del Si de alta pureza. Este se obtiene a partir del óxido de silicio, SiO2, básicamente cuarzo, cuya abundancia en la naturaleza elimina problemas de abastecimiento. Este tiene que ser de alta pureza, semejante al semiconductor que se utiliza en la industria electrónica. Actualmente se está trabajando con silicio de menor pureza, pero útil para la fabricación de células solares y a un menor costo.
b) Obtención de obleas. Utilizando como materia prima polvo de silicio de alta pureza se hace crecer el monocristal hasta obtener una pieza cilíndrica de diámetro variable entre 2 y 20 cm y longitud de alrededor de 1 m. El crecimiento del monocristal sirve para purificar el material y para la creación de una estructura perfecta, gracias a la cual la futura oblea gozará de propiedades semiconductoras.
La barra de silicio se corta mediante sierras especiales produciendo obleas de espesor aproximado de 300 μm. En esta etapa hay una pérdida de material de aproximadamente 60 por ciento. Actualmente existen otras formas más eficientes de cortado de la barra.
c) Procesamiento de la oblea. Para obtener finalmente la célula solar, la oblea sufre un procesamiento que consiste de los siguientes pasos: lapeado y pulido, formación de unión p-n, decapado y limpieza, capa antirreflejante, fotoligrafía para formación de contactos, material para soldadura de electrodos, limpieza del decapante y comprobación de las características de la celda. La formación de la unión p- n es la etapa más crítica de todo el
proceso de fabricación, debido a que el buen funcionamiento de la célula solar depende en gran medida de una buena unión p-n. Por otro lado, una adecuada capa antirreflejante también es necesaria, ya que una superficie de Si bien pulida puede llegar a reflejar hasta 34 por ciento de la radiación de onda larga y 54 por ciento si la radiación es de onda corta.
Luz solar y celdas
En el momento que la luz solar (fotones) incide sobre la celda de silicio, este elemento pierde electrones, que se mueven hacia la superficie de la celda —de color azul obscuro— y se crea una diferencia de potencial entre los dos polos de la celda. Cuando ambos polos son conectados a un conductor, se genera una corriente de electricidad entre los polos positivo y el negativo.
GRÁFICO 2
Corriente de electricidad entre los polos positivo y el negativo.
Se debe estimar la disponibilidad de luz del Sol en el sitio de instalación del sistema. Es imposible predecir las condiciones solares para un día específico, pero los registros meteorológicos que cubran un período de varios años proporcionarán suficientes datos para diseñar la mayoría de los sistemas fotovoltaicos independientes. La insolación total sobre una superficie inclinada es el dato más interesante para los sistemas fotovoltaicos de inclinación fija. Muy pocas veces se cuenta con datos de insolación para la instalación de sistemas fotovoltaicos independientes. La insolación en un área remota puede que no sea similar a la de la ciudad más cercana. Las condiciones solares locales pueden variar en forma significativa de lugar a lugar, particularmente en áreas montañosas.
Si no se dispone de datos para un lugar específico, se debe estudiar la variación de los datos promedios de varias ciudades localizadas alrededor del sitio propuesto para el sistema. Use los datos del Apéndice A para preparar los contornos de insolación, o para establecer la información metereológica mensual basándose en los datos de diferentes ciudades. El cálculo aproximado del recurso solar influye directamente el rendimiento y el costo de los sistemas fotovoltaicos independientes.
Insolación
Anteriormente se usó la palabra insolación pero, ¿qué es? Insolación es la cantidad de energía solar que recibe un área determinada durante un período de tiempo dado. Se mide en kilowatt-horas por metro cuadrado. También se usan
mediciones en BIUs por pie cuadrado por hora. Los factores de conversión son:
kWh/m2 = L * 85,93 = 316,96 Btu/pie2hora =3,6MJ/m2
La atmósfera terrestre recibe una cantidad casi constante de energía solar radiante equivalente a 1,37 kilowatts por metro cuadrado. Este es el valor que se obtiene al integrar el área en la parte inferior del gráfico de la figura 1. Ahí se muestra el espectro de radiación extraterrestre junto al espectro de radiación conocido como "masa de aire 1" (MA-l). Este valor indica el efecto que sufre la radiación al atravesar el espesor de 1 atmósfera. Es evidente que la atmósfera tiene una gran capacidad de absorción y reduce la energía solar que llega a la tierra, particularmente en ciertas longitudes de onda.
Los datos de insolación se presentan frecuentemente como valores de promedio diario para cada mes. La irradiancia máxima es la disponible al mediodía solar de cualquier día dado, no importa cual sea la estación. El mediodía solar se define como la hora cuando el sol llega a su apogeo durante su trayectoria a través del firmamento. El término "horas de sol máximo" se define como el número equivalente de horas diarias en que la irradiancia solar alcanza un promedio de l.OOO WIm2. Seis horas de sol máximo significa que la energía recibida durante el conteo total de horas con sol en el día es igual a la energía recibida si el sol hubiera brillado durante seis horas a 1.000 W/ metro cuadrado. Las horas de sol máximo corresponden directamente a la insolación y las tablas incluidas en el Apéndice A se pueden leer de cualquiera de las dos maneras.
En el norte de México y algunas zonas del centro y occidente, la irradiancia solar a nivel del suelo normalmente excede el valor de 1.000 WIm2. En algunas regiones montañosas, se han registrado lecturas de hasta 1.200 WIm2. Los valores medios son menores para la mayoría de las otras regiones, pero se pueden recibir valores instantáneos máximos de hasta 1.500 WIm2 durante los días en que haya reflexión de nubes blancas. Estos niveles tan altos raramente duran más de algunos segundos. La insolación varía con las estaciones debido al cambio de posición de la tierra con respecto al sol. El efecto de esta variación se puede reducir a un mínimo al establecer el ángulo de inclinación del conjunto fotovoltaico con un valor igual al ángulo de latitud. Los ángulos del sol pueden calcularse para cualquier localización y fecha específica. La figura 2 muestra la trayectoria diaria del sol para un lugar del hemisferio norte. Esta trayectoria representa el ángulo relativo del sol con respecto a una superficie horizontal para una latitud de 40 grados en el hemisferio norte.
Los datos de insolación de uso común se midieron sobre superficies horizontales.
GRÁFICO 3
Trayectorias estacionales del sol a 40 grados N de latitud.
GRÁFICO 4
Mapa de insolación en México.
Recientemente, se han tomado y registrado medidas de insolación sobre superficies inclinadas.
Rendimiento del proceso fotovoltaico
El rendimiento de operación de una célula solar se define como el cociente entre la energía eléctrica producida y la energía solar interceptada por su superficie. Cuando se optimiza la carga que la célula debe alimentar el rendimiento es máximo. Existen ciertos factores que influyen en mayor o menor medida en el rendimiento de una célula solar. Estos pueden ser de origen interno o externo como características del material, espesor de la oblea, superficie activa, geometría de los contactos, etc.
También pueden ser factores ambientales como temperatura de operación y composición espectral de la radiación.
Energía fotovoltaica, en sistemas de generación de electricidad
En un modulo fotovoltaico, hay un determinado número de celdas que, interconectadas, producen la cantidad de electricidad requerida en cada caso.
Los paneles pueden también ser interconectados hasta lograr el voltaje necesario para iluminación, bombeo de agua, etcétera. Por ejemplo, un metro cuadrado de celdas solares nos dará la energía suficiente para hacer funcionar un refrigerador pequeño. Los sistemas fotovoltaicos pueden estar equipados con acumuladores (baterías o pilas) que durante el día almacenan la energía para poder ser utilizada en las noches o días muy lluviosos o pueden estar inteconectados a la red (Se ampliara este tema mas adelante). Cabe señalar que las celdas solares también funcionan en días nublados, aunque no con la misma eficiencia que lo hacen en días soleados.
Celdas solares.
SISTEMAS EÓLICOS
Los eólicos o también conocidos como aerogeneradores o turbinas de viento, son muy conocidos a nivel mundial, sobre todo en países europeos precursores y promotores de esta tecnología, como en Holanda, Dinamarca, Holanda, Alemania y España, aunque también desde hace décadas en Estados Unidos y en Latinoamérica se ha incursionado también en la instalación de estos recientemente.
En México existen ya, desde hace algunos años, parques eólicos en el estado de Oaxaca, en la zona conocida como el Istmo de Tehuantepec (zona catalogada con excelentes condiciones de viento y que se encuentra entre las mejores del mundo), donde la Comisión Federal de Electricidad (CFE) posee diversas unidades y algunas otras de la iniciativa privada.
Cuando el sol comienza a incidir sobre la superficie terrestre, o deja de hacerlo, la atmósfera se calienta o de enfría, causando con ello gradientes de temperatura, lo que trae consigo diferencias de presión, y como consecuencia los vientos, origen de la energía eólica. La energía eólica ha sido utilizada desde la antigüedad por barcos y molinos. Para la producción eléctrica se utilizan aparatos con gran tecnología, que se denominan aerogeneradores o turbinas de viento. Las turbinas eólicas convierten la energía del movimiento del viento (energía cinética) en energía mecánica (movimiento sobre un eje). En los generadores de la turbina, ésta energía mecánica se convierte en electricidad.
Aerogenerador o turbina de viento_____________Mapa de viento de México.
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La electricidad generada se puede almacenar en baterías, utilizarla directamente o también como con los sistemas fotovoltaicos, inyectarla a la red de la CFE, básicamente el funcionamiento y componentes de un generador de electricidad, vía eólica, es igual a la de un fotovoltaico, con la diferencia en el componente de generación.
Los aerogeneradores, se diseñan para generar energía dentro de ciertas limites de velocidades del viento. La velocidad más baja, llamada velocidad de corte inferior que es generalmente de 1.5 a 4 metros por segundo (m/s). Hoy en día, la energía mas barata de generar, sobre cualquier otra, es la proveniente de eólicos, claro esta, siempre y cuando existan adecuadas condiciones de viento, sin embargo y a diferencia de los fotovoltaicos, requieren de mayor mantenimiento (y este dependerá del tipo y tamaño del eolico), debido al desgaste que hay en los componentes con movimiento.
Es por esto que no cualquier viento es apto para producir energía a través de la mayoría de los aerogeneradores comerciales y probados (es decir, que no estén en etapa experimental y sean producidos masivamente), se busca que el viento tenga cuatro factores, importantes para una apta generación, y son: velocidad, densidad, dirección y constancia, en Jalisco por ejemplo, hay algunos estudios de las condiciones generales del viento y no han sido prometedores, sin embargo hay algunas zonas en la costa y en el noroeste del estado (en la zona colindante con Aguascalientes y Zacatecas), que pueden ser viables para la generación (aunque pueden existir otras, fuera de estas zonas, que también lo sean).
Los aerogeneradores, deben de ser instalados en un área, que no tenga obstáculos cercanos, y, los que sean inevitables, tengan menor altitud a la que tenga el mástil o poste donde se coloque, ya que estos obstaculizan el viento y crean turbulencias, factores que afectan el desempeño y la generación. Cuando se tienen, bien definidas las condiciones generales y promedios del viento, es fácil determinar que tipo y el tamaño del eolico que puede abastecer la energía deseada, pero sin estos elementos, resulta imposible determinar la cantidad de generación.
La electricidad de fuentes renovables se puede utilizar, principalmente, de tres formas:
A) Autónoma. No hay una red de distribución pública disponible o no hay conexión a la misma. Los paneles solares y/o eólicos, producen electricidad para la iluminación y alimentación de un televisor y una radio, una bomba de agua, un refrigerador o electrodomésticos, ya sea alimentándolos con corriente directa o utilizando un inversor para generar corriente alterna.
Generalmente, la electricidad es almacenada en baterías con el fin de asegurar el suministro de energía durante la noche y en momentos en los que los paneles solares y/o eólicos, no produzcan electricidad, pero también la energía puede ser utilizada directamente, por ejemplo, en bombeo de agua, y a estos se les denominan:
Sistemas autónomos o sistemas isla.
Los sistemas autónomos son instalados en los casos en que no se tiene acceso a la red de distribución pública de electricidad o si se desea ser independiente de la misma. Y como ya se menciono, cuando se quiere disponer de ella en distintos momentos de las 24 horas, se requiere de un banco de acumuladores o baterías, con el fin de asegurar el suministro de electricidad durante la noche o periodos de escasez de luz solar y/o viento.
Los sistemas pequeños cubren las necesidades más básicas (iluminación y, en algunos casos, televisión o radio); los sistemas más grandes pueden alimentar, además, una bomba de agua o hidroneumático, refrigerador, lavadora, secadora, microondas y herramientas eléctricas (como un taladro, una máquina de coser, etcétera) y una videocasetera. Para efectos prácticos, los sistemas fotovoltaicos y/o eólicos, podrían ser tan grandes como para abastecer una o varias ciudades (todo va en funcion del tamaño del sistema requerido). El sistema puede componerse de módulos fotovoltaicos y/o aerogeneradores, controlador de carga, baterías de almacenamiento, inversores (si se desea corriente alterna), cables, centro de carga y distribucion, y estructura de soporte.
B) Conectada a la red. En la zonas donde hay una red de distribución pública disponible, usted puede instalar paneles solares y/o eólicos, para producir su propia energía limpia, utilizando la luz del día y el viento, y un espacio en su techo o predio (o cualquier otro espacio libre de sombra y obstáculos), y estos se denominan como:
Sistemas conectados a la red o de interconexión.
En aquellos casos en los que, aun habiendo conexión a una red de distribución pública (como la CFE), el usuario que desea contar con electricidad generada por una fuente limpia (solar y/o viento), puede interconectarse conectarse a la red. Si se instalan suficientes paneles o eólicos adecuados, los artefactos eléctricos en el hogar/edificio operarán, entonces, con electricidad de fuentes renovables. Un sistema conectado a la red consta, básicamente, de uno o más paneles solares y/o eólicos, inversor, cables, centro de carga y distribución, y la estructura de soporte para montar los paneles solares.
Para conectar el sistema a la red, se emplea el inversor (que puede ir interconectado a una, dos o tres fases, e inclusive a media tensión). Podemos mencionar que hay 2 modalidades de interconexión, con respaldo (de emergencia, véase párrafo C) y sin respaldo.
Un inversor de interconexión sin respaldo (o dedicado), se coordina con el voltaje y frecuencia que la red tiene, de modo que cuando hay generación, la energia alimenta ya sea a las cargas, y en caso de contar con excedentes, se inyecta a la red, o en caso contrario de tener mayor demanda que generación, la energía faltante de toma de la red, sin embargo, cuando no hay servicio de la red, esta generación, también se pierde. Cabe destacar que este tipo de instalación, es el más común a nivel mundial para todas las aplicaciones.
GRÁFICO 6
sistemas conectados a la red.
C) De emergencia conectados a la red o de interconexión (con respaldo).
El sistema está conectado a una red de distribución pública poco confiable. En caso de corte de fluido eléctrico, la electricidad solar cubrirá la demanda de energía, conocidos también como:
Sistemas solares con respaldo.
Los sistemas de generación de electricidad solar de emergencia se instalan cuando hay conexión a la red de distribución pública, pero el suministro de electricidad no es confiable, se cae ocasionalmente o simplemente se desea contar con un respaldo. El sistema solar de emergencia puede ser utilizado para suministrar electricidad durante los cortes de fluido eléctrico de la red (apagones). Un sistema solar de emergencia pequeño puede generar corriente eléctrica para cubrir las necesidades más importantes, tales como iluminación y alimentación de equipos de computación y telecomunicaciones (teléfono, radio, fax, etc.). Un sistema más grande puede ser dimensionado para abastecer si se desea, todas las cargas conectadas. Cuanta más energía consuman los artefactos y mayor sea la duración de los cortes de energía, más grande debe ser el sistema solar y su banco de baterías. En sistemas de inversor con respaldo, donde se utilizan baterías, el inversor trabaja de forma similar al inversor dedicado, sin embargo, si se cae el servicio de la red, el inversor de forma automática, toma energía de las baterías, para energizar las cargas conectadas al mismo, no perdiendo así la energía generada por los paneles, ya que al contar con respaldo de un banco
de baterías, se aprovecha para la generación. También sirve como un gran regulador de energía, ya que cuando hay altas o bajas de voltaje, corta el suministro de la red, y genera un voltaje y frecuencia estable para las cargas.
Al retornar el servicio de la red y/o, un voltaje y frecuencia estables, el sistema nuevamente se coordina con la red, y funciona nuevamente inyectando la energía excedente a la red o tomando la energia que no se genera en el momento y que demandan las cargas.
Componentes y requerimientos. Los paneles solares, pueden ser montados en el techo de una casa, bajo el ángulo de inclinación y orientación óptimo, con una estructura de soporte. Y los aerogeneradores, son montados en la parte superior de postes o torres, que generalmente van, en sistemas pequeños a 6 m. De altura, en medianos de 10 a 30 m, y en grandes de 100 a 150m.
Si bien una persona hábil puede realizar gran parte del trabajo de instalación, el dimensionamiento de un sistema de esta índole, así como todas las conexiones eléctricas y programación de los mismos, deberán ser llevadas a cabo por un profesional capacitado (esto es importante, por motivos de seguridad, pero también por las garantías de los equipos ,del sistema y del adecuado funcionamiento). Para utilizar paneles solares y/o eólicos como fuente de energía segura y confiable, es necesario primordialmente conocer la demanda de energía, el uso de esta en el tiempo (como, cuando y cuanto) y las cargas que serán energizadas, una vez que se cuenta con estos datos, se dimensiona un sistema en base a las necesidades o a la energía deseada, a las cargas que se conectaran y a las condiciones de insolacion y/o viento de la zona.
Adicionalmente se requiere contar con los siguientes componentes adicionales: cables, una estructura de soporte y, dependiendo del tipo de sistema (conectado a la red, autónomo o de emergencia), un inversor o un controlador de carga de baterías y un banco de baterías.
Cabe mencionar que estos sistemas son escalables, es decir, pueden aumentar en capacidad de generación, almacenaje o potencia de energia, y dependiendo de los requerimientos, las capacidades de los componentes, del área o espacio en donde se puedan instalar y del dimensionamiento especifico, los sistemas pueden crecer agregando paneles fotovoltaicos, baterías, inversores y/o controladores de carga.
Tipos de acumuladores (baterías o pilas). Existen muchos tipos de baterías. En las baterías para sistemas fotovoltaicos independientes, comúnmente se usan los siguientes términos: baterías de ciclo profundo, ciclo poco profundo, electrolito gelatinado (baterías de gel o selladas), cautivo o líquido y hermética o abierta. La batería hermética en realidad es regulada por una válvula que permite la salida del hidrógeno, pero no la adición de electrolito, En la batería abierta se asume que se agregará agua destilada al electrolito líquido como sea necesario. Todas las baterías requieren un mantenimiento periódico para poder tener una larga vida útil.
Los tipos de baterías que se usan comúnmente en los sistemas fotovoltaicos independientes pertenecen a la familia de baterías de cromo-ácido. Estas baterías se pueden obtener con electrolito líquido o cautivo. Son recargables, fáciles de mantener, relativamente económicas, y obtenibles en una variedad de tamaños y opciones. Debido a que el plomo es un metal blando, frecuentemente se agregan otros elementos, como antimonio o calcio, para reforzar las placas y cambiar las características de la batería. La batería de plomo-antimonio que se usa más a menudo en sistemas fotovoltaicos independientes, es la de tipo abierto, porque requiere un alto consumo de agua destilada. Las baterías de plomo-calcio se pueden usar cuando no se anticipan descargas profundas. Su costo inicial es menor,
pero tienen una vida útil más corta que la de las baterías de plomo-antimonio.
Ya se pueden adquirir comercialmente baterías de níquel-cadmio diseñadas específicamente para aplicaciones fotovoltaicas. Su costo inicial es más alto que el de las baterías de plomo-ácido pero, en ciertas aplicaciones, su costo por ciclo de vida útil puede resultar más bajo. Las ventajas de las baterías de níquel-cadmio incluyen una larga vida, poco mantenimiento, durabilidad y capacidad de soportar condiciones extremas. Además, las baterías de níquel-cadmio son más tolerantes a ciclos extremos de carga y descarga.
Baterías.
Aplicaciones
Desde un punto de vista histórico, el motivo de la construcción de las celdas fotovoltaicas fueron los satélites artificiales; las ventajas encontradas en este tipo de generadores fueron: peso reducido, larga vida, ocupación de espacio mínima y nivel de insolación elevado y continuo por estar fuera de la atmósfera terrestre.
Pero, mas allá de las aplicaciones espaciales, los sistemas fotovoltaicos tienen, entre otras, las siguientes aplicaciones:
a) Electrificación rural y de viviendas aisladas. Existen muchas zonas rurales y viviendas aisladas donde llevar energía eléctrica por medio de la red general sería demasiado costoso y por lo tanto no cuentan con este servicio.
En este caso, la instalación de un generador fotovoltaico o luminarias solares, es ampliamente rentable.
b) Comunicaciones. Los generadores fotovoltaicos son una excelente solución cuando hay necesidad de transmitir cualquier tipo de señal o información desde un lugar aislado, por ejemplo, reemisores de señales de TV, plataformas de telemetría, radioenlaces, estaciones meteorológicas, radioteléfonos de emergencia.
c) Señalizaciones. Aquí la aplicación puede ser relativa a la navegación de embarcaciones o vehículos terrestres, o a sus señalizaciones, como alimentar eléctricamente letreros, advertencias de cruces y desviaciones, faros, boyas, balizas, plataformas y embarcaciones.
d) Ecoturismo. Hoy en día, existe un gran numero de turistas, en busca de lugares de aventura y lejos de la civilización, que al encontrar las comodidades que la electricidad nos ofrece, en hoteles que la disponen, les resulta mas atractiva y cómoda su estadía.
e) Agricultura, ganadería y piscicultura. Se está teniendo una atención muy espacial en estos sectores. Mediante generadores fotovoltaicos podemos obtener la energía eléctrica necesaria para granjas que conviene que estén aisladas de la zonas urbanas por motivos de higiene. Sin embargo, la aplicación más importante y de futuro, es el bombeo de agua para estanques de cultivo de peces, riego y alimentación de ganado que normalmente se encuentra en zonas no pobladas. Otras aplicaciones pueden ser la vigilancia forestal para prevención de incendios.
f) Aplicaciones en la industria, comercio y residencias. Cualquier hogar, almacén, establecimiento, fabrica, nave industrial, oficinas, centros comerciales, entre otros, que busquen reducciones en su costo energético y los beneficios aledaños de estos sistemas.
g) Difusión de la cultura. Televisión escolar para zonas aisladas. Difusión de información mediante medios audiovisuales alimentados eléctricamente mediante generadores fotovoltaicos.
Contrato de interconexión para fuente de energia renovable con la CFE en México
El gobierno federal autorizo la generación de energía solar en pequeña escala, por lo que tiene listo el formato de contrato de interconexión que deberán de firmar las personas interesadas.
La Secretaria de Energía (Sener) aprobó el 27 de Junio del 2007, a la Comisión Federal de Mejora Regulatoria (Cofemer) el modelo de contrato respectivo, publicándose en el Diario Oficial.
Las personas Físicas (residencias y predios), ya pueden tener instalados en un arreglo fotovoltaico (se esta realizando la modificacion en el contrato para incluir la fuente eolica), hasta 10 kilowatts de poder y para personas Morales (Empresas, comercios y negocios) hasta 30 kilowatts, y en ciudades como Guadalajara (donde la insolación promedio es de 5.7 horas) se podrá generar (considerando las perdidas) hasta 50 kilowatts promedio por día (Físicas) y hasta 150 kilowatts (Morales), y deberán firmar el convenio respectivo con la Comisión Federal de Electricidad (CFE).
La interconexión con el sistema eléctrico nacional, es necesaria para que la CFE aproveche al generador al tiempo que éste sigue requiriendo del servicio normal cuando no salga el sol. El contrato tiene 16 cláusulas. Una vez firmado el contrato, la CFE, proporciona y coloca un medidor bidireccional (especial para estas aplicaciones), que permite medir tanto la energia tomada de la red, como la excedente que se inyecta del sistema solar, descontando así al final de cada periodo de facturación, la energía solar al cobro por energía suministrada por CFE, y esta contemplada la posibilidad de que el particular tenga un saldo a favor, que la empresa va a compensar, hasta en 12 periodos posteriores, o 6 según sea el caso (1 año). "Será a cargo del generador (o sea, del particular) cualquier modificación que sea necesario realizar en las instalaciones existentes para lograr la interconexión, misma que, en su caso, realizará bajo la supervisión del suministrador y previa autorización de este".
Los contratos serán por tiempo indefinido. Si bien la Constitución señala que solo el Estado puede generar energía eléctrica, las reformas de 1992 a la Ley de Servicio Público de Energía Eléctrica ya existe la posibilidad de otorgar permisos para autoconsumo.
Desde entonces la Comisión Reguladora de Energía otorga autorizaciones, pero han sido para empresas capaces de instalar sus propias plantas, que además pueden vender ciertos sobrantes a la CFE para su uso en el Sistema Eléctrico Nacional (Esto es para empresas o instituciones que convengan un sistema fotovoltaico, eolico u de otra índole de mayores dimensiones). En los casos de auto-consumo menor a 5 megawatts, el reglamento de la ley mencionada señala que no se requiere permiso de la CRE, con lo que bastará con firmar el contrato con CFE.
GRÁFICO 7
Componentes:
1. A y B: Decidir que tipo de energía es mas eficiente en el
lugar de la instalación, puede ser solar, puede ser eólica
(por viento) o ambas (hibrido).
2. C: Componentes electrónicos, que van a tomar la energia,
controlar, contar, administrar y transformarla, para enviarla
a cargas, a la red o a baterías (si se tienen).
3. D: (Opcional) Se puede contar con un Banco de baterías,
para respaldo de energia.
4. E y F: Medidor "bidireccional" especial para sistemas de
interconexión y contrato con CFE.
* Espacio para paneles, por cada kwh al día es necesario
1m2. Y para los componentes electrónicos, dependerá de
la marca, potencia requerida y baterías (si se quieren).
Beneficios de este tipo de Sistemas
Beneficios de sistemas generadores de electricidad vía paneles fotovoltaicos y/o eólicos:
A) Para los usuarios
1) Ahorro energético. Consumo: Considerando como referencia el consumo promedio de una casa para 4 personas esta entre los 6 y 8 kwh diarios, tenemos que el consumo bimestral esta en un rango entre los 354 y 472 kwh, dando un promedio para efectos prácticos de 415 kwh, la tarifa residencial más común y más barata es la 01, donde encontramos subsidiados para consumo superior a 280 kWh bimestrales las tarifas a costo actual de:
Tarifas a costo anual.
De modo que como mínimo bimestral, se pagarían promediando este consumo, 150 kwh por $0.649 = $100.65 pesos, mas 100 kwh por $1.064 pesos = $110.5 pesos, y el excedente en este caso promediado son 165 kwh por $2.262 pesos = $386.93 pesos, lo que gira un total en el recibo de $688 pesos con IVA.
Si estos cálculos los hacemos sobre una casa que consume más de 8 kwh diarios, que son tarifas que al rebasar un consumo bimestral de 500 kwh (tomando lecturas en 6 bimestres y si 4 de estos la llegan a rebasar), la CFE cambia a la tarifa DAC (Doméstica de Alto Consumo), y el costo por kwh es de $3.29 (con IVA) aplicado a todo el consumo, más un cargo fijo de $80 pesos y el recibo para cuando menos 501 kwh de consumo bimestral, sería de $1,728.30 pesos con IVA.
Considerando que se busca, por un lado, no convertirse en un consumidor con tarifa DAC, y poder generar la energía, para evitar los kwh en tarifa 01 excedente, una casa con consumos promedios de 7 kwh diarios, se buscaría cuando menos generar 3 kwh diarios o parte de este consumo, ahorrando bimestralmente $485 pesos ($2,912 anual), o si ya está catalogado en un consumo DAC, buscar regresar a la tarifa 01, ahorrando aún más por el alto costo del kwh que es de $3.29. Además, recordemos que las tarifas están incrementando 1.73 por ciento bimestral o 10.38 por ciento anual, y debemos considerar posibles incrementos y/o reducción en subsidios, lo que hace que ahorremos más en nuestro recibo con el transcurso del tiempo.
2) Amortización, duración y garantías. Considerando que el costo total del sistema fotovoltaico, es elevado, y tomando en cuenta que con solo el ahorro energético a valor presente, se amortizaría el equipo entre 15 y 20 años (cuando no hay deducciones fiscales a aplicar), se tiene que también tomar en cuenta que el porcentaje de amortización vs ahorro, es mayor hasta por el doble de la inversión de nuestro dinero en el banco.
3) Considerar el valor intrínseco en el sistema. Es decir, incrementa el valor de nuestra propiedad, ya que cuenta como activo y atractivo para la valuación y/o venta del inmueble (Solo los paneles pueden representar alrededor de 60 por ciento del costo total del equipo, y cuentan con 25 años de garantía, y un tiempo estimado de vida de más de 50 años). Sin embargo, también pueden ser reubicados fácilmente en otro predio.
4) Beneficio fiscal. La inversión en estos equipos se deduce 100 por ciento en el primer año, esto bajo el artículo 40, fracción 12 de la ley al ISR, más deducciónes vs IETU, que aplica en porcentaje según el esquema fiscal que se encuentre, para todas aquellas personas físicas o morales que trabajan desde su casa o la utilizan para su negocio de alguna forma (se compra o renta para empleados, o visitas de negocios, etcétera), o que funja como oficina o
herramienta de trabajo.
5) Esto conlleva también a presentar una imagen, como individuo, empresa u empresario, preocupado por el medio ambiente, que por añadidura trae beneficios tanto como persona, padre responsable, vecino y ciudadano, así como mercadológicamente siendo una empresa. Y no solo como imagen, sino el beneficio real y directo al medio ambiente, que se pueden plasmar en cifras que se prediquen y orgullosamente presuman, o para que se publiquen como parte de una campaña promocional de hechos, las toneladas no emitidas de CO2 a la atmósfera. La utilización de electricidad convencional (como la proveniente de la CFE), contamina el medio ambiente, ya que en Mexico, más de 80 por ciento de la electricidad, es producida en plantas termo-generadoras, las cuales requieren de (energéticos fósiles) como el carbón, gas, combustoleo o diesel que al quemarse, para generar electricidad, contaminan el medio ambiente.
6) Los sistemas solares y/o eólicos, que cuentan con un banco de baterías, también dan como beneficio, a aquellos circuitos que se incluyan en el sistema la protección de nuestros equipos contra las frecuentes y muy conocidas, picos de voltaje, que dañan los equipos y electrodomésticos, prolongando también la vida de los mismos. Además, el privilegio de contar con energía, aun cuando se caiga el servicio de la red de la CFE (o sea cuando no haya
energia, usted la tendrá).
7) Y el mismo hecho de contar con iluminación cuando no la hay, se refleja en mayor seguridad, e impacto visual.
8) Son escalables, se puede comenzar con un sistema de menor costo y por ende tamaño, e ir incrementando su capacidad de producción añadiendo paneles fotovoltaicos, turbinas de viento, baterías y equipamiento que le den mayor producción, reserva energética y potencia.
9) La instalación es rápida y prácticamente no se requiere de modificaciones, los paneles se sitúan en la azotea (o una zona libre de sombras), y de ahí la energía se transmite vía cables que vayan por un ducto, de preferencia al centro de carga de la casa, sitio donde también se recomienda instalar los equipos (controlador solar, inversor y switches de protección) así como las baterías (en caso de tenerlas). Esta instalación depende mucho de la zona,
sin embargo se lleva entre 1 y 4 días. 10) Requieren de mínimo mantenimiento, en el caso de las celdas fotovoltaicas, es cuestión de limpiarlas en tiempos de estiaje (cuando no llueve, ya que con la lluvia se limpian solos), cada 2 meses, esto con un trapo mojado para remover polvo, mugre, excrementos de aves u obstáculos que le quitan eficiencia a la captación de luz solar.
En el caso de las baterías de ácido (las selladas no lo requieren), revisar el nivel, cada dos meses, y, si le hace falta, rellenar con agua destilada, así como una ecualización anual (esto se hace con el mismo equipo y se capacita cómo hacerlo). Los inversores y controladores, ubicados en una zona fresca, seca y libre de polvo, no requieren de mantenimiento, aunque si de revision periodica, por si llegasen a fallar o acumulen polvo (el cual puede ser removido con aire comprimido).
Y los eólicos, el mantenimiento es variable y depende del tipo y tamaño del mismo, pero puede variar desde anual, hasta cada cinco años.
B) Para sistemas en empresas, comercios, desarrollos urbanos y/o proyectos
1) El primer beneficio es la mercadotecnia única que dispondrían como empresa, constructora, o agronegocio, al incursionar a la vanguardia en ofrecer un proyecto de grandes dimensiones, o vivienda ecológica y sustentable, con este tipo de tecnología. Esto les beneficia directamente en la imagen general como empresa y particular como proyecto, así como en el factor plus que obtienen, para competir con los productos y/o proyectos que la competencia trae, impactando también en la agilización de ventas y toma de decisiones por parte de los prospectos.
2) Existe también el mismo factor del beneficio fiscal, ya que la inversión en estos equipos, se deduce 100 por ciento en el primer año, esto bajo el articulo 40, fracción 12 de la ley al ISR (Se anexa en archivo) mas deducción vs IETU, que aplica en porcentaje según el esquema fiscal en que se encuentren.
3) Existe también un ahorro monetario y beneficio de imagen, ya que los proyectos que cuenten con estos equipos generaran electricidad y podrán utilizarse en horarios nocturnos, así como dejar iluminación externa e interna encendida, dando una mejor imagen y seguridad al conjunto del desarrollo.
4) Para desarrolladores de vivienda, las casas ofertadas al público y con esquema de financiamiento o hipoteca, podrán ahorrar más y quedarse con más dinero en la bolsa mensualmente, ya que por los plazos de los créditos, ahorrarán más, en electricidad, que el incremento en la mensualidad que paguen por el costo de la vivienda con su equipo generador de electricidad.
5) Una imagen también como empresa preocupada por el medio ambiente, por añadidura trae mercadológicamente beneficios. Y no solo como imagen, sino el beneficio real y directo al medio ambiente, que se pueden plasmar en cifras que se publiquen como parte de la campaña promocional de hechos, las toneladas no emitidas de CO2 a la atmósfera del o de los desarrollos en conjunto (ver anexo CO2).
6) Esta etapa o proyecto como prueba piloto podrán determinarse los beneficios para nuevos proyectos donde ya a nivel macro, se puede incluso pujar por participar en el mercado de los bonos de carbono, inscribiendo y certificando el proyecto ante el banco mundial.
7) Hay algunos apoyos gubernamentales al campo, depende del tipo de empresa, del tipo de proyecto y de los beneficios que aporte (como la generación de empleos y activación de la economía local, sin embargo, se pueden buscar otro tipo de beneficios con el gobierno (lo que ya se hace a nivel mundial y en algunos municipios de estados mexicanos), que apoyen a este tipo de tecnologías, por ejemplo, como el buscar condonar el costo o algún porcentaje, en licencias y permisos, condonar también, para los usuarios finales o clientes, en impuestos prediales o de escrituración, etcétera… y esto puede marcar pauta como proyecto inicial, publicitando tanto al gobierno como al constructor.
8) Existe también el recurso de la hipoteca verde, sin embargo por los costos de los equipos, aun no se consideran parte de la misma, sin embargo con una gestión piloto, se puede buscar un esquema especial, este tema se ha tratado con FIDE, y muestran un verdadero interés por apoyar a algunos de estos proyectos.
C) Para sistemas en dependencias, instituciones u oficinas gubernamentales
1) Aunado a muchos de los beneficios anteriormente descritos, como lo es el ahorro en costos de energía, mejora de imagen demostrando con el ejemplo, una clara preocupacion por el medio ambiente, inversión que incrementa el valor del inmueble, uso e impulso de tecnologias de punta, y los demas descritos, adicionalmente, el sistema genera beneficios como infraestructura en el país.
2) El gobierno, al invertir en infraestructura de generacion de energía, se refleja directamente en proporción, a infraestructura instalada que no necesitará realizar en el presente o futuro, para la creciente demanda en el país (termoeléctricas o hidroeléctricas).
3) Tambien el sistema fotovoltaico al generar en el sitio energia, ahorra las pérdidas por transmision que tiene la CFE.
4) Y con estos sistemas en específico, se comienza con apoyar la autosustentabilidad en el país, en materia energética.
Costos de estos sistemas
El costo de los sistemas generadores de electicidad (fotovoltaicos y eolicos), depende y va en función a cuatro factores:
1. De los requerimientos de energía que se desea obtener, puede ser el total o parte de esta.
2. De la insolación y/o viento de la zona (y de los posibles obstáculos), ya que dependiendo de esta, será el tamaño del arreglo fotovoltaico o del eólico y, en su caso, de los acumuladores que se requieran.
3. Del tipo de sistema que se necesite o se quiera adquirir (su tamaño, si es aislado, interconectado, con o sin respaldo, etcétera).
4. De la accesibilidad a la zona donde se instalarían y la facilidad para su instalación (es más costoso en zonas remoras o rurales, donde hay poca infraestructura para su fijacion, y se requieran de estructuras, ducteria y cimentaciones especiales).
Sin embargo podemos citar como ejemplo en el caso de los sistemas fotovoltaicos (ya que los eólicos varian drásticamente debido a las condiciones de viento y el tamaño del eólico requerido) y tomando en cuenta una zona con promedio de insolación arriba de 5 kilowatt hora (kwh) por metro cuadrado por día, volviendo a hacer incapié, en que depende del tipo de sistema y componentes que se requieran o se deseen (y sin considerar los costos de instalacion), entonces los costos por Kilowatt "GENERADO" en promedio diario y por tipo de sistema serían:
En sistemas aislados, el costo para un sistema por cada ▪ kwh puede ser de entre $25,000 y $35,000 pesos más IVA.
- En sistemas Interconectados va de los $20 mil a $30 mil pesos más IVA
- Y en sistemas interconectados sin respaldo o baterias, fluctua de los $15 mil a los $20 mil pesos más IVA, como ejemplo en este tipo de sistemas, si en su recibo de la CFE su consumo promedio diario es de 5 kwh, un sistema costaría entre $75,000 y $100,000 pesos mas IVA.
Como referencia 2 metros cuadrados de módulos fotovoltaicos, equivalen a 250 watts de poder (wp) utilizando módulos de alta eficienca mono o poli cristalinos, de modo que 8 metros cuadrados (1 kwp), en una zona con estas condiciones, genera en promedio 5 kwh al día.
GRÁFICO 8
Referencias de costo.
El recurso solar para el calentamiento de agua, en
aplicaciones residenciales, comerciales e industriales
Guillermo Corona Jazo / Frank Weiss
E2 Energías, S.A. de C.V.
INTRODUCCIÓN
En el calentamiento de agua tradicional para usos doméstico, de servicios e industrial se consumen enormes cantidades de energía. Las formas más comunes de calentar agua se realizan por medio de leña o carbón vegetal o mineral, petróleo, gas y electricidad; sin embargo una forma eficiente, ecológica y económica de hacerlo es también con radiación solar, a través de calentadores solares.
Aunque en todos los casos el resultado final es el mismo, agua caliente, el proceso es muy diferente, como se muestra en el siguiente esquema:
FIGURA 1
Procesos de calentamiento de agua.
El primero es un proceso de millones de años; el segundo es instantáneo. En el primero se utiliza una valiosa materia fósil como combustible, que pudiera ser utilizada como materia prima de diferentes productos; en el segundo no se consume ninguna materia, excepto la materia inicial para crear los componentes del sistema solar. El primero es una de las causas de mayor contaminación (emisión de contaminantes que causan el efecto invernadero); el segundo no contamina. Es evidente que no es adecuado utilizar la valiosa materia fósil como combustible, la cual además tiene un alto costo, cuando existen métodos más sencillos para generar calor y calentar agua.
CALENTADORES SOLARES
En estos tiempos y por diferentes causas, avanza de manera aceleradael uso de calentadores solares de agua, tanto para pequeños como para grandes consumidores, aunque dependiendo del tipo de sistema tiene sus limitantes para lograr sobre todo altas temperaturas (arriba de 100° C). Ya en algunos países es obligatorio su uso para determinados fines, principalmente en las nuevas construcciones.
El que sistema solar que ha alcanzado mayor éxito es el calentador solar de tubos al vacío. Sin embargo describiremos aquí los diferentes tipos mas comunes.
Calentador plano
Existen en el mercado diferentes tipos de calentadores solares. El modelo más antiguo, creado desde hace mas de 40 años, y que sirve para el aseo personal y uso domestico o de cocina (lavadoras de ropa y trastes) en las condiciones tropicales es el llamado "calentador compacto o de colector plano", por su sencillez, eficiencia y bajo costo, logrando temperaturas de hasta 60°C.
Calentador plano.
Calentador de tubos al vacío
Calentador de tubos al vacío.
Los calentadores de tubos al vacío tienen el mismo principio de trabajo que los colectores planos, o sea, la radiación es recibida por el absorbedor y llevada en forma de calor hacia un tanque acumulador. La diferencia consiste en que el absorbedor está formado por tubos en los cuales se ha hecho vacío para disminuir las pérdidas de calor y dentro del tubo van colocadas las secciones del plato absorbedor.
Algunos modelos están formados por tubos sencillos de vidrio, los cuales tienen en su interior un sector de plato plano de absorción acoplado a un tubo metálico por donde fluye el líquido. En otros modelos el absorbedor suele ser un tubo interior con tratamiento óptico selectivo, lo que mejora todavía más la eficiencia del colector. Entre el tubo interior y el exterior, ambos concéntricos, existe vacío.
Detalle de tubos al vacío.
Hay varios modelos de colectores de tubos al vacío, en dependencia del movimiento del fluido y el método de transferencia de calor utilizado. Los principales son:
- Tubos termosifónicos.
- Tubos en U.
- Tubos calóricos.
En todos los casos, los tubos van directamente acoplados al tanque-termo o a un cabezal, por donde fluye el agua o líquido a calentar.
Calentador solar de tubos termosifónicos
En el caso de los tubos termosifónicos, el agua del tanque-termo fluye directamente por dentro del tubo interior, y su movimiento dentro del mismo se debe al cambio de densidad del agua más caliente, la cual sube, y la menos caliente, que baja (véase figura 2). En este caso, la presión del tanque-termo se trasmite al tubo de vidrio. Estos calentadores no resisten sobrepresión y normalmente trabajan a presión atmosférica. No necesitan intercambiadores de calor, ya que calientan el líquido directamente. Si un tubo se rompe, el sistema se queda sin agua. Las ventajas son su alta eficiencia y su relativo bajo costo.
Calentador solar de tubos termosifónicos.
Existe un modelo en el cual el tubo interior, por donde fluye el agua, no es de vidrio sino de metal (preferentemente cobre) y, por lo tanto, puede trabajar a presión de varias atmósferas. Sin embargo, son más costosos. Como estos calentadores trabajan con circulación natural, requieren una inclinación mínima de 20° con relación al plano horizontal.
Calentador solar de tubos en U
En los calentadores de tubos en U el agua (o líquido) fluye por un tubo metálico (comúnmente de cobre) de pequeño diámetro, doblado en U, que va situado dentro del tubo al vacío y acoplado a la superficie captadora (absorbedora) por medio de una aleta metálica (de cobre o aluminio) (véase figura 3). En algunos casos cada tubo lleva un reflector en su parte inferior con el objetivo de ganar el máximo de radiación solar. Estos calentadores suelen trabajar con circulación forzada, por lo que pueden situarse horizontalmente.
FIGURA 3
Calentador solar de tubos en U.
Calentador solar con tubos calóricos
El calentador de tubos al vacío con tubos calóricos ha significado un gran avance en la tecnología de transferencia de calor, aplicada en este caso al calentador solar. En este modelo, por dentro del tubo de vidrio no fluye el agua, sino que tiene en su eje central un tubo calórico para transmitir el calor solar ganado al agua del tanque-termo o cabezal.
El tubo calórico forma un sistema cerrado de evaporación-condensación y suele ser un tubo metálico largo y fino, herméticamente cerrado, el cual contiene un líquido en equilibrio con su vapor (gas) a determinada presión (vacío) y temperatura. Si la temperatura aumenta, aumenta la fase gaseosa; y si disminuye, aumenta la fase líquida. La temperatura de cambio de fase (líquido-gas-líquido) depende de la presión, la cual cambia directamente proporcional al cambio de temperatura. La presión (vacío) dentro del tubo se selecciona de tal forma que la evaporación empiece a 25 °C, lo que garantiza el funcionamiento del colector solar aún con baja radiación (Fig. 4).
FIGURA 4
Sistema cerrado de evaporación-condensación.
La parte superior del tubo calórico va introducida en el agua del tanque-termo o cabezal. De esta forma, cuando la parte que está expuesta a la radiación solar (dentro del tubo de vidrio al vacío) se calienta, genera vapor y éste sube. Cuando este vapor se pone en contacto con el agua del tanque-termo, la cual está más fría, se condensa, y baja en forma líquida por gravedad a la parte baja del tubo calórico. De esta forma se completa el ciclo.
El tubo de vidrio que se somete al vacío suele ser de borosilicato, por sus buenas condiciones ópticas y resistencia mecánica. En este tipo de colector se requiere que los tubos tengan una inclinación mínima de 20° con respecto a la horizontal, para que el fluido condensado baje por gravedad. Características de los calentadores de tubos al vacío:
• Es un colector fabricado con alta calidad y dada la baja emisividad del tubo (0,08), su alta absortividad (0,93) y su aislamiento por vacío, se consiguen rendimientos superiores a otros tipos de colectores solares.
• El aprovechamiento de la luz difusa permite lograr temperaturas por encima de 40° C en días totalmente nublados.
• En días de radiación normal en Cuba adquiere temperaturas superiores a los 75° C con un consumo promedio calculado de agua caliente.
• El comportamiento térmico es superior a otros colectores solares que se comercializan, y puede trabajar a temperaturas superiores a los 80° C con una eficiencia superior a 50 por ciento.
• La curvatura del tubo de vidrio (de 47 a 58 mm de diámetro) ofrece una mayor resistencia a los impactos que los colectores planos. Se reporta que ha superado pruebas equivalentes a un granizo de 15 mm.
• Su montaje es muy sencillo si se tiene experiencia.
• El transporte es muy cómodo y ocupa poco espacio, al ser totalmente desarmable.
• El mantenimiento es muy sencillo y solo requiere de limpieza una vez al año.
¿Panel plano o tubos de vacío?
La tecnología de tubos de vacío es actualmente las más eficaz de las empleadas en los colectores solares térmicos. Durante un tiempo fue un sistema muy caro y de difícil acceso. Sin embargo este sistema comienza a hacerse cada vez más accesible para algunas aplicaciones, como lo demuestra la proliferación de sistemas compactos de agua caliente por termosifón con tubos de vacío que en los últimos años han invadido mercados como por ejemplo el mexicano
¿Porque los colectores de vacío son más eficaces que los de placa plana?
Para poder dar una respuesta más precisa es necesario conocer los procesos físicos por los cuales la energía calorífica pasa de un cuerpo a otro y que intervienen en los procesos que determinan la mayor o menor eficacia de un colector con respecto a otro.
Formas de transmisión del calor
Existen tres formas en los que el calor se transmite de un cuerpo a otro:
Conducción. Se trata de la transmisión de calor que se produce entre dos cuerpos a distinta temperatura que están en contacto físico directo o entre dos áreas de un mismo cuerpo a distintas temperaturas. El flujo de transmisión del calor dependerá de lo amplia que sea la superficie de contacto entre las dos áreas de distinta temperatura y del desequilibrio térmico que exista entre ellas. Este tipo de transmisión la comprobamos empíricamente al tocar un cuerpo caliente (nos transmite el calor) o al sostener un elemento metálico sometido al fuego (notaremos que el calor se distribuye progresivamente por todo el objeto)
Convección. Tipo de transmisión de calor que sólo se da entre los fluidos, no entre los sólidos. Se produce porque al elevarse la temperatura de un fluido este pierde densidad y asciende sobre el medio más frío y denso transfiriendo a este último su calor. Este tipo de trasmisión se puede comprobar empíricamente colocando una mano sobre un radiador o una estufa. Se notará una suave corriente de aire cálido ascendente
Radiación. Es este caso no se requiere que los cuerpos estén en contacto para transmitirse calor pudiendo existir incluso en vacío entre ellos. Todo cuerpo por el simple hecho de estar a una temperatura superior al cero absoluto (-273° C) emite radiación electromagnética. Cuanta mayor sea su temperatura mayor será la radiación que emita
Por ejemplo, dos cuerpos uno a 30 grados centígrados y otro a 130 grados centígrados emitirán energía radiante. Al colocarse próximos entre si existirá un intercambio de radiación entre ambos. El que está a 10 grados absorberá mucha energía de la radiación del cuerpo de 130 grados y le dará poca. Así el cuerpo de 130 grados emitirá mucha más radiación de la que es capaz de absorber del cuerpo de 10 grados. En ausencia de otros agentes externos, el resultado final será que el cuerpo de 10 grados se calentará y el de 130 se enfriará hasta que alcancen ambos la misma temperatura y lo que absorban y emitan sea la misma cantidad de energía. El ejemplo más claro de este tipo de transmisión de calor nos lo proporciona el mismo Sol, que se encuentra a una temperatura muy alta y nos hace
llegar su calor a través del espacio vacío. Normalmente se suelen dar los tres tipos de transmisión del calor a la vez aunque en distintas proporciones cada uno.
En los colectores de energía solar podemos establecer las siguientes relaciones de transmisión del calor. El sol incide sobre el colector y este sube de temperatura. Con ese calor lo que se busca es calentar un fluido deseado, normalmente el agua (o agua y anticongelante). Sin embargo no todo el calor generado se aprovecha para calentar el fluido deseado ya que una parte se perderá irremediablemente en calentar el aire externo que esta en contacto con el colector (conducción y convección) y otra se perderá por radiación ya que el subir de temperatura el colector emitirá con más energía que el ambiente en el que se encuentra provocándose pérdidas en ese sentido.
No todos los colectores son iguales y serán más eficaces aquellos que mantengan una mejor relación entre lo que ganan de la energía del Sol y lo que pierden según hemos comentado.
Existen dos maneras de mejorar los colectores, mejorando la ganancia de energía que obtiene del sol y/o reduciendo sus pérdidas.
La mejora que aportan los colectores de tubo de vacío consiste en evitar las pérdidas por conducción y convección. Como se ha visto la transmisión de calor por conducción y convección necesita de la materia para poder llevarse a cabo. Por ello con la colocación del absorbedor en el interior de un tubo en el que se ha hecho el vacío evita las pérdidas por estos métodos sólo perdiéndose el calor por radiación (que se puede transmitir en el vacío).
Si se pierde menos calor, habrá más calor disponible para calentar el fluido que necesitamos obteniéndose así más rendimiento para la misma cantidad de energía del Sol.
También conviene mencionar que debido a la forma cilíndrica de los tubos del colector se producen más reflejos de la luz del Sol que en los colectores de placa plana con lo que la ganancia de la energía del Sol es menor. No obstante la adopción de esta forma compensa ya que se deja de perder más energía por el vacío de la que se deja de ganar por los reflejos.
Una ventaja de los colectores planos, es la capacidad de resistir presión en el tanque interno, y en el colector, ya que en los sistemas de tubos de vacío, no pueden resistir presión. Sin embargo, hay sistemas, con tecnología similar a la de los tubos de vacío, pero que si toleran la presion, como son los denominados Heat pipes.
Calentador Heat pipes
Esta tecnología de colectores solares emplea un mecanismo denominado Heat Pipe ("tubo de calor"). Este mecanismo consiste en un tubo cerrado, insertado en un tubo de vacío, en el cual se introduce un fluido de propiedades específicas.
Cuando el Sol incide sobre el absorbedor adosado al tubo, el fluido se evapora y absorbe calor (calor latente). Como gas asciende sobre el líquido hasta lo alto del tubo donde se sitúa el foco frío. Allí se condensa y cede su calor latente al fluido que nos interesa calentar, volviendo a caer al fondo del tubo por gravedad. Este proceso se repite mientras dure la radiación del Sol o hasta que el colector ha alcanzado una temperatura muy alta (de en torno los 130 grados o más). El Heat Pipe o tubo de calor es considerado como un superconductor térmico por lo eficaz de su funcionamiento. Cabe destacar que su costo en la actualidad es mayor al de los sistemas con tubos de vacío y ligeramente al de colectores planos.
Heat pipes, algunas ventajas
• Ideal para calefacción y grandes instalaciones (hoteles, hostales, balnearios, edificios, unidades deportivas, asilos y hospicios) pues su rendimiento es mucho mayor y alcanza mayores temperaturas de fluido, pudiendo abastecer de manera eficaz, grandes necesidades de agua caliente, como ejemplo también, puede ser utilizado en la industria, pre-calentando el agua, necesaria para reponer las pérdidas en procesos de sistemas con caldera, generando importantes ahorros en combustibles.
• Mucho más estético.
• Mantenimiento sencillo debido a que los tubos pueden ser cambiados sin
vaciar el circuito.
• Permiten alcanzar altas temperaturas incluso en zonas de clima poco favorable.
• Mínimo coste de montaje, gracias a la sencillez del sistema.
• Geometría, su forma redonda aprovecha mejor la radiación a primera y última
hora del día.
• El agua no pasa por los tubos; en caso de rotura solo se cambia el tubo dañado.
FIGURA 5
Colector solar con mecanismo Heat Pipe.
CALENTADORES PARA ALBERCAS
Colectores específicos para albercas
Son más sencillos y económicos que los anteriores, funcionando además con un mejor rendimiento para calentamiento de albercas. Básicamente se trata de una serie de conductos de un material plástico (polipropileno o caucho) de color negro mate dentro de los cuales circula el agua de la alberca. El sol calienta el colector y a su vez el agua que circula por ellos. Son flexibles y más sencillos de instalar que los de placa plana. No tienen vidrio ni necesitan caja metálica que proteja el conjunto, de ahí su precio más económico. Este tipo de colectores no sirven para ninguna otra aplicación, pero para el calentamiento de albercas resultan los más interesantes.
Componentes adicionales en un sistema solar para albercas
Conducciones. Los conductos a emplear son normalmente el PVC o el polipropileno.
Técnicamente se puede usar cualquier tipo de conducción empleado en plomería, incluso sin necesidad de aislante.
Bomba o electrocirculador. Elemento encargado de tomar el agua de la alberca y bombearla a través de los colectores para que se caliente. En determinados casos, si la potencia es suficiente, es posible utilizar la misma bomba que sirve para depurar la alberca. En otros casos será necesario emplear una bomba independiente. El cálculo de la potencia de la bomba deberá ser realizado por personal cualificado.
Sistema de control. Conjunto de termopares o sensores eléctricos que paralizan automáticamente la bomba en los momentos en que los colectores no reciben suficiente radiación solar (por tiempo nublado o por ser de noche). De esta manera se aprovecha al máximo la energía solar así como se mantiene la bomba funcionando sólo el tiempo necesario.
Cubierta térmica. Elemento muy recomendable. Consiste en una manta de material plástico aislante que recubre la alberca en los momentos desfavorables (noches y épocas de bajas temperaturas) reduciendo considerablemente las pérdidas térmicas. Con el empleo de la manta térmica el número de colectores necesarios, se reduce en buena medida, y por ende el costo de instalación.
FIGURA 6
Sistema solar para alberca.
Calentadores de respaldo
Por lo general, los calentadores solares, en la mayoría del territorio mexicano, trabajan adecuadamente, pero debemos considerar que su funcionamiento dependen del Sol y que su funcionamiento se ve afectado por nublados y están limitados por la capacidad total para la que fueron diseñados, de modo que es recomendable, contar con un sistema de respaldo, que pueda apoyar en estos casos. Existen diversos tipos de calentadores de agua, desde los mas antiguos de leña o carbón, hasta los de gas, los eléctricos y las calderas.
Los calentadores de leña y carbón resultan imprácticos, ya que la obtención del recurso es difícil, el almacenamiento complicado y sucio, y el proceso de calentamiento lento, es por esto que han sido desplazados, con excepción de las zonas remotas.
Los calentadores de agua conocidos como boiler, calefón o caldera, es un dispositivo termodinámico que utiliza energía para elevar la temperatura del agua. A nivel industrial los usos son muy variados tanto para el agua caliente como para el vapor de agua.
Entre los combustibles utilizados se encuentran el gas natural, gas propano, querosén, carbón y electricidad. Alternativamente y sobre todo para procesos industriales también se utilizan las bombas de calor de refrigeradores o de acondicionadores de aire, calor reciclado de aguas residuales (no aguas negras) y hasta energía geotérmica.
Los tipos de calentadores de agua más conocidos son:
- Calentador de punto.
- Calentador de paso, instantáneos o de flujo.
- Calentador de acumulación (con deposito).
- Caldera (para recirculación).
El tipo de calentador y el tipo de combustible a seleccionar depende de muchos factores como la temperatura del agua que se desea alcanzar, disponibilidad local del combustible, costo de mantenimiento, costo del combustible, espacio físico utilizable, caudal instantáneo requerido, clima local, y costo del calentador. Debemos mencionar, que el uso frecuente de estos calentadores, contribuye a la contaminación de la atmósfera, en cualquiera de sus presentaciones.
Cabe destacar que los calentadores que mejor funcionan como respaldo de los solares, mas adecuados, con mejor rendimiento y de bajo costo, son los calentadores de paso. Estos calentadores, comúnmente de gas, se activan cuando detectan circulación de agua e inician su procedimiento de calentamiento, y cuentan con piloto.
Sin embargo, existen también calentadores de paso que tienen en lugar de un sensor de flujo, un sensor de temperatura, y encendido electrónico, de modo que al no contar con piloto, se evita consumir gas las 24 horas, y este se encenderá automáticamente, al detectar una caída en la temperatura del agua que circula a través de estos, encendiéndose únicamente, cuando el recurso de agua caliente proveniente del sistema solar se ha agotado.
Los calentadores con depósito funcionan para tener cierta cantidad de agua caliente en su depósito para su disponibilidad, por lo que, consumen más combustible y aunque no se usen en largos periodos, estos se encenderán una vez que la temperatura interna rebase el mínimo programada, y generalmente también disponen de piloto.
Los calentadores eléctricos, son los más costos de operar, ya que el recurso de energía (electricidad), es mas oneroso que la mayoría de los combustibles, sin embargo, pueden representar una opción viable, si se posee un sistema fotovoltaico, y si se busca no contar con deposito de combustible (pe. tanque de gas), ya que recordemos que cualquiera de estos calentadores, se usara solo esporádicamente.
Las calderas son adecuadas como respaldo de sistemas solares en hoteles o edificaciones con alta demanda de agua caliente, pero en industria por ejemplo, son indispensables, cuando la temperatura del agua que se requiere es alta.
COMPONENTES Y REQUERIMIENTOS
Los calentadores solares, exceptuando los de alberca (que ya se mencionaron sus componentes) cuentan con un tanque de almacenamiento, colectores (planos, de tubos de vacio y heat pipes), estructura y espejos (en algunos casos). Se necesita conocer primero, el tipo de calentador que se prefiere, si la red hidraulica funciona por gravedad o es presurizada y la cantidad de agua caliente diaria que sera demandada (se calculan 40 litros de agua caliente por regaderazo de 10 minutos), considerando si se utilizara agua para lavado de ropa, utensilios u otros usos.
Una vez seleccionado el calentador necesario, determinar si hay espacio suficiente en el techo o azotea o donde se desea colocar el calentador (esto en base a la insolación del sitio, considerando la infraestructura actual, sombras, obstáculos cercanos, impedimentos reglamentarios, etcétera), y así considerar el material necesario, tuberia, bombas, en su caso base para tinaco (ya que debe contar con mayor elevacion que el tanque de almacenamiento del calentador) y aditamentos necesarios.
APLICACIONES
Con el avance tecnológico se han ido desarrollando tipos de calentadores solares más eficientes y apropiados para diferentes usos como pueden ser además del uso domestico o para aseo personal, en tortillerías para la preparación del nixtamal, calefacción para viveros, incubadoras y residencias, o donde se necesite un rango de temperatura de trabajo mayor, tales como calentamiento industrial de fluidos, sistemas de refrigeración, etcétera.
BENEFICIOS DE ESTE TIPO DE SISTEMAS
- Ahorro de energéticos como gas, combustoleo, electricidad, etcétera
- Se amortizan en corto tiempo contra el ahorro en energéticos (entre uno y dos años).
- Son ecológicos, ya que no emiten contaminantes.
- Garantías de cinco a diez años.
- Depreciación fiscal de 100 por ciento en el mismo ejercicio.
- Existen algunos apoyos gubernamentales.
- Requieren de nulo mantenimiento.
- Fácilmente pueden ser cambiados de ubicación.
COSTOS DE ESTOS SISTEMAS
El costo varía mucho, ya que depende del tipo de sistema o sistemas (los industriales, para hoteles o albercas son dimensionados en base a requerimientos) el modelo, marca, garantías, materiales que lo compongan y la calidad del mismo, así como de lo fácil o complejo de la instalación.
Pero sin considerar la instalación, y tomando en cuenta un sistema de 180 litros (que es un sistema como para 4 personas);
a. De heat pipes, está entre los $15 mil y $20 mil más IVA.
b. Un calentador de colector plano, fluctúa entre los $10 mil y $14 mil más IVA.
c. De tubos al vacío, fluctúa de los $7 mil 500 y los $10 mil más IVA.
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