Introducción

Introducción
E
l desarrollo de sistemas que operan utilizando energía solar, ha avanzado para contrarrestar las constantes crisis de energéticos que a nivel
mundial se han venido presentando desde finales de 1970.
Estas crisis han sido causadas por la falta de materia prima que se puede
utilizar como energético y por los elevados costos de extracción, procesado y
distribución de los mismos; la última crisis que estamos viviendo tiene repercusiones políticas en el contexto del Medio Oriente y cada año que pase se
verá un recrudecimiento debido a que las reservas probadas de hidrocarburos
sólo garantizan el abastecimiento para las próximas dos décadas.
La solar es una fuente renovable de energía y se ha usado históricamente
con diferentes fines. Entre otros podemos mencionar la evaporación de
las aguas del mar para obtener la comúnmente conocida sal y también la
exposición de frutas y productos agrícolas al sol para obtener alimentos
deshidratados.
El calentamiento de agua mediante el sol es un método común en países
como Japón, Israel y Australia, ya que si una unidad solar es usada como
suplemento en un calentador regular de agua, aquella puede ahorrar hasta el
90% de la energía usada por el sistema convencional. En ciertas partes del
planeta no es necesario un calentador convencional de agua, pues la unidad
solar puede abastecer suficiente agua caliente (38ºC a 55ºC).
Son pocas las regiones del globo terráqueo que reciben más de 180 kilolangleys (1 langley = 1cal/cm2), ó 2000 KWh/m2 de insolación por año, una
de estas regiones es la zona árida de Ciudad Juárez-El Paso (Tabla 1).
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Insolación mensual y anual
en Ciudad Juárez-El Paso
(sobre una superficie horizontal)
Mes
Insolación
promedio
días/
mes
Total/mes
diaria Wh/m2
ene
feb
mar
abr
may
jun
jul
ago
sep
oct
nov
dic
Wh/m2
3469
4538
5856
7092
7834
8027
7365
6759
5866
4932
3798
3203
31
28
31
30
31
30
31
31
30
31
30
31
Insolación anual
Total
107539
127064
181536
212760
242854
240810
228315
209529
175980
152892
113940
99293
2,092,512 Wh/m2
(180,044.8 Langleys)
Tabla 1
Cuando hablamos de insolación, nos referimos a la energía total radiante
que proviene del sol y que incide en un área unitaria de un plano horizontal
localizado sobre la superficie de la tierra. Incluye toda la energía en las longitudes de onda emitidas por el sol (aproximadamente 0.1 a 7.0 micrones).
La radiación solar es difusa y el promedio anual de potencia solar recibida
por una superficie de un metro cuadrado sobre la tierra por este concepto
es de 50 kilolangleys ó 580 KWh/m2 (Tabla 2).
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Radiación solar difusa mensual
y anual en Ciudad Juárez-El Paso
(sobre una superficie horizontal)
Mes
Radiación
promedio
días/
mes
diaria Wh/m2
ene
feb
mar
abr
may
jun
jul
ago
sep
oct
nov
dic
Total/mes
Wh/m2
1057
1245
1566
1785
1889
1971
2298
2121
1748
1340
1079
964
31
28
31
30
31
30
31
31
30
31
30
31
Radiación difusa
Total
32767
34860
48546
53550
58559
59130
71238
65751
52440
41540
32370
29884
580,635 Wh/m2
(49,959.23 Langleys)
Tabla 2
En el desarrollo de aplicaciones que operan a base de energía solar, la
única forma de obtener más energía por unidad de tiempo es aumentando el
tamaño del área receptora y orientándola hacia el sol en lugar de que incida
sobre la horizontal.
Una de las principales causas de la alta insolación sobre la región es la
poca nubosidad existente. El promedio en un año es aproximadamente del
90%, (véase Tabla 6).
Este libro, es el primero de una serie de publicaciones que pretenden
presentar diferentes aspectos relacionados con la energía solar y sus aplicaciones, en él se presentan los conceptos teóricos acerca de la energía solar,
cubriendo en forma particular el tema relacionado con el diseño de colectores
solares planos que convierten la radiación solar en energía térmica y la manera de poder medir su eficiencia. Lo anterior es indispensable para poder
utilizarlos como solución a diferentes problemas o necesidades que surgen en
el desarrollo de la región. En siguientes publicaciones trataremos el aspecto
práctico de su construcción, de los aspectos teóricos acerca de su conversión
a energía eléctrica y también de su aplicación en este rubro.
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En los siguientes capítulos se hace un estudio de los factores que hay que
tener en cuenta para aprovechar la radiación solar como energía térmica.
En el capítulo 1, “Colectores solares planos”, se describe uno con todos sus
componentes y los conceptos de operación de manera general. En el capítulo
2, “Declinación solar y pendiente de los colectores”, se definen algunos conceptos, ángulos y la manera de calcular la inclinación de los mismos para tener
incidencia normal del sol en cualquier momento, también se presentan unas
tablas para poder estimar la cantidad de energía incidente sobre un colector
inclinado 45° con respecto a la horizontal, cuando se conoce la cantidad de
energía solar que incide sobre la horizontal. En el capítulo 3, “Tratamiento
mecánico-estadístico de la radiación de cuerpo negro”, se presenta la energía
solar como un campo de bosones que satisfacen las ecuaciones de Maxwell
y cuya distribución de energía obedece a la ley de distribución de Planck.
Se calcula la cantidad de insolación que recibe la Tierra. En el capítulo 4,
“Intercambio de calor de radiación entre superficies grises y el coeficiente
de transferencia de calor radiado”, se estudia la cantidad de calor que se
transfiere entre dos superficies (placa absorbente y vidrio, por ejemplo) las
cuales se encuentran a diferente temperatura. En el capítulo 5, “Transferencia
de calor por convección”, se estima la cantidad de calor que se transfiere
por el fenómeno de convección. En el capítulo 6, “Absorción, reflexión y
transmisión de la radiación”, se cubre este tipo de fenómenos en superficies
opacas y transparentes, se estudia el porcentaje de energía aprovechable
por el absorbente cuando éste está cubierto por una protección de vidrios.
En el capítulo 7, “Eficiencia del colector”, se presenta una fórmula para el
cálculo de la misma, la cual será complementada en los siguientes capítulos.
En el capítulo 8, “Coeficiente de pérdida de calor UL”, se calcula la cantidad
de calor que se desaprovecha en un colector solar plano, dependiendo de las
características físicas del diseño del mismo. En el capítulo 9, “Factor de
eficiencia del colector plano y factor de calor removido”, se estima el factor
de eficiencia de un colector, haciendo uso de todos los conceptos vistos en los
capítulos anteriores. En el capítulo 10, “Datos de insolación”, se presenta un
histórico de los mismos para diferentes periodos. Finalmente en el capítulo
11, “Cálculo de la eficiencia del colector”, se calcula la eficiencia, el día
15 de octubre, con los datos de las características del colector, así como de
los de insolación sobre la región.
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