1. el sol como fuente inagotable de energía

1.1 Capas del sol

El Sol es la estrella más cercana a la Tierra y el mayor elemento del Sistema

Solar. Las estrellas son los únicos cuerpos del Universo que emiten luz. El Sol es

también nuestra principal fuente de energía, que se manifiesta, sobre todo, en forma

de luz y calor.

Actualmente el Sol se estudia desde satélites, como el Observatorio

Heliosférico y Solar (SOHO), dotados de instrumentos que permiten apreciar aspectos

que, hasta ahora, no se habían podido estudiar.

Desde la Tierra sólo vemos la capa exterior. Se llama fotosfera y tiene una

temperatura de unos 6.000 ºC, con zonas más frías (4.000 ºC) que llamamos manchas

solares. El Sol es una bola que puede dividirse en capas concéntricas. De dentro a

fuera son:

- Núcleo interno

- Zona de convección

- Zona radioactiva

- Flujo bajo la superficie

- Fotosfera

- Cromosfera

Capas del sol

El Sol también absorbe materia. Es tan grande y tiene tal fuerza que a menudo

atrae a los asteroides y cometas que pasan cerca. Naturalmente, cuando caen al Sol,

se desintegran y pasan a formar parte de la estrella.

1.2 Composición

Observamos en la tabla que el componente más abundante es el hidrógeno,

con una concentración del 92.1 %.

1.3 Cómo recibimos esa energía

La parte de ésta energía que llega a la Tierra, aunque es muy pequeña supera

en unas 10.000 veces la potencia de todas las formas de energía que emplea el

hombre.

El sol está a una distancia de unos 150 millones de kilómetros de la Tierra, y

tiene una constante solar de 1367 w m2

La constante solar es la cantidad de energía recibida en forma de radiación

solar por unidad de tiempo y unidad de superficie, medida en la parte externa de

la atmósfera terrestre en un plano perpendicular a los rayos del Sol.

Se estima un valor máximo de 1395 Wm-2 en la posición más próxima al Sol

(perihelio) a principios de enero, y un valor mínimo de 1308 Wm-2 en la posición más

lejana (aphelio) a primeros de julio.

La intensidad de la radiación solar que llega a la superficie de la Tierra, se

reduce por varios factores variables, entre ellos, la absorción de la radiación, en

intervalos de longitud de onda específicos por los gases de la atmósfera (dióxido de

carbono, ozono…), por el vapor de agua, por las partículas d polvo, gotitas de agua y

por la reflexión de las nubes.

Influye también el factor de soleamiento , cantidad de energía que llega en

función de la orientación, hora, día y localidad.

El total de la energía solar que llega a la Tierra, es enorme. En un día de sol de

verano, la energía que llega al tejado de una casa de tipo medio, sería más que

suficiente para satisfacer las necesidades de energía de esa casa por todo un día. Y si

vamos más allá, esta energía sería suficiente para satisfcer las demandas energéticas

de todo el mundo.

El sol envía a la Tierra una energía seis mil veces superior a la que

consumimos. En la actualidad aprovechamos muy poco de esa energía solar. Por

ejemplo, en al fabricación de un panel fotovoltaico e emplea veinte veces menos

energía que la que después genera gracias a la energía solar.

1.4 El sol como fuente de toda energía

Esquema de cómo interviene el sol en la flora y faun a

Casi toda la energía de que disponemos proviene del Sol. Él es la causa de los

vientos, de la evaporación de las aguas superficiales, de la formación de nubes, de las

lluvias y, por consiguiente, de los saltos de agua. Su calor y su luz son la base de

numerosas reacciones químicas indispensables para el desarrollo de los vegetales y

de los animales que con el paso de los siglos han originado combustibles fósiles como

el carbón o el petróleo.

La radiación es fundamental para que las plantas (a través de la fotosíntesis),

obtengan energía y vivan. Las plantas son la base de la cadena alimenticia de la

Tierra, proveyendo de energía a todo el reino animal. El petróleo, el gas y el carbón

mineral, son producto de la descomposición de restos de vegetales y animales que

vivieron hace millones de años.

Además, la e. Solar genera la evaporación del agua de los mares, la cual

precipita en lagos y ríos, que serán aprovechados en la generación de

hidroelectricidad. Al calentar más unas zonas que otras, el Sol produce deferencias en

el “peso” de las masas de aire, generando los sistemas de viento del planeta: la

energía eólica.

Por lo tanto deducimos que sin energía solar no tendríamos ningún otro tipo de

energía.

1.5 Curiosidades

• La energía generada en el centro del sol tarda en llegar a su superficie un

millón de años.

• Cada segundo, 700 millones de toneladas de hidrógeno se convierten en helio.

• Cada segundo, como consecuencia del proceso anterior, se producen en el sol

5 millones de toneladas de energía pura

• El sol tiene un volumen de 1.300.000 veces superior al de la Tierra

• El radio del sol es 110 veces más largo que el de la Tierra

• El sol nació hace unos 4600 millones de años, le quedan de vida unos 5000

años.

• La temperatura en el centro del sol es de 15 millones ºC, en el centro de la

Tierra es de 5000 ºC

• La energía generada en el centro del Sol tarda un millón de años para alcanzar

la superficie solar.

• Cada segundo se convierten 700 millones de toneladas de hidrógeno en

cenizas de helio.

• En el proceso se liberan 5 millones de toneladas de energía pura; por lo cual, el

Sol cada vez se vuelve más ligero.

2. evolución histórica

La idea de utilizar el calor solar es muy antigua, aunque no ha sido utilizada de

forma efectiva durante mucho tiempo.

2.1 Siglos VII y VIII a.C.

Las sacerdotisas romanas encargadas de mantener la llama eterna que ardía

en el Templo de Vesta en el Foro romano, encendían el fuego con espejos cónicos

usando la luz solar como fuente de ignición.

Obra pictórica del templo de Vesta

2.2 212 a.C.

Según cuenta la leyenda, durante el asedio de los romanos a la ciudad de

Siracusa, Arquímedes construyó máquinas de querra basadas en palancas, catapultas

y un sistema de grandes espejos hexagonales, hechos de bronce, que reflejaban los

rayos del sol y que concentrados sobre la flota romana lograron incendiarla.

Obra pictórica que refleja el utensilio utilizado

2.3 Siglo XVI

Leonardo da Vinci comienza un proyecto, que nunca lograría acabar. Su idea

era construir un concentrador de 6 km de diámetro a base de espejos cóncavos para

la producción de vapor y calor industrial.

Bocetos de Leonardo da Vinci

2.4 Siglo XVII

De Caux (físico e ingeniero francés), construye el primer motor solar; contaba

con un conjunto de lentes de vidrio montadas en un marco que concentraba los rayos

solares sobre una cámara de metal parcialmente llena de agua y aire totalmente

estanca. La luz solar calentaba el aire, que se dilataba y forzaba a salir el agua en

forma de fuente.

De Caux junto a su creación

E.W. Tschirnhaus utilizó espejos parabólicos de distintos diámetros para fundir

materiales, o para secar porcelana a modo de horno.

2.5 Siglo XVIII

Lecrerc crea un horno solar formado por 24 cristales de gafas, mediante el cual

consigue encender un combustible de mezcla de brea y polvo de carbón.

Mecanismo con 168 piezas diseñado por Lecrerc

Jacques Cassini (astrónomo francés), construye una lente de 112 cm de

diámetro capaz de fundir una varilla de hierro a 1000 ºC

Lavoisier consiguió crear un horno a base de láminas de cristal curvas de forma

biconvexa entre las cuales insertó alcohol en el cual fue capaz de fundir platino a

1760ºC

Modelo propuesto por Lavoisier para sus experimento s de combustión usando lentes y luz solar

Horase de Saussure crea lo que sería desde 1892 la forma de obtener agua

caliente sanitaria mediante una caja de color negro con lana en sus paredes rellena de

agua.

Corte de la primera caja aislante diseñada por Saus sure

2.6 Siglo XIX

Ericsson creo una máquina que calentaba aire en lugar de agua, pero pronto se

dio cuenta que era tan caro y tan grande como sus análogos de carbón.

Modelo de Ericsson

Clarence Kemp mejora la caja de agua creada por Saussure obteniendo

temperaturas hasta un 75% mayores. Le llamó “Clímax”

Severy Plantea una máquina con acumuladores que permitía disponer de agua

caliente durante 24 horas.

2.7 Siglo XX

Autrey Eneas Construyó un motor solar con un diámetro de 10 metros en la

boca del reflector formado por más de 1800 pequeños espejos de vidrio plateado que

podía ser orientado hacia el sol mediante artefactos de relogería. L conjunto pesaba

más de 4 toneladas.

Crónicas de la época que presentaban el motor solar

“Padre Himalaya” (Mario Antonio Gomes) presentó un horno en el cual se

podían alcanzar temperaturas de hasta 3500ºC, suficiente para fundir la mayoría de

rocas y metales. Pero no consiguió el auge previsto debido q que comenzaba a

despegar la industria petrolífera.

Horno solar de “Padre Himalaya”

Comienzan a patentarse estas ideas y a formar las bases de los proyectos I+D

de finales de los 70, principios de los 80 sobre el aprovechamiento de la energía solar

térmica.

William Bailey comienza a introducir el concepto de colector y acumulador que

hoy en día tanto se utiliza en viviendas, nace así el concepto de “día y noche”

Calentador solar de agua “día y noche” – California 1911

El descubrimiento del gas natural y el petróleo pone fin al auge de la insdustria

de los calentadores solares en la década de los años 20.

A partir de la 2ª guerra mundial, tanto la producción mundial de petróleo como

la demanda industrial de energía, se han duplicado cada diez años, las previsiones

sobre la evolución del consumo de energía en el mundo, muestran un crecimiento

similar en los próximos años. Aunque al final de los años sesenta despuntaron voces

críticas de que el crecimiento energético no se podía mantener indefinidamente, no fue

hasta la primera crisis del petróleo (1973) cuando la sociedad empezó a concienciarse

del problema de la limitación de las reservas de combustibles fósiles de las cuales,

sólo hay para 50 años de petróleo y 200 años de carbón.

Otro problema era lo nocivas que eran las energías utilizadas hasta el

momento, para el medio ambiente. Las únicas posibilidades de mantener un

crecimiento sostenible garantizando un suministro energético a largo plazo y la

conservación del medio ambiente, son el incremento de la eficiencia y la búsqueda de

energías alternativas al petróleo.

En la actualidad, las emisiones de humos contaminantes siguen aumentando,

los árboles se siguen talando sin control y las plantas se extinguen a una gran

velocidad. Éstas son algunas de las razones por las que el hombre busca energías

alternativas, es decir, energías renovables.

La energía térmica en la actualidad lo veremos más a fondo en el siguiente

apartado.

3. situación actual Los aspectos que nos llevan a utilizar la energía solar térmica básicamente son los

siguientes:

1. Es una forma activa de colaborar en disminuir la contaminación y de combatir

el cambio climático en el planeta.

2. Permite a individuos o poblaciones que se encuentran alejadas o aisladas de

los centros urbanos que tengan acceso a servicios como gas, electricidad,

agua, combustible, etc. que no llegan de forma convencional.

3. La gran mayoría de los productos tienen un precio accesible. Solo algunos

productos tienen un costo mayor pero tienen otros beneficios como que son

más duraderos y eficientes, no contaminan, tienen pocos gastos de

mantenimiento, etc. Por lo que el costo se amortiza en poco tiempo

4. Al comprar productos verdes se apoya a este mercado en crecimiento y se

favorece la creación de nuevos empleos en el sector de energías renovables.

5. En general las tecnologías ecológicas o verdes son sencillas y fáciles de utilizar

para las diferentes necesidades de los usuarios.

6. Normativa que exige la utilización de energías renovables: Plan de acción de

energías renovables de España

3.1 Comparativas

A continuación se realizarán varias comparativas en cuanto a diferentes

parámetros.

Fuentes de energía utilizadas

Comparativa en cuanto a utilización de energía en los hogares españoles

Consumo de energía primaria en España

Hemos de dejar claro la diferencia de energía primaria y final.

La energía primaria es aquella que se encuentra disponible en la naturaleza y

la energía final será la consumida en el hogar o la empresa

Este gráfico nos aporta información sobre el consumo de energía primaria.

Como podemos ver, todavía sigue ganando la batalla los derivados del

petróleo, véase butano, propano, gasóleo, etc. todavía son muchos los hogares en

España que siguen usando estos combustibles.

Las energías renovables alcanzan un 11,4% del total, y a su vez la solar ocupa

todavía un relegado quinto puesto, tras la biomasa, eólica, hidráulica y biocarburantes.

En el siguiente cuadro vemos la evolución del uso de los distintos combustibles

en nuestro país, y lo que se espera conseguir hasta 2020.

Tep (tonelada equivalente de petróleo)

1 tep = 41,855 GJ = 11,628 MWh = 1 000 m3 de gas = 7,33 barriles de petróleo

Se observa que desde el 2004 , que son las primeras muestras hasta el 2010

que son las últimas el carbón ha ido menguando y ha pasado de ser de los más usads

al menos, en tan sólo 6 años.

Al igual que el petróleo que aunque sigue siendo el más usado, también ha

notado una ligera bajada.

Lo que más llama la atención es que el consumo de energías renovables ha

aumentado hasta el doble en seis años.

A continuación esta información representada de forma más grafica.

Evolución de los consumos de energía primaria por fu entes

Emisiones

En el siguiente gráfico observamos como algunos combustibles disminuyen

hasta la mitad las emisiones de co2 si existe un apoyo energético de energía solar.

La energía solar térmica en el mundo

En el mercado mundial de la energía solar térmica, China podría ser

considerada la "Alemania", si se lo compara con el mercado fotovoltaico. Lidera de

forma absoluta la capacidad instalada a nivel mundial.

La energía solar térmica instalada en China es suficiente para abastecer

aproximadamente a unos 112 millones de hogares chinos con agua caliente (unos 168

millones de metros cuadrados). Existen unas 5 mil empresas chinas dedicadas a la

industria de la energía solar térmica, encargadas de fabricar la totalidad de los

dispositivos necesarios para realizar una instalación en una vivienda.

Con una baja inversión es posible instalar un colector solar sobre el tejado de

una vivienda china, lo que ha provocado un boom de la energía solar térmica en dicho

país, donde algunas comunidades empiezan a ver saturados sus mercados.

En Europa, donde los precios de la energía suelen ser altos, el uso de los

captadores térmicos en los tejados se está extendiendo rápidamente. Vale citar el

caso de Austria, donde aproximadamente un 15 % de los hogares los utilizan para la

generación de agua caliente. Alemania, va en el mismo sentido, con unos 2 millones

de de tejados "térmicos".

Brasil e India se presentan como los posibles nuevos mercados para el

desarrollo masivo de este tipo de tecnología.

Si se mide la relación entre capacidad instalada y habitantes, Chipre ocupa la

primera posición a nivel mundial con 0,79 metros cuadrados instalados por persona.

3.2 La energía solar térmica en España

En lo que específicamente respecta a España, la situación actual no es muy

alentadora, tras un fuerte crecimiento durante el período 2004-2008 (la capacidad

instalada se multiplicó en 5 veces), el escenario cambió radicalmente durante los

últimos años con reducciones anuales cercanas al 14 %. El mercado español

"solamente" aporta un 9 % del total instalado a nivel europeo, frente a un 33 % del

mercado alemán, país que cuenta con niveles de irradiación solar menores a los de

España.

Evolución del uso de energía solar térmica en España

Según reflejan los resultados de esa encuesta de actividad 2012, el pasado

año se han instalado en España 160 MW térmicos (229.000 metros cuadrados),

acumulando un retroceso del 14% en 2009 y 2010, otro retroceso del 21% en 2011 y

una nueva caída del 17% en 2012, como se aprecia en la gráfica.

Los resultados de 2012 son víctima de la espectacular caída de actividad

sufrida por el sector de la construcción de nuevas viviendas.

3.3 Normativa

La Directiva de 2009/28/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 23 de

abril de 2009, relativa al fomento del uso de energía procedente de fuentes

renovables, fija como objetivos generales conseguir una cuota del 20 % de energía

procedente de fuentes renovables en el consumo final bruto de energía de la Unión

Europea (UE) y una cuota del 10 % de energía procedente de fuentes renovables en

el consumo de energía en el sector del transporte en cada Estado miembro para el

año 2020.

Y para ello, establece objetivos para cada uno de los Estados miembros en el año

2020 y una trayectoria mínima indicativa hasta ese año. En España, el objetivo se

traduce en que las fuentes renovables representen al menos el 20% del consumo de

energía final en el año 2020 —mismo objetivo que para la media de la UE—, junto a

una contribución del 10% de fuentes de energía renovables en el transporte para ese

año.

El Plan de Acción Nacional de Energías Renovables (PANER), responde a los

requerimientos y metodología de la Directiva de energías renovables.

El camino emprendido por España para afrontar los retos señalados, se basa

en el desarrollo de las infraestructuras energéticas y la promoción de las energías

renovables y del ahorro y la eficiencia energética.

Estos esfuerzos se han traducido en un descenso de la intensidad energética final

superior al 13 % durante los últimos cinco años, con reducciones en todos los

ejercicios.

En este documento nos centraremos básicamente en el apartado de eficiencia

energética de viviendas, que es el sector que nos concierne.

El Real Decreto 235/2013 , de 5 de abril, por el que se aprueba el

procedimiento básico para la certificación de la eficiencia energética de los edificios,

entró en vigor el día siguiente de su publicación siendo voluntaria su aplicación hasta

el 1 de junio de 2013. A partir de ese momento, la presentación o puesta a disposición

de los compradores o arrendatarios del certificado de eficiencia energética de la

totalidad o parte de un edificio, según corresponda, será exigible para los contratos de

compraventa o arrendamiento celebrados a partir de dicha fecha.

Esta medida implica básicamente un buen aislamiento térmico, huecos

exteriores con rotura de puente térmico y unas instalaciones de buen rendimiento.

La eficiencia energética se mide entre otros parámetros según la emisión de

co2.

De esto se deduce que una instalación solar térmica nos proporcionaría una

mejor etiqueta de eficiencia energética, ya que las emisiones de co2 son nulas.

Por ejemplo si tenemos una vivienda con certificación energética nivel G, de los

años 70, si como medida de mejora adoptamos la inclusión de la cogeneración de

agua caliente y calefacción de un 60% subiría inmediatamente dos escalones.

Y si se cubre totalmente la demanda de calefacción de esta forma pasaría

inmediatamente a tener un nivel A.

4. Nuevas tendencias La imagen que tenemos actual de las instalaciones solares térmicas se reduce

a los colectores sobre estructura o sobre cubierta, pero son muchas las alternativas

que están surgiendo a raíz del auge de la utilización de esta energía renovable.

4.1 Colectores de fachada

A diferencia de una instalación de gran superficie sobre tejado inclinado con

captadores estándar, la integración en el edificio tiene una gran ventaja: durante los

meses de entretiempo y en invierno, cuando el consumo de calor alcanza su máximo

nivel, la energía del sol es transformada en calor gracias a la posición baja del sol.

Convierten entre el 60 y 80 por ciento de la luz solar incidente en calor, debido entre

otras cosas a que el captador está perfectamente aislado. El calor solar permite

además una acumulación efectiva, por lo que también está disponible durante las

horas nocturnas.

Ejemplo de edificio de cuatro alturas con fac hada térmica croquis de la fachada

4.2 Muro trombe

Es una forma muy eficiente de aprovechar la energía térmica del sol,

transformando la pared de una vivienda en un enorme calefactor natural. Sin

electricidad, bombas, o ventiladores.

Un muro Trombe posee ventilaciones (orificios) en la parte inferior y superior

del muro para permitir que el aire menos caliente ingrese por la parte inferior, luego

circule en la cámara de aire entre la superficie exterior del muro y el vidriado y con

más calor salga por el orificio superior hacia el ambiente interior. Esto bajo el

fenómeno físico denominado convección. Como la masa térmica del muro acumuló el

calor del día este irá entregando lentamente el calor al interior del local a lo largo de la

noche. Los orificios de ventilación deben poseer rejillas o esclusas a modo de

puertillas para regular el flujo del calor y evitar un flujo inverso nocturno que enfríe el

ambiente interior en vez de calentarlo.

Funcionamiento del muro trombe

Instalación de un muro trombe

4.3 Fachadas refrigerantes

Consiste en el conocido efecto botijo, un proceso natural de enfriamiento, se

llama evapotranspiración. El agua se cuela por los poros al exterior evaporándose,

para evaporarse necesita una energía extra que la recibe de la propia agua del interior,

que al perder esa energía se enfría.

Esta fachada utiliza el mismo sistema, pero en lugar de haber agua en su

interior hay aire. Una gotera continua pulveriza agua para que al evaporarse reduzca

la temperatura del aire, y por la convección de los gases, el aire caliente suba y salga

por una chimenea y el frío, fruto del efecto antes citado entre a la estancia.

Proyecto presentado a solar decathlon Europe 2012 (pr oyecto español)

Funcionamiento del sistema

Video. http://www.sdeurope.org/

4.4 Vivienda refrigerada y calefactada

Consiste en una serie de módulos dentro de una piel a modo de invernadero,

que en invierno conserva el calor y en verano el fresco. Si podemos controlar la

temperatura de nuestros vegetales con estas técnicas ¿Por qué no las de nuestras

casas?

Proyecto presentado en solar decathlon Europe 2012