Fuentes Renovables

Energía solar

Casi todas las fuentes de energía - hidráulica, biomasa, eólica, combustibles fósiles y la energía de los océanos - son formas indirectas de energía solar, lo que justifica la asociación "madre de las energías". Por otra parte, la radiación solar se puede utilizar directamente como fuente de energía térmica, para calentar líquidos y ambientes y para la generación de potencia mecánica o eléctrica. Puede todavía ser convertida directamente en energía eléctrica, por medio de efectos sobre determinados materiales, entre los cuales se destacan el termoeléctrico y el fotovoltaico.

El aprovechamiento de la iluminación natural y del calor para la calefacción de ambientes, llamada de calefacción solar pasiva, resulta de la penetración o absorción de la radiación solar en las edificaciones, reduciendo con esto, las necesidades de la iluminación y calefacción. Así, un mejor aprovechamiento de la radiación solar se puede hacer con la ayuda de las técnicas más sofisticadas de arquitectura y construcción.

El aprovechamiento térmico para la calefacción de fluidos se hace con el uso de colectores o de concentradores solares. Los colectores solares son más usados en aplicaciones residenciales y comerciales (hoteles, restaurantes, clubes, hospitales, etc.) para la calefacción de agua (higiene personal y lavado de utensilios y de ambientes). Los concentradores solares se destinan a aplicaciones que requieren temperaturas más altas, como el secado de granos y la producción de vapor. En este último caso, se puede generar energía mecánica con la ayuda de una turbina a vapor, y, posteriormente, electricidad, por medio de un generador.

La conversión directa de la energía solar en energía eléctrica ocurre por la radiación (calor y luz) sobre determinados materiales, particularmente los semiconductores. Entre éstos, destacan los efectos termoeléctrico y fotovoltaico. El primero se caracteriza por el surgimiento de una diferencia de potencial, provocada por la unión de dos metales, en condiciones específicas. En segundo, los fotones contenidos en la luz solar se convierten en energía eléctrica, por medio del uso de células solares.

Entre algunos procesos de aprovechamiento de la energía solar, los más usados actualmente son la calefacción de agua y la generación fotovoltaica de energía eléctrica. En el Brasil, el primero es más encontrado en las regiones del sur y sudeste, debido a las características climáticas, y el segundo, en las regiones Norte y Nordeste, en las comunidades aisladas de la red de energía eléctrica.

La radiación solar

Además de las condiciones atmosféricas (nubosidad, humedad relativa del aire, etc.), la disponibilidad de radiación solar, también llamada energía total incidente sobre la superficie terrestre, depende de la latitud local y de la posición en el tiempo (hora del día y día del año). Esto se debe a la inclinación del eje imaginario alrededor del cual la tierra gira diariamente (movimiento de rotación) y la trayectoria elíptica que la tierra describe alrededor del sol (translación o revolución).

De esta forma, la duración solar del día - periodo de visibilidad del sol o de claridad – varia, en algunas regiones y períodos del año, de cero hora (Sol debajo de la línea del horizonte durante todo el día) a 24 horas (Sol siempre encima de la línea del horizonte). Las variaciones son más intensas en las regiones polares y en los períodos de solsticio. El inverso ocurre cerca de la línea del Ecuador y durante los equinoccios.

La mayor parte del territorio brasileño se encuentra relativamente cerca del ecuador, por lo que existen amplias variaciones en la duración del día solar. Sin embargo, la mayoría de la población brasileña y las actividades socioeconómicas en el país se concentran en las regiones más alejadas del ecuador. En Porto Alegre, capital brasilera más meridional (cerca de 300 S), la duración del día solar varía de 10 horas y 13 minutos a 13 horas y 47 minutos, aproximadamente, entre junio 21 y 22 de diciembre, respectivamente. Por lo tanto, para maximizar el aprovechamiento de la radiación solar, se puede ajustar la posición del colector o panel solar de acuerdo con la latitud local y la época del año en que se requiere más energía. En el Hemisferio sur, por ejemplo, un sistema de captación solar fijo debe ser orientado para el norte, con un ángulo de inclinación similar al de la latitud local.

La transferencia de calor

El calor puede ser percibido por la diferencia de temperatura y puede ser transmitido de tres maneras: conducción, convección y radiación.

La transferencia de calor por conducción se produce cuando las partículas de la materia, especialmente, sólida se chocan debido a las vibraciones que sufren al ser calentadas, como por ejemplo: encender una vela y quedarse asegurando un metal sobre la llama; usar clavijas de hierro al asar la carne en un asado; dejar una cuchara dentro de una olla de arroz, que aún esta en el fuego o dentro de una taza de café caliente.

El calor se transfiere por convección en los líquidos o en los gases, pues en esos medios, las moléculas tienen mayor libertad de movimiento. En consecuencia, cuando hay calentamiento de esos materiales las moléculas se mueven con más rapidez y tienden a moverse, es decir, las moléculas frías van para las regiones más calientes y las moléculas calientes para las regiones más frías. Así, se pueden comprender algunos fenómenos vistos diariamente en varios lugares, tales como: agua hirviendo en una caldera, la refrigeración del interior de una nevera, la calefacción interior de viviendas, etc.

En la irradiación, la transmisión de calor se produce cuando la agitación térmica de las moléculas de una fuente se transfiere de una región a otra, dentro de un espacio dado, sin que haya conexión material directa entre dos medios, tales como: el calor que se puede sentir aquí en la tierra proveniente del sol, el calentamiento en el interior de las estufas para plantas; la alta temperatura en el interior de un carro cuando se expone al sol durante algún tiempo, etc.

Aprovechamiento de la energía solar

El aprovechamiento de la energía solar, es decir, el uso del calor del sol, puede producirse de varias maneras, tales como:

a) Generación de electricidad, especialmente en regiones donde no hay transmisión de energía eléctrica convencional, es decir, regiones no interconectadas al Sistema Integrado Nacional (SIN);

b) Calentar el agua de duchas eléctricas;

c) Uso de invernaderos para mayor crecimiento de los vegetales que necesitan mantener la temperatura interna superior a la temperatura exterior;

d) Secado de granos;

e) Bombeo de agua utilizando un panel fotovoltaico conectado a una bomba hidráulica.

Tecnologías aplicables

Colector solar: la radiación solar puede ser absorbida por colectores solares, principalmente para la calefacción de agua, a temperaturas relativamente bajas (por debajo de 100 º C). El uso de esta tecnología se produce predominantemente en el sector residencial, pero hay una demanda significativa y aplicaciones en otros sectores, como edificios públicos y comerciales, hospitales, restaurantes, hoteles y similares. Este sistema de aprovechamiento térmico de la energía solar, también llamada calefacción solar activa, implica el uso de un colector solar discreto. El colector se instala normalmente en el techo de las casas y edificios. Debido a la baja densidad de la energía solar que alcanza la superficie de la tierra, la atención para una sola residencia puede exigir la instalación de varios metros cuadrados de colectores. Para el suministro de agua caliente de una residencia típica (tres o cuatro personas), son necesarios cerca de 4 m2 de colectores.

Concentrador solar: El aprovechamiento de la energía solar aplicado a sistemas que requieren temperaturas más altas ocurre por medio de concentradores solares, cuyo objetivo es capturar la energía solar incidente en un área relativamente grande y se concentrarla en un área mucho más pequeña, de modo que la temperatura de esta última aumente sustancialmente. La superficie reflectora (espejo) de los concentradores tiene forma parabólica o esférica, de modo que los rayos del sol que en ella inciden sean reflejados en una superficie bastante menor, llamado foco, donde se localiza el material que será calentado. Los sistemas parabólicos de alta concentración alcanzan temperaturas muy altas e índices de eficiencia que van del 14% al 22% de aprovechamiento de la energía solar incidente, la cual se puede utilizar para generar vapor y, también de energía eléctrica. Sin embargo, la necesidad de enfocar la luz solar sobre una área pequeña requiere de algún dispositivo de orientación, causando gastos adicionales al sistema, que tiende a ser minimizados en sistemas grandes. A mediados de la década de 1980 fueron instalados nueve sistemas parabólicos en el sur de California, EE.UU, con tamaños que oscilan entre 14 MW y 80 MW, totalizando 354 MW de capacidad instalada. Estos son los sistemas híbridos, que funcionan con la ayuda de gas natural, a fin de satisfacer la demanda en horarios de baja incidencia solar. Los costos de la energía eléctrica generada han variado entre US$ 90 y US$ 280 por MWh. Recientes mejoras se han hecho con el fin de reducir costos y aumentar la eficiencia de conversión. En vez de pesados espejos de vidrio, se han empleado hojas circulares de película plástica aluminizada (NREL, 2000).

Conversores fotovoltaicos: la radiación solar se puede convertir directamente en energía eléctrica, a través de los efectos de la radiación (luz y calor) en ciertos materiales, en particular los semiconductores. Entre estos, se destacan los efectos termoeléctrico y fotovoltaico. El primero se caracteriza por la aparición de una diferencia de potencial, causada por la unión de dos metales, cuando esta unión está a una temperatura superior a los otros extremos de los cables. Aunque muy utilizados en la construcción de los medidores de temperatura, su uso comercial para la generación de electricidad ha sido impedido por los bajos rendimientos obtenidos y por los altos costos de los materiales.

El efecto fotovoltaico se deriva de la excitación de los electrones en algunos materiales en presencia de luz solar (o de otras formas apropiadas de energía). Entre los materiales más adecuados para la conversión de la luz solar en energía eléctrica, los cuales son usualmente llamados de células solares o fotovoltaicas, se encuentra el silicio. La eficiencia de conversión de las células solares se mide por la proporción de radiación solar incidente sobre la superficie de la célula que se convierte en energía eléctrica. En la actualidad, las mejores células tienen una tasa de eficiencia del 25% (Green et al., 2000).

Para la generación de electricidad a escala comercial, el principal obstáculo ha sido el costo de las células solares. En B (2000), actualmente los costos de capital varían entre 5 y 15 veces los costos unitarios de una central a gas natural que opera con ciclo combinado. Sin embargo, en los últimos años se ha visto una reducción en los costos de capital. Los valores se encuentran en el rango de US$ 200 a US$ 300 por MWh y entre US$ 3 y US$7 mil por kW instalado.

Calentamiento de agua

La tecnología del calentador solar ya viene siendo usada en Brasil desde los años 60, época en la cual surgieron las primeras investigaciones. En 1973, las empresas empezaron a utilizarla comercialmente (ABRAVA, 2001).

Según informaciones de la Asociación Brasileña de Refrigeración, Aire Acondicionado, ventilación y calefacción (ABRAVA de 2001), existían hasta hace poco alrededor de 500.000 colectores solares residenciales instalados en Brasil. Sólo para calentamiento doméstico de agua para el baño, se gastan anualmente millones de kWh de energía eléctrica, los cuales podrían ser abastecidos con energía solar, con enormes beneficios socioeconómicos y ambientales. Aún peor es el hecho que casi toda esta energía se consume habitualmente en momentos concretos del día, lo que genera una sobrecarga en el sistema eléctrico. Además, hay una gran demanda en los edificios públicos y comerciales, que puede ser debidamente atendida por sistemas de calefacción solar central.

Aunque poco significativos frente al gran potencial existente, hay varios proyectos de aprovechamiento de la radiación solar para calentar el agua en el país. Esta tecnología se ha aplicado principalmente en casas, hoteles, moteles, hospitales, hospitales, vestuarios, restaurantes industriales y la calefacción de piscinas. En Belo Horizonte, por ejemplo, ya son más de 950 edificios que tienen este beneficio y, en Porto Seguro, 130 hoteles y posadas (ABRAVA, 2001). La Figura 3.8 ilustra un ejemplo comercial del aprovechamiento térmico de la energía solar en la ciudad de Belo Horizonte - MG, que se ha convertido en una referencia en energía solar térmica. El sistema tiene un área total de 804 m2 de colectores solares y la capacidad de almacenamiento de agua de 60.000 litros. Entre otros ejemplos encontrados en Belo Horizonte, se destaca el del Centro de Operaciones de la TEC, que tiene una superficie total de 100 m2 de colectores y capacidad de almacenamiento de agua solar de 10.000 litros (CRESESB, 2000).

Uno de los principales obstáculos a la difusión de la tecnología de calentamiento solar de agua es el costo de adquisición de los equipos, particularmente para hogares de bajos ingresos. Pero la tendencia a lo largo de los años es la reducción de los costos, dependiendo de la escala de producción, de los avances tecnológicos, del aumento de la competencia y de los incentivos del gobierno. Los factores que han contribuido al crecimiento del mercado son: promover los beneficios del uso de la energía solar; las exenciones fiscales que el sector recibió, la financiación, como el de la Caja Económica Federal, a los interesados en la implementación del sistema, y la necesidad de reducir los gastos con energía eléctrica durante el racionamiento en 2001 (ABRAVA, 2001). También son crecientes las aplicaciones de la energía solar para calentar el agua en conjuntos de habitaciones y casas populares, como en los proyectos de Ilha do Mel, Singapura, Proyecto Sapucaias en Contagem, Conjuntos Habitacionales SIR y María Eugenia (COHAB) en Governador Valadares (ABRAVA, 2001). Otro factor impulsor de esta tecnología es la Ley N º 10295 de 17 de octubre de 2001, que establece una Política Nacional para la Conservación y Uso Racional de la Energía y la promoción de la eficiencia energética en edificios construidos en el país. El crecimiento promedio en el sector, que ya cuenta con aproximadamente 140 fabricantes y tiene una tasa histórica de crecimiento anual de aproximadamente el 35%, fue superior al 50% en 2001. En 2002, fueron producidos en el país 310.000 m2 de colectores solares (ABRAVA 2001).

El aprovechamiento de la energía solar en Brasil

Actualmente hay varios proyectos en marcha o en funcionamiento, para el aprovechamiento de la energía solar en Brasil, especialmente por medio de sistemas fotovoltaicos de generación de electricidad, destinado a servir a las comunidades aisladas de la red de energía eléctrica y al desarrollo regional. Además del apoyo técnico, científico y financiero recibido de diversos organismos e instituciones en Brasil (MME, Eletrobrás/CEPEL y universidades, entre otros), estos proyectos han contado con el apoyo de organizaciones internacionales, en particular de la Agencia Alemana de Cooperación Técnica - GTZ y del Laboratorio de Energía Renovable de los Estados Unidos (National Renewable Energy Laboratory) - NREL/DOE. También el área de aprovechamiento de la energía solar para calentar el agua ha ganado importancia en las regiones Sur y Sudeste del país, donde una parte significativa del consumo de energía eléctrica es destinada a tal fin, especialmente en el sector residencial.

Referencia Bibliográfica

Energia Alternativa – Sistemas Fotovoltaicos, CEMIG, Texto Superintendência de Planejamento e Desenvolvimento Energético – PE

PALZ, Wolfong. Energia Solar e Fontes Alternativas, Editora Hemus, São Paulo, 1981.

RUTHER, R. Panorama atual da utilização da energia solar fotovoltaica e o trabalho do Labsolar nesta área, Florianópolis, 2000.