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Manuales sobre energa renovable: Solar Trmica/ Biomass Users Network (BUN-CA). -1 ed. San Jos, C.R. : Biomass Users Network (BUN-CA), 2002. 42 p. il. ; 28x22 cm. ISBN: 9968-904-01-5 1. Energa Solar. 2. Recursos Energticos Amrica Central. 3. Conservacin de la Energa. 4. Desarrollo Sostenible. I. Ttulo.

Hecho el depsito de Ley. Reservados todos los derechos.

Copyright 2002, BUN-CA, Setiembre del 2002

1a edicin San Jos, Costa Rica

Este Manual puede ser utilizado para propsitos no-comerciales con el debido reconocimiento al autor.

Esta publicacin ha sido posible gracias a la sistencia financiera del Fondo para el Medio Ambiente Mundial (GEF) e implementando por el Programa de la Naciones Unidas para el Desarrollo (PNUD) en el marco del Programa Operacional #6 del real Temtica de Cambio Clitico del GEF. Las opiniones expresadas en este documento son del autor y no necesariamente refrejan el parecer del Fondo para el Medio Ambiente Mundial o del Programa de las Naciones unidas para el Desarrollo.

Tabla de simbologa

Amperio Corriente alterna Amperio-hora Blanco y negro Unidad trmica Britnica ( 1 Btu = 1055.06 J) BUN-CA Biomass Users Network Centroamrica CO Monxido de Carbono Dixido de Carbono CO2 DC Corriente Directa EPDM Ethylene Propoylene Diene Monomer G Giga (109) GEF/FMAM Fondo para el Medio Ambiente Mundial Gls Galones GTZ Cooperacin alemana para el desarrollo GW Giga vatio (109 vatios) Gwh Giga vatios hora HCs Hidrocarburos HR Humedad relativa Hz Hertz J Joule (0,239 calora 9,48 x 10 -4, unidades trmicas britnicas, Btu) J/s Joules por segundo K Kilo (10 3) Km/sg Kilmetros por segundo kW (1000 vatios) unidad de potencia 2 Kilovatios por metro Kw/m cuadrado

A AC Ah B/N Btu

kWH kWH/m2 LPG lts M m2 m3 mm m/sg MW C ONG Psig PNUD PV PVC T TCe TM US$ UV V W

Wp W/m2

Kilovatio hora Kilovatio hora por metro cuadrado Gas de petrleo lquido Litros Mega (106) Metro cuadrado Metros cbicos Milmetros Metros por segundo Mega vatios Grados Centgrados Organizacin No Gubernamental Libras de presin por pulgada cuadrada Programa de las Naciones Unidas para el desarrollo Fotovoltaico (por sus siglas en ingls) Cloruro de polivinilo Tera (1012) Toneladas de carbn equivalente Tonelada mtrica Dlares USA Ultravioleta Voltios (el monto de presinde electricidad) Vatios (la medida de energa elctrica, Voltios x amperios = vatios) Vatios pico Vatios por metro cuadrado

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1. Introduccin

P

ara la regin de Amrica Central, las tecnologas de energa renovable a pequea escala presentan una alternativa econmica y ambiental factible para la provisin de energa a comunidades rurales remotas y para la expansin de la capacidad elctrica instalada, ya sea por medio de sistemas aislados o por proyectos conectados a la red elctrica. La regin cuenta con suficientes recursos para desarrollar sistemas hidrulicos, solares, elicos y de biomasa, principalmente. Adicionalmente, estas tecnologas pueden disminuir la contaminacin del medio ambiente, causada por las emisiones de gases de los sistemas convencionales, que utilizan combustibles fsiles, como el carbn y productos derivados del petrleo. Estos gases contribuyen al efecto invernadero y al calentamiento global de nuestro planeta. Sin embargo, existen barreras que dificultan un mayor desarrollo de este tipo de energa: la falta de conocimiento de las tecnologas y las capacidades institucional y tcnica an incipientes. Con el fin de remover la barrera de informacin existente, se ha elaborado una serie de manuales tcnicos con los aspectos bsicos de cada una de tecnologas, como: Energa de biomasa. Energa elica. Energa solar fotovoltaica. Energa solar trmica. Energa hidrulica a pequea escala. Estas publicaciones han sido elaboradas por la oficina, para Centroamrica, de Biomass Users Network (BUN-CA), en el contexto del proyecto "Fortalecimiento de la capacidad en energa renovable para Amrica Central" (FOCER) y con el apoyo de consultores especficos en cada tema. FOCER es un proyecto ejecutado por BUN-CA, conjuntamente con el Programa de Naciones Unidas para el Desarrollo (PNUD), con el patrocinio del Fondo para el Medio Ambiente Mundial (FMAM o GEF), dentro del rea focal de Cambio Climtico (Programa Operacional #6). FOCER tiene como objetivo remover barreras que enfrenta la energa renovable y fortalecer la capacidad para el desarrollo de proyectos de este tipo a pequea escala, en Amrica Central, con el fin de reducir las emisiones de gases que contribuyen el efecto invernadero. Este proyecto se ejecuta por medio del apoyo tcnico y financiero a desarrolladores de proyectos, de la organizacin de seminarios y talleres de capacitacin, y de la asistencia a gobiernos en la implementacin de polticas y regulaciones apropiadas para la energa renovable. El presente manual, entorno a la energa solar trmica, tiene el objetivo de informar al lector sobre esta tecnologa en el mbito centroamericano, as como a darle fuentes adicionales de informacin.

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2. Qu es energa solar?

l sol, fuente de vida y origen de las diversas formas de energa que el ser humano ha utilizado desde el inicio de su historia, puede satisfacer prcticamente todas nuestras necesidades si aprendemos cmo aprovechar de forma racional su luz.

E

El sol es una estrella formada por diversos elementos en estado gaseoso, principalmente hidrgeno, en condiciones tales que producen, de forma espontnea e ininterrumpida, un proceso de fusin nuclear, el cual emite luz y calor. Este es el origen de la inagotable energa solar. Fuerza del Sol La fuerza del sol que llega a la tierra equivale a 10.000 veces el consumo mundial de energa. Este astro es como una gran estrella corriente, capaz de hacer llegar hasta nosotros grandes cantidades de energa radiante. Se encuentra a una distancia de unos 150 millones de kilmetros de la Tierra y la radiacin que emite tarda algo ms de ocho minutos en alcanzar nuestro planeta, a una velocidad de 300.000 km/s. Desde el punto de vista cuantitativo se puede decir que slo la mitad de la radiacin solar llega a la superficie de la Tierra. La restante se pierde por reflexin y absorcin en la capa de aire. La forma ms usual de medir la fuerza del Sol es en kw/m2 de rea horizontal. En el mapa mundial de radiacin solar (www.energie-atlas.ch/sonn-e.htm), se indica la radiacin promedio anual en kwh/m2. As muestra que la mayora de Amrica Central recibe una cantidad de 1.950 kwh/m2 por ao, un valor muy alto si se compara con Europa Central que recibe apenas, 1.100 kwh/m2 por ao. El aprovechamiento activo se puede regir bajo dos puntos de vista bien diferenciados: la conversin trmica o aprovechamiento del calor contenido en la radiacin solar, y la conversin elctrica o aprovechamiento de la energa luminosa (fotones), para generar directamente energa elctrica (efecto fotovoltaico). Este manual discute la conversin trmica, mientras que en otro de esta serie se trata el tema de la energa fotovoltaica. Historia del desarrollo y estado actual de la tecnologa El aprovechamiento trmico del sol era conocido ya por los romanos. Ellos saban que un cuerpo negro absorbe ms el calor que un cuerpo claro, pero fue hasta la gran crisis del petrleo de los aos setenta en el siglo pasado, cuando se empez la difusin masiva de los sistemas solares trmicos. Durante esta crisis energtica, en todo el mundo, nacieron empresas que se dedicaban a la fabricacin e instalacin de colectores solares, pero por falta de experiencia y conocimientos, la mayora fracas. As en esa poca, tales empresas se dieron cuenta de que la energa solar trmica, a primera vista, parece una tecnologa primitiva y simple, pero requiere unas especificaciones tcnicas apropiadas con respecto al uso de materiales, pues no cualquiera soporta temperaturas mximas que superen los 150C. En el pasado no se calcularon los problemas de dilatacin de los materiales en cambios de temperatura muy bruscos, lo que significaba que se quebraban los vidrios de los colectores. Los problemas de corrosin por el contacto directo de diferentes metales eran otra polmica que provoc que muchas instalaciones solares no lograran el rendimiento esperado, por lo que la vida til se qued muy por debajo de lo calculado tericamente.

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Qu es energa solar?

Mientras en los pases desarrollados hoy los productos han alcanzado una buena calidad, con una vida til de ms de veinte aos y con un rendimiento alto; en los pases en vas de desarrollo contina la falta de buenos materiales en el mercado, y el elevado costo de un sistema solar de calidad. La aplicacin de la energa solar trmica que ha tenido mayor uso y divulgacin es el calentamiento de agua para uso domstico. Las primeras patentes de calentadores solares aparecieron en Estados Unidos hacia finales del siglo XIX. En Mxico se han estado utilizando y desarrollando estos sistemas desde la dcada de los cuarenta y pases como Japn, Israel, Chipre, Barbados, Grecia o Espaa han instalado varios miles de unidades. El incremento del precio del petrleo favorece an ms, tambin en la regin de Amrica Central, este uso de la energa solar para hogares, piscinas, hospitales, hoteles y procesos industriales.

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3. Funcionamiento de la energa solar trmica

Caractersticas

L

a energa solar presenta dos caractersticas especiales muy importantes que la diferencian de las fuentes energticas convencionales: dispersin e intermitencia.

a. Dispersin: En condiciones favorables, la densidad de la energa del sol apenas alcanza 1 kw/m2, un valor muy por debajo del que se requiere para producir trabajo. Esto significa que, para obtener densidades energticas elevadas, se necesitan grandes superficies de captacin, o sistemas de concentracin de los rayos solares. b. Intermitencia: La energa solar no es continua, lo cual hace necesarios sistemas de almacenamiento. Aprovechamiento El aprov