Trabajo Energia Solar Termica Oficial

2011 ENERGIA SOLAR TERMICA

ECA PERICHE MARYCARMEN MATILDE HERRERA AGURTO JHONSER PALACIOS SAUCEDO JUAN PIERO SAAVEDRA ALVARADO GINNA KAROLY

UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA AMBIENTAL

INDICE I.

……………………………………………………………… …………………………………. …. 3 Introducción………………………………

II.

……………………………….. 4 Breve historia de la energía térmica………………………………

III.

Energía térmica en el Perú ……………………………………………

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IV.

Energía solar……………………………………………………………….

8

V.

Aplicaciones mecánicas…………………………………………………

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VI.

Energía calórica……………………………………………………………

11

VII.

Energía solar térmica……………………………………………………

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VIII.

Aplicaciones…………………………………………………………………

13

IX.

El sol: Recurso energético…………………………………………….

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X.

Energía solar térmica en la región Arequipa ………………….

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XI.

Como opera una terma solar………………………………………..

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XII.

Componentes de una terma solar………………………………….

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XIII.

Aspectos ambientales…………………………………………………..

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XIV.

Ventajas de la energía solar………………………………………….

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XV.

Desventajas de la energía solar térmica………………………..

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XVI.

Legislación …………………………………………………………………

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XVII.

conclusiones……………………………………………………………….

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ING° CINTHYA CASTRO CANGO FUENTES DE ENERGIAS NUEVAS Y RENOVABLES VIII


INTRODUCCION Las tecnologías de energía renovable a pequeña escala presentan una alternativa económica y ambiental factible para la provisión de energía a comunidades rurales remotas y para la expansión de la capacidad eléctrica instalada, ya sea por medio de sistemas aislados o por proyectos conectados a la red eléctrica. La región cuenta con suficientes recursos para desarrollar sistemas hidráulicos, solares, eólicos y de biomasa, principalmente. principalm ente. Adicionalmente, estas tecnología tecnologíass pueden disminuir la contaminaci contaminación ón del medio ambiente, causada por las emisiones de gases de los sistemas convencionales, que utilizan combustibles fósiles, como el carbón y productos derivados del petróleo. 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 energía: la falta de conocimiento de las tecnologías y las capacidades institucional y técnica aún incipientes. Definiremos la energía solar térmica o energía termosolar como el aprovechamiento de la energía del Sol para generar calor mediante el uso de colectores o paneles solares térmicos. Esta energía solar se encarga de calentar el agua u otro tipo de fluidos a temperaturas que podrán oscilar oscilar entre 40º y 50º, no debiendo superar los 80º. Esta agua caliente se podrá usar posteriormente para cocinar o para la producción de agua caliente destinada al consumo de agua doméstico (ACS), ya sea agua caliente sanitaria, calefacción, calefacción, o para producción de energía mecánica y a partir de ella, de energía eléctrica. Actualmente también tenemos la posibilidad de alimentar una máquina de refrigeración por absorción, que empleará esta energía solar térmica en lugar de electricidad para producir frío como lo haría un aparato de aire acondicionado tradicional. La energía solar térmica está demostrando ser el sistema para producción de agua caliente más económico y ecológico de entre todos los existentes en la actualidad. Las aplicaciones de la energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria son muy diversas: viviendas unifamiliares, edificios, hoteles, geriátricos, hospitales, restaurantes, polideportivos, y en definitiva todos aquellos edificios en los que se demanda agua caliente sanitaria.

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I. BREVE HISTORIA DE LA ENERGIA SOLAR TERMICA El calor del sol ha sido un elemento muy cotidiano desde siempre y habitualmente empleado por el hombre desde la prehistoria. Acciones tan sencillas como secar la ropa al sol o simplemente calentarse exponiéndose a los rayos solares son actividades que han acompañado al hombre desde siempre, y que ya implican un aprovechamiento solar térmico. Probablemente también desde tiempos muy tempranos se dispusieron vegetales (hortalizas, frutas, cereales, flores, hojas) bajo los ardientes rayos solares con el fin de que se deshidratasen. Este acto permitía una mucha mejor conservación de estos alimentos, además de un mucho menor peso, con lo que se facilitaba su transporte. Pese de estos usos tan tempranos del calor del sol, a partir de este momento solo consideraremos como aprovechamiento aprovechamiento solar térmico en este artículo a aquel que emplea diversos útiles para una intensificación y mejor empleo del calor solar.

Desde la Edad Antigua al Renacimiento Ya desde la antigüedad se inventaron artefactos capaces de hacer un uso útil de la radiación solar. Quizá unos de los primeros sistemas de aprovechamiento solar térmico de que se tiene información fueron los empleados para producir fuego por medio de la concentración solar. Así griegos y romanos ya en el S III AC eran capaces de prender las antorchas de los rituales religiosos por medio de unos recipientes en forma parabólica con el interior reflejante llamados en griego Skaphia. El funcionamiento de este artefacto era sencillo. Bastaba con exponerlo los días soleados al sol para que la radiación se concentrara en su foco alcanzando altas temperaturas. En el momento en el que se ponía una antorcha en el foco esta prendía en pocos segundos. En una época en la que se estaba lejos de entender la naturaleza de la radiación solar, la generación de fuego de esta forma era considerando un prodigio digno de los dioses.

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SEGUNDA MITAD DEL SXVIII Y SXIX Un hecho fundamental en la historia de la energía solar térmica la protagonizó en naturalista Suizo Horace de Saussure en 1767 cuando inventó lo que él denomino “caja caliente”. Saussure era conocedor del efecto invernadero que se produce en todo espacio cerrado que cuenta con una apertura acristalada por donde entra la radiación solar y decidió potenciar al máximo el efecto ef ecto para comprobar hasta que temperaturas te mperaturas se lograba alcanzar. Para ello dispuso una caja acristalada con el interior pintado de negro. Todas las caras, excepto la acristalada, contaban con una capa de aislante que retenía el calor producido en su interior. El resultado fue que con su caja caliente logró alcanzar temperaturas de hasta 109 ºC. Horacio de Saussure había inventado el colector solar que tendrá una determinante repercusión en el desarrollo de la energía solar térmica de baja temperatura. A partir de su invento surgirán todos los desarrollos posteriores de calentadores solares de agua de placa plana que se han proporcionado agua caliente a millones de personas en el mundo. Sin embargo, este invento no solo supuso el origen con el tiempo de los sistemas de calentamiento de agua y aire a baja temperatura, sino que también dio pie al nacimiento de los hornos solares. En definitiva los hornos solares no son más que colectores solares o más propiamente dicho “cajas calientes” con muy ligeras adaptaciones para permitir la cocción de alimentos. Así, aunque Saussure ya había cocinado algunas frutas, varias décadas después del invento del naturista suizo, en 1830, Sir John Herschel, reputado astrónomo inglés, fabricó una caja caliente durante su estancia en el Cabo de Buena Esperanza en Sudáfrica. Al observar las altas temperaturas que se alcanzaban en su interior que superaban el punto de ebullición decidió probar a colocar huevos, carne y comida diversa y comprobó que todo quedaba perfectamente cocinado una vez había transcurrido el tiempo necesario. Por su parte la tecnología de la concentración solar seguía también avanzando en esta época. Así Lavoisier el gran químico francés, creo en 1792 su “horno solar” consistente en dos potentes lentes que concentraban la radiación solar en un foco y que permitía alcanzaban altas temperaturas con la que fundir metales.

Horno solar de Lavoisier

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II.

LA ENERGIA TERMICA EN EL PERU El interés en el uso técnico de las energías renovables, especialmente de la energía solar, comenzó en el Perú, como en muchos otros países, en los años setenta del siglo pasado, como consecuencia de la llamada crisis de petróleo. Se trabajó en diferentes instituciones del país (mayormente en universidades) en capacitación y desarrollo tecnológico, especialmente en bombeo de agua con molinos de viento, calentadores solares de agua y secadores solares de productos agrícolas. Estas experiencias fueron puntualmente exitosas, p.ej. la tecnología de los calentadores solares de agua, hoy bien asentada en Arequipa, fue originalmente desarrollada por el ex -ITINTEC, y, los secadores solares artesanales de maíz usados hoy en el Valle Sagrada del Urubamba fueron desarrollados y diseminados por un proyecto de la Universidad Nacional de Ingeniería con la cooperación alemana.

El presente artículo trata de dar un visión general de la situación actual del uso de la energía solar en el Perú, entrando en más detalle en el uso de la energía solar fotovoltaica, que tiene particular importancia para el desarrollo de zonas rurales apartadas: Según datos del Ministerio de Energía y Minas del Perú, en los últimos años se ha incrementado a 75 % el porcentaje de la población peruana que cuenta con servicio eléctrico. A pesar del gran esfuerzo de aumentar la electrificación electrificación en el Perú, básicamente a través de la extensión de redes eléctricas, esto significa que todavía hay 7 millones de peruanos sin electricidad. Casi toda esta gente vive en áreas rurales y en la medida que aumenta la electrificación, cada vez es más costoso aumentar un punto porcentual más a la electrificación, debido a la baja densidad poblacional y las dificultades geográficas de gran parte del territorio peruano. Para estos millones de peruanos la única posibilidad económicamente viable a corto y mediano plazo es la generación local de electricidad, basada sobre todo en recursos renovables: hidráulica, eólica, solar y biomasa. A pesar de que esta situación es ampliamente reconocida, relativamente poco se ha hecho hasta la fecha en este campo. Esto se explica por varias razones, principalmente por que es más costoso electrificar regiones remotas y aisladas que regiones que están cerca a la red eléctrica interconectada existente. La energía solar es el recurso energético con mayor disponibilidad en casi todo el territorio Peruano. En la gran mayoría de localidades del Perú, la disponibilidad de la energía solar es bastante grande grande y bastante uniforme durante durante todo el año, comparado con otros países, lo que hace atractivo su uso. En términos generales, se dispone, en promedio anual, de 4-5 kWh/m2día en la costa y selva y de 5-6 kWh/m2día, aumentando de norte a sur. Esto implica que la energía solar incidente en pocos metros cuadrados es, en principio, suficiente para satisfacer las necesidades energéticas de una familia. El problema es transformar esta energía solar en energía útil y con un costo aceptable. La energía solar se puede transformar con facilidad en calor: de hecho, cualquier cuerpo, preferentemente de color negro, absorbe la energía solar y la transforma en calor, que puede ser usado para calentar ambientes, calentar agua (termas solares), secar diversos

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productos, cocinar, etc. Por otro lado, con los paneles fotovoltaicos, o simplemente llamados “paneles solares”, se puede transformar la energía solar directamente en electricidad. La fabricación de los paneles fotovoltaicos requiere alta tecnología y pocas fábricas en el mundo (en países desarrollados) lo hacen, pero su uso es sumamente simple y apropiado para la electrificación rural, teniendo como principal dificultad su (todavía) alto costo. Presentaremos a continuación algunos ejemplos de aplicaciones de la energía solar en el Perú.

Secado solar El aprovechamiento tradicional de la energía solar más difundido es el secado solar de productos agrícolas, exponiendo el producto directamente a la radiación solar. Para superar los inconvenientes de este método (bermas, disminución de la calidad, etc.) el CER-UNI realizó, con apoyo de la cooperación técnica alemana entre 1983 y 1990 el proyecto “Desarrollo y difusión de secadores solares para productos agrícolas y alimenticios”, cuyos resultados están incluidos en el libro “Teoría y práctica del secado solar”. Posteriormente, hasta el día de hoy, siguen realizándose trabajos en este tema (p.ej. secadores de orégano, CERT, Tacna) y varios de los modelos de secadores solares estudiados, de construcción simple con materiales disponibles en el campo, han encontrado una difusión en el campo.

Termas solares La fabricación local de calentadores solares de agua es la tecnología más antigua y de mayor desarrollo y diseminación en el Perú. Se estima que hoy hay 25000 a 30000 termas solares, mayormente en Arequipa. Existen ahora alrededor de 20 fabricantes que recientemente se ha constituido en una “Asociación de Empresas Peruanas de Energía Solar”, AEPES y que producen mensualmente alrededor de 600 metros cuadrados de colectores solares para termas solares.

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III.

ENERGIA SOLAR Es la energía radiante producida en el Sol, como resultado de reacciones nucleares de fusión que llegan a la Tierra Tierra a través del espacio en paquetes de energía llamados fotones fotones (luz), que interactúan con la atmósfera y la superficie terrestres. Sin la presencia del sol no existiría vida en la tierra. El planeta sería demasiado frío, no crecerían las plantas ni habría vida alguna, excepto algunas bacterias. Todos nuestros recursos energéticos provienen indirectamente del sol. Los combustibles fósiles son plantas y árboles muy antiguos, que crecieron gracias a la luz solar y han sido comprimidos durante millones de años. La energía solar es la energía obtenida mediante la captación de la luz y el calor emitidos por el Sol. Desde que surgió se le catalogó como la solución perfecta para las necesidades energéticas de todos los países debido a su universalidad y acceso gratuito ya que, como se ha mencionado anteriormente, proviene del sol. Para los usuarios el gasto está en el proceso de instalación del equipo solar (placa, termostato…). Este gasto, con el paso del tiempo, es cada vez menor por lo que no nos resulta raro ver ve r en la mayoría de las casas las placas instaladas. instaladas. Podemos decir que no contamina y que su captación es directa y de fácil mantenimiento. La radiación solar que alcanza la Tierra puede aprovecharse por medio del calor que produce a través de la absorción de la radiación, por ejemplo en dispositivos ópticos o de otro tipo. Es una de las llamadas energías renovables, particularmente del grupo no contaminante, conocido como energía limpia o energía verde, si bien, al final de su vida útil, los paneles fotovoltaicos pueden suponer un residuo contaminante difícilmente reciclable al día de hoy. La potencia de la radiación varía según el momento del día; las condiciones atmosféricas que la amortiguan y la latitud. Se puede asumir que en buenas condiciones de radiación el valor es de aproximadamente 1000 W/m² en la superficie terrestre. A esta potencia se la conoce como irradiancia. La radiación es aprovechable en sus componentes directa y difusa, o en la suma de ambas. La radiación directa es la que llega directamente del foco solar, sin reflexiones o refracciones intermedias. La difusa es la emitida por la bóveda celeste diurna gracias a los múltiples fenómenos de reflexión y refracción solar en la atmósfera, en las nubes y el resto de elementos atmosféricos y terrestres. La radiación directa puede reflejarse y

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concentrarse para su utilización, mientras que no es posible concentrar la luz difusa que proviene de todas las direcciones. La irradiancia directa normal (o perpendicular a los rayos solares) fuera de la atmósfera, recibe el nombre de constante solar y tiene un valor medio de 1354 W/m² (que corresponde a un valor máximo en el perihelio de 1395 W/m² y un valor mínimo en el afelio de 1308 W/m²). /m²).

Concentradores parabólicos que recogen la energía solar en Almería, España.

IV.

APLICACIONES MECANICAS

La energía térmica posee un sinfín de aplicaciones pero se emplea principalmente para abastecer a los sistemas de calefacción y para proveer agua caliente a los sistemas sanitarios; los equipos domésticos de alta tecnología cuentan con un desarrollo fiable y económico, pueden funcionar funcionar a base de energía solar o de otras fuentes. En el primer caso no debemos depender únicamente de los días soleados ya que los equipos actuales cuentan con depósito y un sistema energético auxiliar en donde se almacena toda la energía recogida durante días lo que nos permite utilizarla luego durante la noche. La cocina es otro de los lugares en donde se utiliza la energía térmica, siempre y cuando nos refiramos a las cocinas solares; en ellas se pueden cocinar la mayoría de los platos que

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haríamos con un horno convencional con la ventaja de que en una cocina solar obtenemos un plato de manera ecológica. El único inconveniente de estos dispositivos es que necesita de un período de tiempo mucho más extenso para que los alimentos alcancen las temperaturas de cocción. La energía térmica no se ha explotado convenientemente aún pero, de acuerdo a varios entendidos, este proceso no demorará mucho tiempo; son muchas las naciones que han presentado planes y proyectos para incursionar en este recurso aprovechando sus beneficios al máximo. Seguramente, en pocos años, encontraremos muchos más hornos y radiadores solares que hoy en día. La energía térmica del tipo solar emplea el calor generado por la radiación solar para generar electricidad, este recurso es válido tanto para la producción eléctrica de grandes centrales como para una producción menor, es decir, de tipo doméstica. Actualmente el mundo cuenta con varias centrales de generación de electricidad que emplean a la energía solar térmica captada por dos dispositivos diferentes: los de alta o baja concentración. Podemos decir que la energía térmica se relaciona íntimamente con el calor, o mejor dicho con los fenómenos caloríficos, para comprender un poco mejor esta idea, decimos que este tipo de energía se produce cuando dos cuerpos, que tienen diferentes temperaturas, se ponen en contacto. El cuerpo caliente es el que comunica la energía al cuerpo frío, la diferencia entre ambas temperaturas es lo que se denomina energía térmica; no es tarea fácil definir de manera precisa a la energía térmica debido a que ésta posee más de un enfoque. De acuerdo con la teoría cinético-molecular, ésta es la energía resultante de sumar las energías mecánicas de los movimientos de las diferentes partículas que lo constituyen. La energía térmica no puede medirse en términos absolutos, pero sí podemos determinar cuánto varía y esto se hace tomando como referencia al calor. ¿Qué queremos decir con esto?, sencillamente que la cantidad de energía térmica que gana o pierde un cuerpo que se encuentra en contacto con otro el cual posee una temperatura diferente recibe la denominación de calor, y justamente son las variaciones de calor lo que implican una variación de energía térmica. En conclusión señalamos que el calor es la medida de este tipo de energía.

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Cocinas térmicas

V.

ENERGIA CALORICA

La energía es la capacidad de poner en movimiento o transformar algo. En un sentido económico, la energía es el recurso natural que, gracias a la tecnología y a diversos elementos asociados, puede utilizarse a nivel industrial. industrial. Calórico, por su parte, es un término que se utiliza en la física para nombrar al principio o agente que causa fenómenos del calor. La energía calórica, por lo tanto, es el tipo de energía que se libera en forma de calor. Al estar en tránsito constante, el calor puede pasar de un cuerpo a otro (cuando ambos tienen distinto nivel calórico) o ser transmitido al medio ambiente. Cuando un cuerpo recibe calor, sus moléculas adquieren energía calórica y alcanzan un mayor movimiento. La energía calórica, también conocida como energía calorífica o

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energía térmica, puede obtenerse del sol (a través de una reacción exotérmica), algún combustible (por medio de la combustión), una reacción nuclear (de fisión o fusión), la electricidad (por efecto Joule o termoeléctrico) o del rozamiento (como resultado de distintos procesos químicos o mecánicos). La energía térmica obtenida de la naturaleza (como la energía solar o la energía geotérmica) es una energía renovable y limpia ya que, en general, no produce contaminación (a menos que el hombre instale industrias contaminantes para su explotación). La energía térmica por combustión, en cambio, libera dióxido de carbono, mientras que la energía térmica por fusión o fisión nuclear también resulta contaminante contaminante (por los residuos radiactivos). La mejor forma de aprovechar este tipo de energía, pues, es a través de paneles solares fotovoltaicos u otras tecnologías de impacto medioambiental medioambiental reducido.

VI.

ENERGIA SOLAR TERMICA

En forma directa o indirecta, el trabajo diario de complejos y elegantes colectores solares, como son las hojas de las plantas y árboles, nos proporciona alimento y produce combustible para que millones de hogares en el mundo entero puedan cocinar, al igual que ha creado todas nuestras reservas de combustibles fósiles en el pasado.

La energía solar térmica o energía termosolar consiste en el aprovechamiento de la energía del Sol para producir calor que puede aprovecharse para cocinar alimentos o para la producción de agua caliente destinada al consumo de agua doméstico, ya sea agua caliente sanitaria, calefacción, calefacción, o para producción de energía mecánica y a partir de ella, de energía eléctrica. Adicionalmente puede emplearse para alimentar una máquina de refrigeración por absorción, que emplea calor en lugar de electricidad para producir frío con el que se puede acondicionar el aire de los locales. El método de conversión a calor, la luz solar es absorbida por una superficie de color negro, que por ende se calienta. A su vez, si aire o agua recorren o pasan a través de esta superficie caliente, también se calentarán. De esta forma,

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el calor podrá ser transportado a donde sea necesario. Este es en resumen, el principio de conversión de la energía solar térmica.

La Asociación de Industrias de Energía Solar Térmica (ESTIF) está convencida de que la energía solar térmica, tanto a nivel europeo como a nivel mundial, tiene para los próximos años un potencial de crecimiento muy alto. Advierte asimismo que hasta el momento se ha subestimado mucho la importancia del sector del calor en las políticas de energía. Las drásticas alzas en los precios del petróleo y del gas y la dependencia creciente de la Unión Europea en materia de importaciones hacen necesaria una rápida reorientación en el modo de pensar. Ahora debería desarrollarse de forma masiva el uso del calor proveniente de energías renovables, como energía solar térmica, biomasa y energía geotérmica. La energía solar térmica puede usarse en cualquier edificio para calentar el agua potable, para la calefacción de locales y, en el futuro, para hacer funcionar las máquinas refrigeradoras.

VII.

APLICACIONES

En el caso de la energía solar térmica, la radiación solar es convertida directamente en calor y puede ser empleada para el calentamiento de agua, aire u otros elementos. Las aplicaciones más conocidas son: – Destiladores solares de agua – Secadores solares – Termas solares 

Destilador solar de agua

El destilador solar de agua purifica el agua evaporándola y luego condensándola. El destilador no contiene sales, minerales ni impurezas orgánicas. El agua obtenida puede ser utilizada tanto para consumo directo, en hospitales, como agua para baterías, entre otros. Se aconseja su uso en áreas en los lugares donde haya abundante agua contaminada o salobre y, naturalmente, donde haya abundante sol. Por último, los materiales básicos, es

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decir, el vidrio o las láminas transparentes y resistentes a los rayos ultravioletas, deberán obtenerse fácilmente y tener un costo moderado. Como parámetro base, un destilador solar razonablemente funcional produce produce cuatro litros diarios de agua destilada por metro cuadrado de superficie útil. Las principales características operativas son las mismas para todos los destiladores solares. A continuación encontrará la descripción de cómo opera un destilador. El agua que será destilada es colocada en un recipiente dentro de una caja con cubierta inclinada de vidrio. El agua ingresa al destilador solar a través de la entrada. La radiación solar penetra a través de la cubierta de vidrio y calienta el fondo del recipiente, es decir, la radiación solar es absorbida al igual que el calor, por la superficie negra ubicada bajo el agua almacenada. El agua sobre la superficie es calentada por el sol y convertida en vapor de agua. El vapor se condensa en la cubierta de vidrio, cuya temperatura es baja debido al contacto con el ambiente. El agua condensada baja por el vidrio hasta un canal que va al tanque de almacenamiento. Todo el destilador deberá ser lo más hermético posible para evitar pérdidas de vapor.

Ejemplo de destilador solar de agua

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UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA AMBIENTAL 

Secador solar

Todos los secadores solares cuentan con los mismos componentes básicos: a) Una cubierta transparente que permita el paso de la luz solar y limite las pérdidas de calor (vidrio o plástico) b) Una superficie absorbente, de color oscuro, que recoge la luz solar y la convierte en calor, para luego liberarlo en forma de aire. El aire caliente absorbe más agua que el frío, de modo que el aire caliente y seco es llevado a través del producto que se quiere secar c) Una capa de aislamiento por debajo d) Una entrada y una salida de aire, a través de las cuales el aire húmedo puede ser reemplazado por aire fresco y más seco.

Los secadores solares pueden ser de dos clases: 1) Secadores en las que la luz solar se utiliza directamente. En este tipo de secadores, la absorción de calor la realiza principalmente el producto mismo.

Secador solar, empleado directamente

2) Secadores en las que la luz solar se utiliza indirectamente. En este tipo de secadores, el aire de secado se calienta en un espacio distinto de donde se coloca el producto. Los productos no son expuestos directamente a la luz solar.

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Secador solar, empleado indirectamente

A continuación detallamos cómo opera una secadora. El aire recorre la secadora por convección natural. El aire se calienta al pasar por el colector, y luego se enfría parcialmente mientras recoge la humedad del producto que se va a secar. El producto es calentado tanto por el aire caliente como por la luz solar directa. El aire de escape sale a través de la chimenea ubicada en la parte superior de la cámara de secado. 

Terma solar

Una terma solar consta de uno o más colectores, así como de un tanque de almacenamiento almacenamiento aislado; está diseñada para ser utilizada en casas, hospitales, lavanderías, etc. El mecanismo de operación de una terma solar es el siguiente: La luz solar es absorbida por una superficie de color negro cubierta por láminas de vidrio, que por ende se calientan. A su vez, si aire o agua recorren o pasan a través de esta superficie caliente, éstos también se calentarán. De esta forma, el calor podrá ser transportado a donde sea necesario. Este es, en resumen, el principio de una terma solar. El sistema de una terma solar está formado básicamente por un colector plano y un tanque de almacenamiento de agua. La Figura 5 ilustra el diseño más simple para una terma solar.

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Vista general de las partes principales de una terma solar

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Posibilidades y limitaciones

La fuente de energía, es decir, la radiación solar, no cuesta; sin embargo, el equipo necesario para poder aprovechar los rayos solares puede ser caro, y, por lo general, requiere mantenimiento. Además, el usuario deberá tener nociones básicas sobre su funcionamiento. funcionamiento. Una de las características de las termas solares es que las hay de distintos grados de perfección y con un amplio rango de costos y tamaños. La tabla 1 presenta un listado de ventajas y desventajas del uso de termas solares.

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VENTAJAS

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Apropiadas para la producción local  Bajo costo operativo  Bajo costo de mantenimiento

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 

DESVENTAJAS

(Relativamente) altos costos de inversión  Salida del agua dependiendo de la radiación solar  Necesidad de personal técnico para su instalación  Necesidad de materiales de construcción de alta calidad


VIII.

EL SOL : RECURSO ENERGETICO

Para determinar las dimensiones de un colector solar, usualmente no es necesario medir la radiación solar porque los valores promedios se conocen para muchos de los lugares sobre la Tierra. Los valores promedios pueden usarse y esto es suficientemente exacto para los estudios de factibilidad. Sólo se deben considerar mediciones in situ cuando se realizan estudios de factibilidad para sistemas muy grandes que demandan grandes inversiones. En el Perú tenemos ya un Atlas Solar, el cual nos da una primera aproximación aproximación de los lugares donde la radiación solar se puede aplicar.

LUGARES CON MAYOR RADIACION EN EL PERU

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IX.

ENERGIA SOLAR TERMICA EN LA REGION AREQUIPA La región Arequipa es una de las zonas del país con mayor irradiación solar lo que hace que se pueda aprovechar para aplicaciones de energía solar térmica y fotovoltaica. al presente se tienen instaladas aproximadamente solamente en la ciudad 38000 mil termas solares para uso domestico que anualmente representan 61,764 MwH de energía eléctrica no generada y un ahorro aproximado de 20 millones de soles para los usuarios.

En países cercanos al ecuador, las consecuencias de desviaciones de la inclinación óptima son poco importantes. El ángulo de inclinación es pequeño, así que los colectores solares normales (normal = línea haciendo ángulo de 90o con el colector) nunca se desvían de svían mucho del ángulo promedio de incidencia sobre la radiación solar (que está cercana a la normal sobre la superficie de la tierra). Aún así, de ser posible, es mejor dejar que los colectores miren al sol. 

Sombras y reflejos

En lo posible, deben evitarse las sombras. Pero, cuál es exactamente la influencia de un pequeño árbol al Este del colector solar, de un edificio alto a 100 metros o de una pared detrás de los colectores solares. Cualquier sombra tiene una influencia negativa sobre el rendimiento de un sistema solar. Así que, aún un árbol pequeño (además del hecho de que muchos de los árboles pequeños eventualmente se convierten en árboles grandes) puede tener una influencia sustancial sobre el rendimiento si está justo en el lugar equivocado. Como regla, la influencia de objetos en los alrededores puede olvidarse cuando el ángulo de la línea, desde el colector solar hasta la cima del objeto, con la horizontal, es menor a 20°.

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Otro efecto, frecuentemente olvidado, es el de los reflejos de la radiación solar desde la superficie de la tierra u objetos en los alrededores. Diferentes materiales tienen diferentes coeficientes de reflexión. Por ejemplo, un edificio blanco refleja casi toda la radiación. Un edificio oscuro absorbe mucha radiación. El césped o los árboles reflejan parte de la radiación, mientras que la tierra oscura absorbe mucho más.

Sistema solar y algunos obstáculos bajos Si uno tiene la oportunidad de escoger el color de las paredes en el vecindario directamente relacionado relacionado con un sistema solar, es aconsejable escoger el blanco. De lo contrario, si uno tiene la oportunidad de escoger el lugar, se puede tomar en consideración este reflejo. Bajo ciertas circunstancias, circunstancias, la reflexión puede ser de un 10% del total de la radiación o más, así que sí vale la pena.

Radiación directa indirecta

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

Instrumentos de medición

El instrumento que sirve para medir la energía solar es el solarímetro. Básicamente hay dos tipos de solarímetros: el piranómetro y el medidor fotovoltaico. Ambos tipos miden la radiación solar tanto directa como indirecta (difusa). 

El piranómetro: posee una pequeña plancha de metal negro en su interior, con una termocupla unida a ella. Esta plancha negra se calienta al sol y con la termocupla, el aumento de temperatura se puede medir. La plancha y la termocupla están cubiertas y aisladas por una cúpula de vidrio. La salida de la termocupla es medida para la radiación instantánea total en un momento dado.



El medidor fotovoltaico: no es nada más que una pequeña célula fotovoltaica que genera electricidad. La cantidad de electricidad es medida para conocer la radiación instantánea. Estos medidores son mucho más económicos que los piranómetros pero menos exactos.

PIRANOMETRO

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MEDIDOR FOTOVOLTAICO



X.

COMO OPERA UNA TERMA SOLAR 

Terma solar con circulación natural: Efecto termosifón

Describe el principio de circulación natural en una terma solar. Cuando la radiación solar golpea la superficie del absorbente, se convierte rápidamente en calor. Las pérdidas de calor se reducen gracias a la cubierta y al aislamiento, de modo que el calor es recogido y transferido al agua en los tubos .El agua se calienta y sube por el conducto superior (vea 2) hacia el tanque de almacenamiento. almacenamiento. El agua caliente es más ligera que el agua fría, por lo que siempre encuentra su camino hacia el punto más alto del circuito. Entonces, habrá un flujo que va desde el colector hacia el tanque de almacenamiento. A su vez, el agua caliente que sube desde el colector es sustituida por agua fría, vía el conducto inferior. Por lo tanto, el agua fluirá desde la parte más baja del tanque de almacenamiento hacia la parte más baja del colector. De este modo se genera una circulación natural: el agua caliente sube desde el colector y, simultáneamente, el agua fría fluye del tanque de agua al colector. El agua fría en el colector será calentada nuevamente por la radiación solar, cerrando así el circuito. Un sistema basado en el principio de circulación natural es denominado sistema de efecto termosifón; es decir, sistema donde el sol constituye la fuente de energía. Dependiendo de la temperatura del medio ambiente y del grado de aislamiento del sistema, éste alcanzará temperaturas entre los 40º C y 90º C.

Circulación natural del agua

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

Terma solar de circulación forzada

El sistema de efecto termosifón es el más simple y adecuado para ser construido y utilizado en nuestro medio y a un costo mínimo. Por el hecho de trabajar sin una bomba eléctrica, no requiere conexión a la red de alumbrado público, cosa que es muy ventajosa en el Perú, ya que hay lugares que no cuentan con dicha conexión eléctrica para hacer circular el agua en el sistema. En un sistema de circulación forzada, los sensores de temperatura prenden la bomba eléctrica en el momento en que detectan una diferencia de temperatura mayor de 4º C entre la parte más baja del t anque de almacenamiento y la parte superior del panel. En comparación con el sistema de efecto termosifón, este sistema es ligeramente más eficiente en términos de energía. En términos de costos, el sistema de circulación forzada es más caro. Además del aumento de eficiencia, el sistema de circulación forzada permite, por lo general, colocar el tanque de almacenamiento más abajo que el panel, en el interior de los edificios, por ejemplo. Otra razón por la que se utilizan sistemas de circulación forzada, es porque hacen del sistema una instalación resistente a la congelación. En climas muy fríos, cuando la temperatura baja de cero grados, el colector deberá estar vacío, o de lo contrario, deberá agregarse anticongelante al fluido del colector. En el primer caso, el tanque de almacenamiento es colocado más abajo que el colector y, sólo en caso de que haya suficiente luz solar, la bomba se pondrá en funcionamiento y el colector se llenará de agua. En el segundo caso, el circuito del colector y el circuito de agua deberán estar separados por un intercambiador de calor que reducirá la eficiencia de la terma solar.

CIRCULACIÓN FORZADA DE AGUA

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XI.

COMPONENTES DE UNA TERMA SOLAR 

El colector

La parte más importante de una terma solar es el colector (vea la Figura 13). La función del colector es convertir la radiación solar en calor y conducirlo al fluido del colector, es decir, al agua en la mayoría de los casos. El colector consta de: 

Un absorbente pintado de negro, del cual se extrae el calor mediante el fluido del colector, es decir, el agua



Una cubierta transparente



Aislamiento en la parte posterior y a los lados del absorbente



Una cubierta de protección para el absorbente y su aislamiento.

Colector solar

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

El Absorbente

El absorbente deberá tener las siguientes características:  Alta eficiencia de absorción;  Bajo nivel de pérdidas de calor, es decir, un buen aislamiento;  Un buen sistema de tuberías;  Una buena conducción de calor entre la placa del absorbente y el fluido del colector. Existen tres tipos de absorbentes eficientes:  Absorbente de serpentín (vea la Figura 1)  Absorbente de registro tubular (vea la Figura 2)  Absorbente de placa (vea la Figura 3)

Absorbente de serpentín (1)

Absorbente de registro tubular (2)

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Absorbente de placa (3)

El absorbente puede ser de diferentes metales, como cobre, aluminio y acero. La característica más importante del material empleado para la construcción de un absorbente es la conductividad del calor, la que deberá ser la mayor posible. Si se compara al aluminio con el cobre como material estándar, se puede decir que un absorbente hecho de aluminio es aproximadamente 4% menos eficiente, sin embargo, el aluminio es más fácil de usar. El acero es más barato en comparación con los otros dos materiales, pero es más difícil de utilizar y además, un absorbente de acero es aproximadamente aproximadamente 10% menos eficiente. Resultados de una prueba de comparación de diferentes materiales absorbentes Material

Hierro

Aluminio

Cobre

Conductividad de

40

200

400

-10%

-4%

Estándar

Menor, dependiendo del costo local 30% más difícil

Menor, dependiendo del costo local 30% más fácil

Estándar

calor

W/m. 0C Eficiencia del absorbente Costo

Facilidad de uso

Estándar

Además del tipo de material, la eficiencia del colector se ve afectada por los siguientes factores: el grosor de la placa absorbente, el diámetro de la tubería y el método de conexión de la placa y la tubería.

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Grosor de la placa absorbente Una placa absorbente gruesa tiene un nivel de eficiencia más elevado, en comparación con una placa delgada. Esto se ilustra en el siguiente cuadro:

Grosor(mm) Eficiencia

1 8% más eficiente

0.5 Estándar

En este ejemplo, una placa absorbente gruesa de aluminio es 8% más eficiente que una placa de 0.5 mm. Por supuesto, habrá un incremento en los costos de materiales y mano de obra. 

Cubierta transparente

El colector cuenta con una cubierta transparente que ayuda a reducir las pérdidas de calor y a proteger la superficie del absorbente de la contaminación, alargando así la durabilidad del revestimiento. Se pueden utilizar los siguientes materiales: – vidrios – láminas de plástico – vidrio acrílico El siguiente cuadro presenta las ventajas y desventajas de estos tres materiales:

MATERIAL

Vidrio

VENTAJA  

relativamente estable durable, especialmente a la radiación UV

DESVENTAJA     

Lámina de Plástico

   

Vidrio acrílico

  

peso ligero fácil de manipular fácil de obtener alta transmisión de luz (hasta 98%)



durabilidad (dependiendo del tipo) que varía entre unos pocos meses y varios años

peso ligero fácil de manipular buena calidad de insolación



no es resistente a la radiación UV, se torna opaco y blando se rompe fácilmente difícil de obtener puede ser costoso

  

27

pesado reducción de luz difícil de obtener puede ser muy costoso se rompe fácilmente


UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA AMBIENTAL 

Tanque de almacenamiento

Por lo general, el agua calentada por el colector no se utiliza inmediatamente, por lo que debe ser almacenada en un tanque. Puede construirlo o comprarlo (nuevo o usado). Para los sistemas más pequeños hasta los sistemas de 1000 litros, se pueden utilizar cilindros de aceite o contenedores de plástico en buenas condiciones. Existen dos tipos de tanques de almacenamiento almacenamiento (y de termas solares): – Tanques no presurizados – Tanques presurizados

Tanque no presurizado

Tanque presurizado

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Los tanques no presurizados son más simples y baratos (se pueden emplear materiales más ligeros) que los tanques presurizados. Un tanque presurizado soporta altas presiones causadas por el aumento de temperatura (el agua se expande cuando se calienta) y por la misma presión del agua. Los tanques no presurizados ilustra las diversas entradas y salidas de un tanque de almacenamiento. En un sistema de calentamiento, es imprescindible que tanto la entrada de agua caliente que viene desde el colector como la salida hacia el usuario estén ubicadas por debajo del nivel de agua. En los sistemas no presurizados, es necesario instalar en el tanque de almacenamiento una tubería de ventilación sobre el nivel del agua fría. La tubería de escape/tubería de ventilación es colocada sobre el nivel del agua para permitir que ésta se expanda y que el aire salga del sistema. En un sistema presurizado, la tubería de ventilación es reemplazada por una válvula automática de salida de presión, pequeña válvula que libera gotas de agua del sistema cuando la presión es muy alta. En el tanque no presurizado el usuario sólo puede obtener agua caliente cuando hay un flujo simultáneo de entrada de agua fría. La entrada de agua fría se encuentra cerca del fondo del tanque con el fin de minimizar la alteración de los patrones de los flujos de agua en el sistema.

XII.

INSTALACIÓN DE UNA TERMA SOLAR

A pesar de parecer una acción simple y rápida, la instalación de una terma solar es, quizás, la parte más complicada de todo el proceso. Se cometen fallas y errores con mucha facilidad, y está comprobado que tales errores (por lo general pequeños) son la causa de la mayoría de problemas de funcionamiento. funcionamiento. No importa cuán pequeños puedan ser, pero si podemos decir que estos errores pueden acarrear graves consecuencias. La primera posibilidad, obviamente, es que el sistema no funcione adecuadamente después de la instalación; por ejemplo, que haya filtraciones en el sistema o que el agua no se caliente, son signos de que hay una avería.

Errores de instalación: Los más comunes (pequeños) durante la instalación son: 

Filtraciones en las tuberías y conexiones entre las tuberías, el tanque de almacenamiento y el colector



Un trabajo de aislamiento inadecuado inadecuado



Rotura de la cubierta de vidrio del colector

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UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA AMBIENTAL 

Error de inclinación de las tuberías del colector

 Errores en los sensores de temperatura (cables equivocados, sensor “caliente” y

“frío” prendido, conexiones eléctricas cerradas)

XIII.

ASPECTOS AMBIENTALES Las principales alteraciones que se dan como consecuencia de la instalación de termas

solares 

Energía Solar

Cuando se aprovecha la energía solar no se genera contaminación directa por sustancias de los colectores o de las células fotovoltaicas, pero los sistemas colectores contienen a menudo sustancias para la transmisión térmica que pueden producir contaminaciones si acceden al medio ambiente. Los paneles pueden generar molestias óptico-estéticas, esto se resuelve a través de una integración a su ambiente; las reflexiones molestas disminuyen si se elimina el espejado u opacando los elementos. En el caso de establecimientos grandes grandes con aprovechamiento intensivo de la superficie, no es posible aplicar estas soluciones, excepto la disminución de las reflexiones. Por lo tanto, pueden presentarse conflictos relacionados con exigencias visuales-estéticas visuales-estéticas así como con otras potencialidades naturales relacionadas con la tierra (suelos para producción agropecuaria, protección de especies y biotopos) (siempre que no se trate de emplazamientos en zonas desérticas). La sombra y la modificación del albedo generados por las grandes instalaciones pueden, según las condiciones locales, ejercer impactos tanto sobre el microclima (tasas de evaporación, movimiento movimiento del viento, temperatura) como sobre la flora y fauna. Otros impactos ambientales se producen durante la fabricación de los materiales que se utilizan para los colectores y células solares. La fabricación del acero, cobre y aluminio que a menudo se utilizan como materia prima, genera problemas ambientales por emisiones, por ejemplo, de polvos y compuestos fluorados y produce no sólo gran contaminación a raíz de los desechos y efluentes que se originan, sino también una gran demanda energética, especialmente especialmente en el caso del aluminio. Para las celdas solares se utilizan en parte metales raros y tóxicos (cadmio, arsénico, selenio, galio) que ya durante su procesamiento pueden conducir a problemas aunque pequeños (contaminación de las aguas residuales y emisiones de aire contaminado). En estos casos se trata de sustancias químicamente muy estables. El riesgo ambiental se limita a las instalaciones donde se produce. Mediante el control y medidas preventivas de seguridad, es posible minimizar el riesgo.

30



XIV.

VENTAJAS DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA 







XV.

Los sistemas solares pueden suponer ahorros en el coste de preparación del agua caliente de aproximadamente entre un 70 y un 80% respecto a los sistemas convencionales. Los equipos para aprovechamiento térmico de la energía solar constituyen un desarrollo tecnológico fiable y rentable para la producción de agua caliente sanitaria en las viviendas. La inversión en paneles solares, además, pueden amortizarse con el ahorro que se obtiene. Las placas solares pueden ser un complemento interesante de apoyo a la calefacción, sobre todo en sistemas que utilicen agua a temperatura inferior a 60ºC, tal y como sucede con los sistemas por suelo radiante o en los de "fan-coil". En la mayoría de los casos, tanto en viviendas unifamiliares, como en edificios, las instalaciones instalaciones de energía solar térmica proporcionan entre un 50 y un 70% del agua caliente demandada, por lo que siempre necesitan un apoyo de sistemas convencionales de producción producción de agua caliente (caldera de gas, caldera de gasóleo, etc.)

DESVENTAJAS DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA 

Su discontinuidad en el tiempo



Sólo aprovechan la radiación directa, por lo que necesitan que no haya nubes. Para solventar estos problemas se disponen de 2 sistemas de almacenamiento térmico:



Sistemas de almacenamiento en medio único: son aquellos en los que el medio utilizado para almacenar energía térmica es el mismo fluido que circula por los colectores solares. Los más comunes utilizan aceite sintético como fluido de trabajo y como medio de almacenamiento. Este sistema presenta una eficiencia superior al 90%.



Sistemas de almacenamiento en medio dual: son aquellos en los que el almacenamiento de calor se efectúa en un medio diferente al fluido de trabajo que se calienta en los colectores solares. Los medios de almacenamiento más comunes son las placas de hierro, materiales cerámicos o el hormigón. La eficiencia de estos sistemas ronda el 70%

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XVI.

LEGISLACION 

LEGISLACIÓN Y NORMATIVA Y RENOVABLE

Los Sistemas de Calentamiento de Agua con Energía Solar (SCAES) son aquellos sistemas que más normatividad poseen, debido al interés del sector público y privado de normalizarlos. La energía solar térmica, vale decir los SCAES o termas solares, posee las siguiente normatividad: 

Norma Técnica Peruana NTP 399.400-2001 - Colectores solares. Método de ensayo para determinar la eficiencia de los colectores solares.



Norma Técnica Peruana NTP 399.404-2006 – Sistemas de calentamiento de agua con energía solar. Fundamentos para su dimensionamiento eficiente.



Norma Técnica Peruana NTP 399.405-2007 – Sistemas de calentamiento de agua con energía solar. Definición y pronóstico anual de su rendimiento mediante ensayos en exterior.



Norma Técnica Peruana NTP 399.482-2007 – Sistemas de calentamiento de agua con energía solar. Procedimientos Procedimientos para su instalación instalación eficiente.



Norma Técnica de Edificación EM.080 – Instalaciones con energía solar.

Las Normas Técnicas Peruanas (NTP) pueden ser adquiridas en el Instituto Nacional de Defensa de la Competitividad y la Propiedad Intelectual Intelectual (INDECOPI) y tienen un costo.

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XVII.

CONCLUSIONES 

La energía solar es renovable, inagotable, limpia y respetuosa con el medio ambiente. Contribuye a la reducción de las emisiones de de CO2 y otros gases de efecto invernadero, ayudando a cumplir con los acuerdos adoptados en el Protocolo de Kioto.



Se entiende por energía solar térmica, a la transformación de la energía radiante solar en calor o energía térmica. La energía solar térmica se encarga de calentar el agua de forma directa alcanzando temperaturas que oscilan entre los 40º y 50º gracias a la utilización de paneles solares (siempre temperaturas inferiores a los 80ºC). El agua caliente queda almacenada para su posterior consumo: calentamiento de agua sanitaria, usos industriales, calefacción de espacio, calentamiento de piscinas, secaderos, refrigeración, etc.



Por tanto, la energía solar térmica utiliza directamente la energía que recibimos del Sol para calentar un fluido. La diferencia con la energía solar fotovoltaica es que ésta aprovechado las propiedades físicas de ciertos materiales semiconductores para generar electricidad electricidad a partir de la radiación solar.



Cuando la radiación solar golpea la superficie del absorbente, se convierte rápidamente en calor. Las pérdidas de calor se reducen gracias a la cubierta y al aislamiento, de modo que el calor es recogido y transferido al agua en los tubos. El agua se calienta y sube por el conducto superior hacia el tanque de almacenamiento.

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Trabajo Energia Solar Termica Oficial

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