Esta tecnología logra una eficiencia solar superior al 50% frente al 10%-15% de los paneles convencionales
El sistema instalado en Beijing, denominado “SolarDuct PV/T”, aprovecha el calor sobrante de cualquier panel fotovoltaico de techo mediante una instalación térmica. La mayoría de las células solares, dependiendo del día, tienen una eficiencia de entre el 10% y el 15%, ya que gran parte de la energía se pierde en forma de calor. Sus responsables, la empresa canadiense Conserval Engineering, aseguran que con esta tecnología se logra una eficiencia solar superior al 50%.
Por ello, el edificio, además de recibir la electricidad de los paneles, cuenta con un suministro extra de energía térmica que puede ser aprovechado para calentar el agua o en aparatos de climatización. Gracias a ello, sostienen, la instalación se amortiza antes y contribuye a cuidar del medio ambiente, ya que por cada cinco metros cuadrados de estos paneles se evita la emisión anual de una tonelada de dióxido de carbono (CO2). Asimismo, afirman, el sistema consigue que las células fotovoltaicas no se recalienten, lo que les permite producir más electricidad.

En realidad, se trata de una evolución del sistema térmico “SolarWall” que esta compañía desarrollaba hace más de una década, y por la que han recibido varios premios y distinciones internacionales. La instalación consiste en un muro de acero con pequeñas perforaciones ubicado en la pared del edificio. De esta manera, el sistema captura el calor del aire exterior y el que irradia el propio edificio, evitando además que éste se encuentre en contacto directo con el sol. Finalmente, el calor obtenido es transmitido al interior del edificio para su aprovechamiento térmico.

Desde Conserval Engineering afirman que no requiere mantenimiento y su vida útil supera los 30 años, permitiendo un ahorro en combustible para sistemas térmicos de entre un 20% y un 50%. Asimismo, aseguran haber instalado más de 1.000 de estos equipos en casi 30 países distintos, con clientes como Ford, 3M, General Motors, FedEx o el ejército estadounidense.
En este sentido, sus responsables se han centrado en el sector industrial y comercial. No obstante, debido a que el interés de los consumidores por las energías limpias y las ayudas institucionales son cada vez mayores, su presidente, John Hollick, ha afirmado que van a tener también en cuenta el mercado residencial a principios del año que viene.
Otros sistemas fotovoltaicos/térmicos
Las posibilidades de esta tecnología híbrida han llevado a otras empresas e instituciones a experimentar con varios sistemas. Por ejemplo, la Agencia Internacional de la Energía dispone de un programa para incentivar el desarrollo comercial de estos dispositivos. En este sentido, se pueden encontrar en el mercado varios modelos de colectores solares fotovoltaicos/térmicos, aunque su número aún es limitado y requieren un mayor desarrollo para su generalización.
Con una tecnología de colector de aire similar a la de Conserval Engineering, compañías como la alemana Grammer Solar o la danesa SolarVenti cuentan con interesantes productos. Por su parte, algunas otras se han centrado en los denominados “colectores líquidos fotovoltaicos/térmicos”, como la holandesa PVTWINS o la israelí Millenium Electric T.O.U. Empresas como la canadiense Menova Energy, la sueca Arontis Solar Solutions o la británica HelioDynamics utilizan concentradores solares.

Ventanas solares

Gracias a los avances tecnológicos, la energía solar se puede aprovechar en los hogares de diversas maneras, en algunos casos muy curiosas. Una empresa japonesa, Nihon Telecommunication System, ofrece ventanas con células fotovoltaicas que pueden producir, en días soleados, hasta 70 vatios por metro cuadrado de cristal. Con la electricidad lograda, afirman, y vía puerto USB, pueden alimentar a un PC o recargar un teléfono móvil.
Según sus responsables, las células solares que incorporan tienen una eficiencia de entre el 7% y el 8%. Como ventaja adicional, el fabricante nipón asegura que impiden la entrada de hasta el 90% de los rayos solares, de manera que se reducen los costes en aire acondicionado. Su gran inconveniente, el precio: cada metro cuadrado vale unos 1.200 euros, aunque creen que serán capaces de vender 10.000 de estas ventanas solares anualmente.

Las baterías fotovoltaicas son un componente muy importante de todo el sistema pues realizan tres funciones esenciales para el buen funcionamiento de la instalación:

• Almacenan energía eléctrica en periodos de abundante radiación solar y/o bajo consumo de energía eléctrica. Durante el día los módulos solares producen más energía de la que realmente se consume en ese momento. Esta energía que no se utiliza es almacenada en la batería.
• Proveen la energía eléctrica necesaria en periodos de baja o nula radiación solar. Normalmente en aplicaciones de electrificación rural, la energía eléctrica se utiliza intensamente durante la noche para hacer funcionar tanto lámparas o bombillas así como un televisor o radio, precisamente cuando la radiación solar es nula. Estos aparatos pueden funcionar correctamente gracias a la energía eléctrica que la batería ha almacenado durante el día.
• Proveen un suministro de energía eléctrica estable y adecuado para la utilización de aparatos eléctricos. La batería provee energía eléctrica a un voltaje relativamente constante y permite, además, operar aparatos eléctricos que requieran de una corriente mayor que la que pueden producir los paneles (aún en los momentos de mayor radiación solar). Por ejemplo, durante el encendido de un televisor o durante el arranque de una bomba o motor eléctrico.

 Características de las baterías

La Figura muestra una batería típica para aplicaciones fotovoltaicas. En su apariencia externa este tipo de baterías no difiere mucho de las utilizadas en automóviles. Sin embargo, internamente las baterías para aplicaciones fotovoltaicas están construidas especialmente para trabajar con ciclos de carga/descarga lentos.

Las baterías para sistemas fotovoltaicos generalmente son de ciclo profundo, lo cual significa que pueden descargar una cantidad significativa de la energía cargada antes de que requieran recargarse. En comparación, las baterías de automóviles están construidas especialmente para soportar descargas brevespero superficiales durante el momento de arranque; en cambio, las baterías fotovoltaicas están construidas especialmente para proveer durante muchas horas corrientes eléctricas moderadas. Así, mientras una batería de automóvil puede abastecer sin ningún problema 100 amperios durante 2 segundos, una batería fotovoltaica de ciclo profundo puede abastecer 2 amperios durante 100 horas.
Aunque el costo inicial es más bajo, no es recomendable utilizar baterías de automóviles en sistemas fotovoltaicos dado que no han sido construidas para estos fines. Las consecuencias más graves del empleo de batería de automóviles son:

• La vida útil de este tipo de baterías se acorta considerablemente,
• los procesos de carga/descarga se hacen ineficientemente.

Así, el ahorro en costos que puede tener comprar baterías de automóviles (en lugar de baterías fotovoltaicas) se pierde ante la necesidad de reemplazarlas frecuentemente.

La capacidad de la batería se mide en “amperio-hora (Ah)”, una medida comparativa de la capacidad de una batería para producir corriente. Dado que la cantidad de energía que una batería puede entregar depende de la razón de descarga de la misma, los Ah deben ser especificados para una tasa de descarga en particular. La capacidad de las baterías fotovoltaicas en Ah se especifica frecuentemente a una tasa de descarga de 100 horas (C-100).

Esquema de una bateria Plomo-Acido

La capacidad de la batería para un sistema fotovoltaico determinado se establece dependiendo de cuanta energía se consume diariamente, de la cantidad de días nublados que hay en la zona y de las características propias de la batería por utilizar. Además, se recomienda usar, cuando sea posible, una sola batería con la capacidad necesaria. El arreglo de dos o más baterías en paralelo presenta dificultades de desbalance en los procesos de carga/descarga. Estos problemas ocasionan algunas veces la inversión de polaridad de las placas y, por consiguiente, la pérdida de capacidad de todo el conjunto de baterías. También se recomienda colocarlas en una habitación bien ventilada y aislada de la humedad del suelo. Durante el proceso de carga se produce gas hidrógeno en concentraciones no tóxicas, siempre y cuando el local disponga de orificios de ventilación ubicados en la parte superior de la habitación.

Después que las baterías hayan alcanzado su vida útil, deberán ser retiradas y llevadas a centros de reciclaje autorizados (en el caso de algunos proveedores con la venta de la batería se responsabilizan también del retiro y reciclaje). Por ningún motivo deben desecharse en campos abiertos o basureros, pues el derrame de la solución de ácido sulfúrico que contienen ocasiona graves daños al suelo, personas y animales. Finalmente, es importante mantener alejados a los niños de las baterías para evitar cortocircuitos o quemaduras de ácido accidentales.

Al igual de lo que sucede con los módulos fotovoltaicos, se recomienda la ayuda de un conocedor del tema para que sugiera el tipo de batería que más conviene a una instalación fotovoltaica particular. En términos generales, se debe adquirir baterías fotovoltaicas de calidad, que cumplan al menos las especificaciones mínimas.

Mantenimiento y vida útil

Diferentes tipos y modelos de baterías requieren diferentes medidas de mantenimiento. Algunas requieren la adición de agua destilada o electrolito, mientras que otras, llamadas ‘baterías libre de mantenimiento’, no lo necesitan.

Generalmente, la vida útil de una batería de ciclo profundo es entre 3 y 5 años, pero esto depende en buena medida del mantenimiento y de los ciclos de carga/descarga a los que fue sometida. La vida útil de una batería llega a su fin cuando esta “muere súbitamente” debido a un cortocircuito entre placas o bien cuando ésta pierde su capacidad de almacenar energía debido a la pérdida de material activo de las placas.

Las baterías para aplicaciones fotovoltaicas son elementos bastante sensibles a la forma como se realizan los procesos de carga y descarga. Si se carga una batería más de lo necesario, o si se descarga más de lo debido, ésta se daña. Normalmente, procesos excesivos de carga o descarga tienen como consecuencia que la vida útil de la batería se acorte considerablemente.

Debido a que el buen estado de la batería es fundamental para el funcionamiento correcto de todo el sistema y a que el costo de la batería puede representar hasta un 15-30 % del costo total, es necesario disponer de un elemento adicional que proteja la batería de procesos inadecuados de carga y descarga, conocido como regulador o controlador de carga.

 Corrección: E4=E1xE2xE3, E3 es la cantidad de horas de uso.

Cálculo de la corriente requerida

A1 Carga total diaria (sumar la columna E4)                                      273 watts-hora/día
A2 Tensión CD del sistema (generalmente 12 ó 24 V)                       12 voltios
A3 Carga diaria corriente (A1/A2)                                                      22.8 amperios-hora
A4 Multiplicar con el factor de seguridad 20% (para compensar
las pérdidas en las baterías y otros componentes)                           1.2
A5 Carga diaria corriente corregida (A4*A3)                                     27.3 amperios-hora
A6 Promedio de horas de sol por día.                                                4 horas
A7 Amperaje que el sistema tendrá que producir (A5/A6)                 6.8 amperios

Cálculo del número de páneles

B1 Amperaje máximo del modulo solar seleccionado
(según especificaciones del fabricante)                                             3.9 amperios
B2 Divida la línea A7 entre la B1 para obtener el número
de módulos que se necesita                                                              1.75
B3 Redondee al número completo inmediato superior                       2

Cálculo del número de baterías

C1 Carga total diaria (A5)                                                                   27.3 amperios-hora
C2 Días de reserva (este es el tiempo que el
sistema tiene que estar funcionando sin sol)                                     3
C3 Capacidad nominal del banco de baterías (C1*C2)                       81.9 amperios-hora
C4 Factor de profundidad de descarga (generalmente 80%,
significa que siempre se deja un 20% de reserva en las baterías)    0.8
C5 Capacidad corregida del banco de baterías (C3/C4)                    102.4 amperios-hora
C6 Capacidad nominal de batería 
(según especificaciones del fabricante)                                              120 amperios-hora
C7 Número de baterías        (C5/C6)                                                   0.9
C8 Número de baterías (redondear C7)                                              1

Sí y, de hecho, muy bien. Al contrario de lo que la mayor parte de la gente intuye, los sistemas fotovoltaicos general realmente más potencia a menores temperaturas. Esto es porque las celdas son dispositivos electronicos reales y generan electricidad partiendo de la luz, no del calor. Como la mayoría de los dispositivos electrónicos, las celdas fotovoltaicas funcionan con mayor eficiencia a temperaturas frías. En climas templados, las celdas generan menor energía en invierno que en verano, pero esto se debe a que los días son más cortos, el sol cae a un menor ángulo y la cubertura por nubes es mayor, no por las temperaturas más bajas.

¿Trabajan en días nublados? ¿Qué pasa en interiores?

Las celdas fotovoltaicas siguen generando electricidad durante los días nublados aunque su salida se ve disminuida. En general, la salida decae linelmente hasta alrededor del 10% respecto de la intensidad solar plena normal. Como una celda fotovoltaica plana responde a una ventana de 180 grados de ángulo, no necesitan luz solar directa y pueden generar un 50 al 70% de su régimen especificado de salida en un cielo cubierto. Una oscurización diurna puede corresponder a sólo el 5 al 10% de la intensidad a pleno sol, así que la salida podría disminuir proporcionalmente. Los niveles de luz en interiores, así sea en una oficina con gran iluminación, son dramáticamente menores que la intensidad lumínica en el exterior -típicamente por un factor de varios cientos o más. Las celdas fotovoltaicas diseñadas para uso externo generalmente no producen potencia útil a estos niveles de luz dado que han sido optimizadas para intensidades mucho mayores. Por otra parte, las unidades diseñadas para menore niveles de luz — como las que se pueden encontrar en calculadoras o relojes — han sido preparadas para estas condiciones y se comportan pobremente a plena luz solar.

¿Cuánto durará mi sistema PV? ¿Perderán potencia a través del tiempo los módulos?

En general, los módulos fotovoltaicos constituyen el componente de mayor vida de un sistema. Los de máximaa calidad se diseñan para durar, al menos, 30 años y poseen una garantía por 20. Están diseñados para soportar todos los rigores ambientales incluyendo el frío ártico, el calor del desierto, la humedad tropical, vientos en exceso de 200 kph, y 25mm de granizo a una velocidad terminal. Las baterías industriales de alta calidad durarán coomo máximo unos 8 a 10 años. Las unidades selladas más pequeñas durarán típicamente de 2 a 4 años. Las baterías para uso en automotores no equilibran su acción con las características de los sistemas fotovoltaicos y generalmente tendrán una duración de sólo 12 a 18 meses en servicio. La clave para una larga vida es un diseño correcto del.
Sistema y la selección de componentes.

¿Requieren algún tipo de mantenimiento?

Sí, pero sólo mínimo. Los sistemas solares modernos pueden proveer una gran cantidad de información para asistirlo y hasta pueden llevar a cabo algunas funciones automáticamente. La tarea mayor es asegurarse de que los Paneles Solares estén limpios y que el nivel de agua de las baterías (cuando se usan) sea suficiente. Los sistemas dispuestos en red y que no poseen baterías requieren muy escaso mantenimiento.

¿Hay diferentes tipos de módulos solares (PV) ?

Sí. Hay módulos disponibles en diferentes potencias de salida, tipos de bastidores y montajes, tecnología de la celda, expectativa de vida y eficiencia. Estos factores determinarán el mejor panel que convenga a sus necesidades. Si está comparando marcas, asegúrese de que conoce qué es lo que está obteniendo. BP Solarex posee un amplio surtido de paneles solares de alta eficiencia para cubrir virtualmente cualquier aplicación.

¿Es necesario usar cables y fusibles especiales?

Sí. Aún cuando se intercale en su sistema un inversor o convertidor con el fin de obtener corriente alternada, seguirá habiendo una circulación de corriente continua. La electricitad de corriente continua requiere cables o alambres de conexión más gruesos y en algunos casos, fusibles y sistemas de protección especiales. Asegúrese de estar en conocimiento con las leyes que rigen el manejo de potencias (Leyes de Ohm y Watt y una tabla de conductores que indiquen las corrientes admisibles) o recurra a un instalador experimentado en lo tocante a la electricidad de CC.

La celdas solares PV o fotovoltaicas funcionan bajo el principio de que la electricidad circulará entre dos semiconductores disímiles al ponerlos en contacto uno con el otro y ser expuestos a la luz. Conectando un número de estas celdas entre sí, se apreciará que se produce una útil y abundante circulación de corriente eléctrica. Un conjunto de dos o más unidades de celdas fotovoltaicas de iguales características constituyen un módulo fotovoltaico.

GENERACION ELECTRICA

Por causa de sus propiedades eléctricas, los módulos fotovoltaicos producen corriente continua en lugar de corriente alterna (C.A.). La corriente continua (C.C.) se caracteriza por el pasaje de electrones circulando en una sola dirección (el tipo de corriente que obtiene de una pila o de un elemento de linterna). La corriente alternada es una circulación de electrones que invierte su dirección a intervalos regulares, como por ejemplo la provista por las compañías generadoras a través de la red de distribución nacional. La C.A. es necesaria para accionar la mayoría de los artefactos grandes, refrigeradoras, etc.

En los sistemas fotovoltaicos más sencillos, la corriente continua se usa directamente. En las aplicaciones en donde es necesaria la C.A., se agrega al sistema un “inversor”, que convierte la cc en ca.

COMPONENTES BÁSICOS DE UN SISTEMA

Los paneles solares son sólo uno de los elementos de un sistema solar completo. Para poder ser usado en aplicaciones similares a la que se obtiene a través de la distribución domiciliaria, necesita un inversor para convertir la electricidad de C.C. en C.A., compatible con la alimentación de la línea de canalización. También es necesario contar con un sistema de baterías y un regulador de carga, además de un conmutador de control para accionar dispositivos de emergencia. En instalaciones más sencillas, también necesitará una batería para cargas diurnas, un regulador de carga para llevar a cabo con eficiencia esta función, y un inversor – en caso que necesite C.A.

EFECTO FOTOELECTRICO

El Efecto Fotoeléctrico es la formación y liberación de partículas eléctricamente cargadas que se produce en la materia cuando es irradiada con luz u otra radiación electromagnética. El término efecto fotoeléctrico designa varios tipos de interacciones similares. En el efecto fotoeléctrico externo se liberan electrones en la superficie de un conductor metálico al absorber energía de la luz que incide sobre dicha superficie. Este efecto se emplea en la célula fotoeléctrica, donde los electrones liberados por un polo de la célula, el fotocátodo, se mueven hacia el otro polo, el anodo, bajo la influencia de un campo eléctrico. El estudio del efecto fotoeléctrico externo desempeñó un papel importante en el desarrollo de la física moderna. Una serie de experimentos iniciados en 1887 por Becquerel demostró que el efecto fotoeléctrico externo tenía determinadas características que no podían explicarse por las teorías de aquella época, que consideraban que la luz y todas las demás clases de radiación electromagnética se comportaban como ondas. Por ejemplo, a medida que la luz que incide sobre un metal se hace más intensa, la teoría ondulatoria de la luz sugiere que en el metal se liberarán electrones con una energía cada vez mayor. Sin embargo, los experimentos mostraron que la máxima energía posible de los electrones emitidos solo depende de la frecuencia de la luz incidente, i no de su intensidad. En 1905, para tratar de explicar el mecanismo del efecto fotoeléctrico externo, Albert Einstein sugirió que podría considerarse que la luz se comporta en determinados casos como una partícula, y que la energía de cada partícula luminosa, o fotón, sólo depende de la frecuencia de la luz.

Para explicar el efecto fotoeléctrico externo, Einstein consideró la luz como un conjunto de “proyectiles” que chocan contra el metal. Cuando un electrón libre del metal es golpeado por un fotón, absorbe la energía del mismo. Si el fotón tiene la suficiente energía, el electrón es expulsado del metal. La teoría de Einstein explicaba muchas características del efecto fotoeléctrico externo, como por ejemplo el hecho de que la energía máxima de los electrones expulsados sea independiente de la intensidad de la luz. Según la teoría de Einstein, esta energía máxima sólo depende de la energía del fotón que lo expulsa, que a su vez sólo depende de la frecuencia de la luz. La teoría de Einstein se verificó por experimentos posteriores. Su explicación del efecto fotoeléctrico, con la demostración de que la radiación electromagnética puede comportarse en algunos casos como un conjunto
de partículas, contribuyo al desarrollo de la teoría cuántica. El término efecto fotoeléctrico también puede referirse a otros tres procesos:

• La fotoionización.
• La fotoconducción.
• Efecto fotovoltaico.

La fotoionización es la ionización de un gas por la luz u otra radiación electromagnética. Para ello, los fotones tienen que poseer la suficiente energía para separar uno o más electrones externos de los átomos de gas. En la fotoconducción, los electrones de materiales cristalinos absorben energía de los fotones y llegan así a la gama de niveles de energía en la que pueden desplazarse libremente y conducir electricidad. En el efecto fotovoltaico, los fotones crean pares electrón-hueco en materiales semiconductores. En un transistor, este efecto provoca la creación de un potencial eléctrico en la unión entre dos semiconductores diferentes.

FABRICACIÓN DE CÉLULAS SOLARES

El proceso de fabricación de una célula fotovoltaíca consta de dos partes bien diferenciadas:

• Elaboración y purificación del semiconductor a utilizar, bien sea silicio, germanio, arseniuro de galio…
• Fabricación de la propia célula fotovoltáica.

La fabricación de una célula de silicio monocristalino es el siguiente:

La materia prima es el sílice, que se extrae mediante reducción, obteniendo el llamado silicio metalúrgico, con una pureza del 98%, se vuelve a purificar hasta llegar al silicio en grado semiconductor, con una pureza del 99,999%.

Se introduce el silicio en un crisol con impurezas de boro, formando una masa fundida que alcanza una temperatura de unos 1.440ºC. Se dispone de una varilla en cuyo extremo se sitúa un germen de silicio que hace que comience el proceso de solidificación al ponerse en contacto con la masa. Se denomina método Szchralsky.

Una vez obtenido el cilindro de silicio monocristalino, se corta en delgadas obleas, de unos 0,3 mm. La capa superficial se restaura del corte mediante baños químicos y, posteriormente, la oblea se introduce en hornos especiales que alcanzan entre 800 y 1.000ºC y que contienen una atmósfera rica en fósforo. Ahí, el fósforo se va difundiendo es la cara que se quiere dopar y forma así la unión P-N. A continuación se dota a la oblea de una capa antirreflectante para un mayor aprovechamiento de la radiación solar, así como los contactos óhmicos para poder conectar la oblea fotovoltaica y, para finalizar, se comprueba y se miden las características espectrales de la célula solar fabricada.

Las células solares de silicio monocristalino están basadas en la unión del silicio, u homounión, en contraposición a otros tipos de células solares, como el arseniuro de silicio o heterounión. Debido al alto coste de este tipo de materiales, a pesar de que mejoren el rendimiento del silicio, se comenzaron a estudiar las células fotovoltáicas policristalinas, con rendimiento inferior pero considerablemente más baratas. en la década de los 60 empezaron a considerarse en la Física del Estado Sólido los materiales amorfos, principalmente el silicio, el único empleado hasta ahora en esta forma para la utilización en células fotovoltáicas. Una de las características más comunes en los sólidos amorfos es el gran número de estados o impurezas en la banda prohibida, que aumentan así su rendimiento en la absorción de luz, el espesor de una muestra de silicio cristalino es de 100 micras, mientras que el silicio amorfo sólo necesita un espesor de 1 micra, en 1986 el silicio amorfo había desplazado al cristalino.

Para mejorar el rendimiento, un español aprovechó no solo la radiación procedente del sol, sino también la que era reflejada por la superficie terrestre, creando así las células bifaciales. La tecnología de estas células está basada en una doble unión, normalmente N-P-P. El problema de este tipo de células radica en el elevado coste de producción a causa de su específica fabricación. Las técnicas de producción en serie son las indicadas para fabricar láminas finas, que requieren muy pequeñas cantidades de material activo, con lo que se abarataría su coste.

EL SILICIO

El Silicio es todavía el material más popular para la fabricación de la mayoría de las células solares para aplicaciones comerciales porque es abundante en la naturaleza. Para ser útil en las células solares, debe ser refinado al 99.9999% de pureza.
La estructura molecular de una celda individual de silicio es uniforme, lo que es ideal para una eficiente transferencia de electrones. Para hacer una celda fotovoltaica efectiva, se le agregan “impurezas” (dopado) para que se convierta en tipo-n o tipo-p. Una segunda manera mucho más económica lo constituye el silicio semicristalino, que consiste de varios cristales más pequeños conocidos como “semillas,” que introducen “límites entre gr&aaacute;nulos” al sólido. Son estas barreras lo que impide la circulación o pasaje de electrones y los estimulan a recombinarse con las “lagunas”. Hay un compromiso entre el costo y la reducción de potencia. Para crear las diferentes capas semiconductoras, el silicio se deben introducir impurezas, sea con un elemento que posea un electrón en demasía (sobrante) o por defecto (faltante). Juntando las capas `n’ y `p’ se crea la juntura que provoca que el material genere electricidad cuando se encuentra frente a una fuente de luz.

Tres son las tecnologías disponibles, toda altamente confiables. Dos de estas tecnologías requieren cristal de silicio, sea mono-cristalino o policristalino. La tercera tecnología utiliza delgadas películas de silicio “amorfo” impurificado.

Los “mono” se hacen extrayendo un único cristal de un baño de silicio fundido. Este cristal es rebanado en una configuración cercana a un cuadrado llamado seudo-cuadrado. Poli o Multi se obtienen fundiendo silicio en moldes cerámicos como si fuera hierro, se lo enfría lentamente por muchas horas a fin de obligar a las impurezas a asomar a la superficie, cortando y eliminando el material impuro y luego rebanando el silicio remanente en cuadrados o rectángulos.

Los Mono son algo más eficientes por igual unidad de área y se hacen de recortes, excedentes de la industria de semiconductores.

El silicio Multi o policristalino puede ser obtenido más económicamente, aunque los costos de ambas tecnologías varía cada día, dependiendo de cuestiones locales, como la cantidad de silicio de descarte existente en el mercado libre.

Silicio policristalino

En el caso de BP Solarex, trabaja ambas tecnologías: monocristalina bajo la marca comercial BP Solar y policristalina bajo la marca Solarex en paralelo.

Para los paneles solares de silicio Amorfo, el material es vaporizado y depositado sobre vidrio o acero inoxidable. Este procedimiento genera células menos eficientes, pero sólo requieren de una película de silicio de un espesor burdamente estimado en un quinto de las celdas mono o poli. Al mismo tiempo los costos de la tecnología de producción son menores que la de los otros métodos. Con esta tecnología adopta la apariencia de “vidrio coloreado”. BP Solarex posee dos tecnologías de película delgada de las cuales sólo una está ya disponible en volumen comercial.

FUNDAMENTOS TÉCNICOS: El fundamento de esta fuente de energía es el llamado efecto fotoeléctrico. Efecto descubierto por Becquerel en 1839.
Ciertos materiales absorben la luz, y la energía de los fotones excita a los electrones del material provocando que parte de ellos salgan de sus posiciones lo que genera cargas negativas, debidas a los electrones desplazados, y cargas positivas, debidas a los huecos dejados por los electrones.
Si los electrones y los huecos generados por la fotoexcitación son separados por un campo eléctrico interno del material, unos y otros se acumulan en los lados opuestos del campo, creándose una diferencia de potencial.
La unión, mediante un circuito, de los lados opuestos permite obtener una corriente eléctrica.
Desde que se dieron a conocer las primeras células, hace ya 50 años, hasta el día de hoy la tecnología ha avanzado espectacularmente. De tal forma, este tipo de aprovechamiento energético ha pasado a ser una realidad altamente interesante para la generación de energía eléctrica.

CÉLULA Y MÓDULO: Una célula fotovoltaica es un diodo de gran superficie constituido por un cristal de silicio con impurezas de boro en una gran parte de su espesor y con impurezas de fósforo en su superficie.
El efecto del diodo genera un campo eléctrico permanente dentro de la célula en la superficie de contacto entre la parte de silicio dopada con boro y la dopada con fósforo.
Este campo eléctrico hace emigrar las cargas positivas y negativas hacia un lado u otro, de tal forma que uno de los lados de la célula se carga positivamente y otro negativamente.

Uniendo estas caras a través de un circuito externo se produce una corriente eléctrica. Un módulo será el resultado de ensamblar varias células en serie.

EFICIENCIA CÉLULA: Para normalizar la medida de la eficiencia, se toma como referencia una radiación solar de 1000W/m2 a 25ºC de temperatura.
La eficiencia de una célula es la parte proporcional de la radiación que la célula convierte en electricidad. Viene dado en % y suele oscilar, según las características del material, entre el 3% y 30%.

POTENCIA MÓDULO: La superficie de células empleadas en la elaboración de un módulo y la eficiencia de las mismas determinarán la potencia de dicho módulo.
Por ejemplo, un módulo de 20W produce 20W en una hora bajo una radiación de 1000W/m2 a 25ºC de temperatura.

RENDIMIENTO Y ORIENTACIÓN: Para un mismo módulo la energía producida dependerá en función de :

-La latitud geográfica, que condicionará el número de horas de insolación y la altura del sol sobre el horizonte a lo largo del año.
-La altitud topográfica.
-Condiciones de transparencia de la atmósfera.
-Orientación del módulo (orientación Sur para el hemisferio Norte y, orientación Norte para el hemisferio Sur).

Por ello, los cálculos del rendimiento energético de una instalación deberían basarse en aplicar a los valores teóricos de insolación las correcciones derivadas de la nubosidad, opacidad atmosférica, contaminación, etc.
Como este cálculo generalmente no es posible, puesto que para el lugar de la instalación no se dispone de estadísticas de estos parámetros, los
cálculos se hacen consultando publicaciones de reconocido prestigio, que a su vez los han obtenido extrapolando las condiciones medidas en ciertos puntos de referencia.

VENTAJAS ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA

En general, la asociación fácil entre producción fotovoltaica y energía limpia e ilimitada puede tener un efecto positivo en el cambio progresivo hacia actitudes y hábitos de consumo que permitan reducir el gasto innecesario de energía y que valoren más los esfuerzos colectivos por disminuir la presión sobre el entorno natural.

GENERALES:

-Energía limpia y renovable, que además no cuesta dinero.
-Reducido mantenimiento instalaciones.
-Las instalaciones fotovoltaicas se caracterizan por su simplicidad, vida útil muy amplia (actualmente siguen en funcionamiento instalaciones realizadas hace más de 20 años. Con los nuevos materiales se estima una duración de 30 – 40 años).
-Se trata de una solución inmejorable en zonas aisladas que, de otra forma, no tendrían acceso a la electricidad.
-No requieren grandes inversiones centralizadas.
-Las instalaciones fotovoltaicas, tanto aisladas como de conexión a red, no contaminan ni química, ni electromagnética, ni acústicamente.

CONEXIONES A RED:

-En el caso de instalaciones conectadas a la red, existen subvenciones y primas por producir electricidad según la comunidad autónoma.
-Los máximos de producción coinciden con las horas punta en la demanda.
-Su naturaleza modular permite instalar una potencia considerable de forma dispersa y con la colaboración de muchos pequeños inversores.
-Al estar dispersa en pequeñas instalaciones, inyecta en muchos puntos de la red, suplementando el abastecimiento de otras fuentes sin tener que sobredimensionar el sistema de distribución ante futuros aumentos de demanda.
-Es el único tipo de generación de energía que puede ser instalado masivamente en los medios urbanos.

COMPONENTES

MÓDULO FOTOVOLTAICO: El módulo fotovoltaico comprende células conectadas en serie. Estas células son las encargadas de captar los fotones para conseguir crear una corriente eléctrica continua. Los módulos fotovoltaicos se conectan en serie formando varias cadenas, que a su vez forman el campo fotovoltaico.

ESTRUCTURA SOPORTE: Es la encargada de asegurar un buen anclaje del generador solar, facilitan la instalación de mantenimiento de los paneles a la vez que proporcionan no solo la orientación necesaria, sino también el ángulo de inclinación idóneo para un mejor aprovechamiento de la radiación.
Se emplean perfiles de acero galvanizado o de aluminio para la sujeción y conexionado de los módulos, asegurando un buen contacto eléctrico entre el marco de los módulos y los perfiles de soporte, por seguridad frente a posibles pérdidas de aislamiento en el generador o efectos inducidos por descardas atmosféricas.

INVERSOR: El inversor cc/ca tiene la misión de transformar la corriente continua del grupo fotovoltaico en corriente alterna perfectamente sincronizada con la red existente, ya sea trifásica, monofásica o bien de alta, media o baja tensión.
La ubicación de los inversores será en un armario estanco y cerrado, lo que hace que el riesgo eléctrico sea mínimo.

-Control Principal: Incluye todos los elementos de control general, así como la propia generación de onda, que se suele basar en un sistema de modulación por anchura de pulsos (PWM). En el control se incluye también una gran parte del sistema de protecciones, así como funciones adicionales relacionadas con la construcción de laforma de onda.
-Etapa de Potencia: Esta etapa, según los módulos disponibles, puede ser única o modular, en cuyo caso se utilizan varias hasta obtener la potencia deseada.
Toda etapa de potencia incorporará su correspondiente filtro de salida, cuya misión es el filtrado de la onda por un dispositivo LC, así como evitar el rizado en la tensión recibida de los módulos fotovoltaicos.
-Control de Red: Este módulo hará de interface entre la red y el control principal para el correcto funcionamiento del conjunto.
En este circuito recae la tarea de sincronizar perfectamente la forma de onda generada hasta este momento por el inversor (control principal + etapa de potencia) a la de la red eléctrica, ajustando la tensión, el sincronismo, el control de fase, etc.
-Seguidor del punto de máxima potencia: Su misión consiste en acoplar la entrada del inversor a generadores de potencia instantánea variables (módulos fotovoltaicos) obteniendo de esta forma la mayor cantidad de energía disponible en cada momento del campo solar, es decir, se encarga de mantener constantemente el punto de trabajo de los módulos fotovoltaicos en los valores de mayor potencia posible, dependiendo de la radiación existente en cada momento.

Los inversores de conexión a red disponen de unas protecciones adecuadas al trabajo que deben realizar, contando en consecuencia con un nivel elevado de seguridad. A parte de la normativa genérica de protección contra daños a las personas y compatibilidad electromagnética, estos equipos incorporan las siguientes protecciones mínimas:

-Tensión de Red fuera de Márgenes: El inversor procederá a pararse cuando la tensión de la red salga del rango admitido (nunca más alta del ±10% de la tensión nominal) y se mantendrá a la espera hasta que esta circunstancia desaparezca.
-Frecuencia de Red Fuera de Márgenes: Evita variaciones de frecuencia entre el sistema eléctrico de interconexión y la línea de distribución de la red. Esta protección se hace necesaria para el caso de redes pequeñas, como es el caso, por ejemplo, de las islas o de pequeñas compañías distribuidoras zonales que no estén conectadas a la red general. Asimismo es una protección contra el “efecto isla”.
-Temperatura de Trabajo Elevada: Protección contra alta temperatura de trabajo que detiene el funcionamiento del equipo para prevenir situaciones de posterior avería en la electrónica que lo compone.
-Tensión Baja del Generador Fotovoltaico: El campo solar es desconectado (parada del inversor) cuando la tensión del generador fotovoltaico es insuficiente o bien durante los periodos nocturnos.
-Intensidad del Generador Fotovoltaico Insuficiente: El inversor emitirá orden de parada cuando detecte un valor de intensidad de generación muy bajo (suele producirse todas las mañanas puesto que a pesar que los módulos tienen ya la tensión suficiente aún carecen de la corriente mínima que precisa el inversor para funcionar, o bien en situaciones de muy baja radiación como son lo atardeceres o momentos del día excesivamente nublados).

ARMARIO GENERAL DE PROTECCIÓN Y MEDIDA: Como cualquier instalación eléctrica, el sistema dispone de las necesarias protecciones para garantizar la seguridad.
El Armario general de protección y medida deberá contener en serie y por este orden:

-Un interruptor magnetotérmico (Interruptor General Manual) con una intensidad de cortocircuito superior a la indicada por la empresa distribuidora del punto de conexión.
-Un interruptor diferencial con el objeto de proteger a las personas en el caso de derivación de cualquier elemento de la parte continua de la instalación.
-Un contador de la energía producida por la instalación solar y otro que en contraposición medirá el consumo del sistema fotovoltaico. Independiente de estos dos contadores se encuentra el utilizado para la medida del consumo eléctrico del usuario que se dispusiera antes de la conexión a red de los módulos solares fotovoltaicos, y que podrá encontrarse alojado en este armario.
-Fusible seccionador de control el cual une el circuito de consumo eléctrico convencional, en paralelo con el circuito de generación, con la red de distribución de la compañía y, a su vez, cierra todos los elementos de medida y control.

TOMA DE TIERRA DE LA INSTALACIÓN: La toma de tierra se hará siempre sin alterar las condiciones de toma de tierra de la red de la empresa distribuidora, asegurando que no se produzcan transferencia de defectos a la red de distribución.
Las masas de la instalación fotovoltaica han de estar conectadas a una tierra independiente de la del neutro de la empresa distribuidora, así como las masas del resto de suministro.

CABLEADO:Compuestos por cobre y encapsulado para su uso en intemperie. El cableado se diseña para que la superficie entre conductores sea mínima y no exista efecto antena.
Las corrientes que circulan por estos cables son sensiblemente menores por motivos técnicos propios del funcionamiento de la instalación, a las corrientes que recomiendan los fabricantes y el Reglamento de Baja Tensión por lo que la temperatura de estos no constituirá riesgo de incendio.

Tecsun (PV) (AS)

El cableado tiene que cumplir las siguientes normativas de seguridad en incendios:

-No propagación de la llama: UNE EN 50265-2-1 ; IEC 60332-1 ; NFC 32070-C2.
-No propagación del incendio: UNE 50266-2-4 ; UNE 20427 ; IEC 60332-3 ; IEEE 383 ; NFC 32070-C1.
-Libre de halógenos: UNE EN 50267-2-1 ; IEC 60754-1 ; BS 6425-1.
-Reducida emisión de gases tóxicos: NES 713 ; NFC 20454 ; It =< 1,5.
-Baja emisión de humos opacos: UNE EN 50268 ; IEC 61034 – 1,2.
-Nula emisión de gases corrosivos: UNE EN 50267-2-3 ; IEC 60754- 2 ; NFC 20454 ; BS 6425-2 ; pH >= 4,3 ; C =< 10 uS/mm.

ESQUEMA UNIFILAR QUE SE CONECTA A LA RED ELECTRICA

La producción eléctrica obtenida con las células fotovoltaicas se inyecta a la red publica eléctrica. (ej. Tejados de viviendas, plantas de producción, integración en edificios, recubrimiento de fachadas, muros cortina, parasoles en fachadas, pérgolas, etc.)

Una instalación fotovoltaica en red consta, basicamente, de un cuadro de protecciones, un ondulador y contadores.

INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS AISLADAS DE LA RED ELECTRICA

La producción eléctrica así obtenida se emplea para autoconsumo de la propia instalación (Ej. viviendas o equipamientos aislados y/o independientes, hasta centrales eléctricas rurales, telecomunicaciones, bombeo de agua, protección catódica, señalizaciones, equipos de sonido, sistemas de iluminación, ordenadores o teléfonos portátiles, cámaras, calculadoras, etc.).

Una instalación fotovoltaica aislada está formada por los equipos destinados a producir, regular, acumular y transformar la energía eléctrica.

Sistema aislado fotovoltaico mas generador eólico

En este ciclo, el compresor del sistema convencional es reemplazado por un absorbedor y un generador, realizándose en este último el ingreso de energía al sistema, en forma de calor. Esto produce la destilación de una solución presurizada de amoníaco (refrigerante) en agua (absorbente), aproximadamente al 26%, a 165 C, ascendiendo luego el amoníaco al condensador, donde cede calor y cumple el resto del ciclo como refrigerante. El agua remanente con vestigios de amoníaco (solución débil), retorna al absorbedor. La heladera seleccionada funciona con el ciclo “Electrolux” : El amoníaco líquido y enfriado proveniente del condensador se encuentra en el evaporador con hidrógeno gaseoso. Siendo la presión total constante, la inyección de H2 causa el descenso de la presión parcial del amoníaco, su evaporación y absorción de calor. El H2 retorna al punto de inyección, mientras que el NH3 es absorbido por la solución débil en el absorbedor, liberando calor de vaporización.
La nueva solución (fuerte) retorna por gravedad al generador destilándose nuevamente y repitiéndose el ciclo. Los COP son del orden de 0.5, muy inferiores a los de los refrigeradores a compresión, pero con la ventaja de que únicamente se requiere una entrada de calor, haciéndolo útil para zonas carentes de energía eléctrica. El ciclo se muestra en la Figura 1.

Figura 1: Sistema simplificado de absorción doméstico que usa amoníaco y agua junto con hidrógeno para balancear los lados de presión alta y baja.

REQUERIMIENTOS ENERGÉTICOS Y ELECCIÓN DEL SISTEMA TÉRMICO

La resistencia eléctrica que genera el calor en la heladera por absorción marca “Coventry”, brasileña, de 5 pies cúbicos, se reemplazó por el sistema solar. . El consumo se determinó midiendo con una pinza amperométrica digital cada media hora, durante dos días, en condiciones de carga normales para una familia de 4 personas, y resultó siempre de 90W.
El fluido de transferencia térmica debe estar a más de 165 C; temperatura requerida en el generador, por la presencia de un intercambiador, fijándose el ingreso en 190 C , y la salida en 175 C (ΔT= 15 C). Para este fluido se adoptó Therminol59®, cuyo punto de ebullición de 315 C, pudiéndose trabajar en estado líquido sin presurización.
El sistema (Figura 2) posee un circuito primario abierto, con colector solar concentrador, y tanque de acumulación (para disponer energía las 24 hs.), reingresando el fluido al colector mediante una bomba alimentada con paneles fotovoltaicos.
El circuito secundario es cerrado, con un intercambiador dentro del tanque y otro en el generador del refrigerador. La circulación es por termosifón: el fluido caliente asciende por su baja densidad, enfriándose en el intercambiador de la heladera, y retorna por gravedad. La eliminación de la bomba simplifica el mantenimiento, pero produce un caudal bajo, obligando a aumentar el área del intercambiador y a colocar la heladera en un punto más alto que el tanque.
Se optó por un colector cilíndrico parabólico en el techo de la vivienda, de eje longitudinal E – O. La inclinación se ajusta estacionalmente: 0º para el verano , 15º para otoño y primavera y 30º para invierno. El absorbedor es un caño de 2”, rodeado de una cubierta de policarbonato para disminuir las pérdidas de calor y lograr efecto invernadero.

Figura 2: Diagrama del sistema estudiado

 CÁLCULO DEL ÁREA DEL COLECTOR

La radiación solar directa depende de la ubicación geográfica ,la estación, la hora y la nubosidad. Se emplearon datos meteorológicos y de radiación [S. Meteorológico Nacional y Red Solarimétrica] correspondientes a Abra Pampa (Jujuy). en un día típico soleado de invierno (15 de Junio). La radiación solar directa sobre un plano horizontal se estimó con la fórmula de Liu y Jordan corregida por Collares y Pereira [Duffie & Beckman, 1980], obteniendo la función que aproxima su intensidad en las condiciones mencionadas:

Para determinar la radiación directa normal S sobre un plano de inclinación β, se multiplica ese valor por el factor Rb [Duffie & Beckman, 1980], función de la inclinación, la hora y la declinación.
Para determinar el área del colector, se hicieron las siguientes suposiciones:

1) El ΔT del fluido en el colector es menor que 8 C. Así se puede suponer una única temperatura media de la superficie del absorbedor, simplificando los cálculos de factores de eficiencia y transferencia de calor al medio.

2) Estimando en 3 hs. la insolación directa útil, la potencia para satisfacer la demanda energética diaria de la heladera es de 720 W, y se adoptó un valor de 1000W, como margen de seguridad.

Con esta suposiciones, y dado que el calor útil producido en el colector es Qu = m& Cp ΔT, siendo Cp: la capacidad calorífica del fluido; el gasto del fluido de transferencia térmica da m&= 0.05 kg/s.

Los coeficientes de transferencia de calor al medio y por ende las pérdidas se evaluaron con una temperatura ambiente de 1,8 C y una velocidad del viento de 7,8 m/s, correspondientes a un día de invierno soleado y a la peor condición que es cuando el absorbedor está más caliente, a 277 C , resultando la temperatura media del fluido 254 C.
Los coeficientes de transferencia de calor entre cubierta y absorbedor son:

1. Por convección libre (hcon a,c ) y por radiación (hrad a,c) ,entre el tubo absorbedor y la cubierta [W/m2 C]
2. Por convección debida al viento (hcon c,w) y por radiación (hrad c,w ),entre la cubierta y el cielo [W/m2 C]

El coeficiente total de pérdidas al medio ambiente , UP [W/m2 C], es:

Se propuso una temperatura de la cubierta para calcular los coeficientes de transferencia y el UP reajustándose luego todos en iteraciones sucesivas hasta lograr la aproximación deseada de los coeficientes y de dicha temperatura, despejada del balance energético de la cubierta, que es:

Donde Ac, Aa áreas de cubierta y absorbedor, m2 y Ta , Tamb temperaturas del absorbedor y ambiente
Ello se hace mediante un programa de computación que calcula UP y FR, (Factor de remoción de calor del colector ,es la eficiencia del colector como intercambiador de calor). Estos coeficientes varían con la temperatura y por ende con el horario.
El área del colector se obtiene de:

Para la peor condición, con el fluido ingresando a 275 C y el absorbedor a 298 C (mayor insolación), el área de partida dio 4.18 m2.

CÁLCULO DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO

El tanque de almacenamiento funciona como reserva energética para la noche y también como “motor” térmico para el
circuito secundario, ya que su temperatura produce la diferencia de densidad para el termosifón. Se supuso fluido completamente mezclado (hipótesis pesimista para el colector y optimista para el intercambiador que de todas maneras está sobredimensionado). La ecuación diferencial que gobierna la temperatura, con ingreso de calor neto Q, pérdidas a través de las paredes UA y potencia extraída por la carga L, es :

donde Ts y Ta son la temperatura del tanque y ambiente. Dado que la resolución exacta de esta ecuación es compleja se la puede aproximar por diferencias finitas ΔTs, empleando Δt = 1 h, resultando:

Se puede conocer la temperatura del tanque Ts+ para una hora cualquiera , conociendo la de la hora anterior, el calor ingresante y saliente y las pérdidas. Como condición se fijó que la temperatura del tanque a la primera hora de insolación del día (ingreso de calor neto positivo) debe ser de 195 C , necesarios para generar el termosifón y para el funcionamiento de la heladera, y sin exceder el valor de 288 C, límite sugerido por el fabricante del Therminol59®. Estas fluctuaciones no impiden el funcionamiento de la heladera, aunque aumentan el efecto refrigerante en las horas pico, de máxima carga térmica.
En esta ecuación, la masa m de fluido almacenado está implícita, por lo que se probó con varios valores hasta cumplir la condición de funcionamiento. Para eso, se elaboró un programa de computación (TKCOLEC), que tiene en cuenta Qu a partir de la ecuación (4) , el calor neto ingresante al tanque (Qu menos las pérdidas en los conductos) [Duffie & Beckman, 1980], las pérdidas de calor por las paredes y el calor extraído (consumo de la heladera menos las pérdidas en el circuito secundario), por lo que se debió incrementar el área de partida..
Luego de probar distintos valores de m y de área proyectada de colector Aapert, se obtuvieron, para Aapert = 4 m2, el área del absorbedor Aabs = 0.38 m2, m = 70 kg, Cp media= 2366.8 J/kgºC, UA = 0,232 W/ºC, UA cañería ingreso= 0,116 W/ºC, Tw = 1,8 ºC, Tpartida = 195 C, Tmaxtanque = 288 C y L = 178 W; los siguientes resultados: Qneto>0 durante las primeras seis horas con un máximo de 1315 W a la tercera, y valores de -23,9 W a -137,8 en el resto; la temperatura de salida del fluido del colector Tsal. desde 173,9 C (hora 24) a 284,9 C (hora 7) t la Ttanque variando desde 173,9 (hora 24)a 284.1(hora 6).
Por lo tanto, la masa de fluido a almacenar es de 70 kg ,y el área proyectada de colector 4 m2, pero la temperatura al final del día es de 168.27 C , menor que los 195 C propuestos.
Los valores negativos de calor neto se deben a que el programa interpreta que la bomba impulsa el fluido a través del colector durante las 24 hs, y a la noche el tanque pierde calor. Con un termostato que detenga la bomba cuando T tanque > Tsal. colector se evita esto, y el programa “TKCONT” simula la situación, calculándose la temperatura al final del día que para el área anterior resulta de 194.68 ºC , siendo el área adecuada. Las Figs. 3 y 4 muestran el calor entregado y la temperatura del tanque por el colector durante las horas del día:

CIRCULACIÓN DEL FLUIDO EN EL CIRCUITO SECUNDARIO – TERMOSIFÓN

La altura piezométrica generada por el termosifón, ht , debe ser igual a la pérdida de carga total del sistema hf:

ht =hf

La perdida de carga depende principalmente del diseño del intercambiador, que es una serpentina helicoidal, en el que cada vuelta de la hélice equivale a 4 curvas de radio largo, dando una relación directa entre área y pérdida de carga; y permitiendo un ingreso de energía auxiliar, mediante un quemador de gas en el hueco interno.
La altura piezométrica del termosifón es igual al área dentro del gráfico altura h [m] vs. gravedad específica G (Figura 5)[ Close,1962]:

Figura 5:Esquema de funcionamiento del termosifón.

El caudal másico del circuito secundario y el área del intercambiador , se calculan con el programa“INTERCAM” que posee dos bucles encestados:

El interno calcula la temperatura en el intercambiador y la pérdida de carga del circuito a partir de un flujo másico y un área Ai supuestos y el coeficiente de transferencia de calor inicial calculado k. Con el ΔT del intercambiador, se determina la altura piezométrica del termosifón, y se compara con la pérdida de carga del circuito. Si es mayor se aumenta el gasto y si es menor se lo disminuye. Se ajusta por iteración hasta aproximar suficientemente altura de termosifón y pérdida de carga. Luego, en el segundo bucle, con el m&, k y Cp se calcula el área Ac despejada de la ecuación de intercambiadores de calor de una sola corriente [A.F. Mills ]:

Si el área calculada Ac es distinta a la inicial , se reemplaza ésta por la calculada , volviendo al primer bucle. Se continúa iterando hasta que la diferencia entre el área A y la recalculada Ac sea inferior al error porcentual admitido.
La salida del programa arrojó como resultados f (h)= 2 m, un caudal másico de equilibrio del circuito secundario de 0,00275 kg/s; temperatura de entrada del fluido al Intercambiador: de 190 C, y de salida de 175 C . El área del intercambiador de 0,10895 m2, y 13 el número de vueltas de la hélice del intercambiador.
Se consideró la pérdida de carga del intercambiador interior del tanque igual a la de un tubo recto y obteniéndose 1.38 m2 para el área de intercambio. Se optó por un diseño de un arreglo de tubos verticales tipo “revolver”, con dos recipientes colectores, haciéndose así despreciable la pérdida de carga y sin alejarse de la hipótesis anterior.

MATERIALES Y COSTOS

Se analizaron propiedades térmicas, ópticas y mecánicas de diversos materiales alternativos para la fabricación del concentrador y cubierta transparente, incluyendo simulación numérica para evaluar temperaturas admisibles. Se optó por chapa de acero inoxidable con pintura vinílica y tubo de policarbonato compacto respectivamente. Se estudió y dimensionó el montaje, desde el punto de vista estructural, de acuerdo a los vientos en la zona. La bomba del circuito primario requiere 2,3 W de potencia y es operada por un motor eléctrico de 25W alimentado con paneles fotovoltaicos. Se calcularon costos , tasa interna de retorno y valor actualizado neto, suponiendo un costo de 3 $/kg de gas envasado (zona inaccesible), concluyéndose que en estas condiciones la inversión es ventajosa económicamente (para período de 16 años TIR=20%)