Articulo Shyam
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Articulo para presentar en el II Encuentro Manejo de Recursos Naturales, a realizarse en UNED,
Costa Rica, de 26 al 27 del Julio del 2013.
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Energía Solar - un remedio necesario para combatir cambio climático.
Shyam S. Nandwani (*) Profesor Retirado, Costa Rica. P.O.Box 728- 3000, Heredia, Costa Rica. E mail: [email protected], [email protected] www.doctornandwanisolarcook.org (*) Miembro: International Solar Energy Society (ISES), Alemania; World Renewable Enegy Network,
Inglaterra, Solar Cookers International, Sacramento, EUA; Energy Globe Foundation (Austria),
Ambassador for Costa Rica. Colegio de Físico, Costa Rica, the Abdus Salam International Centre for
Theoretical Physics (ICTP), Italia.
1.INTRODUCCION:
El cambio climático, desarrollo sostenible y la protección del medio ambiente se han convertido
en temas clave durante los últimos años. En principio mayor desarrollo con lleva mayor
producción/consumo del productos sea por necesidad básica o satisfacer nuestros deseos. Esto
lleva más recursos naturales y más energía. Debido a que gran porcentaje de esta energía, a nivel
mundial y también en Costa Rica, proviene por fuentes fósiles, los cuales emiten más
contaminantes (principalmente Dióxido del Carbono) en el aire. Este gas es principal responsable
para calentamiento global.
Actualmente el mundo está realizando esfuerzos para minimizar/ compensar estas emisiones del
gases causantes del efectos del invernadero. Costa Rica emite cerca de las 2 toneladas del CO2
por persona por año, la cual va aumentar en próximos anos. Hace 5 anos, Dr. Oscar Arias, ex
Presidente de Costa Rica ha propuesto que el país será Carbono Neutro en 2021 (200
aniversarios de ser independiente). Para cumplir con esta meta hacen falta muchas tareas, a
realizar por parte del públicos, empresarios, ONGs, investigadores y políticos etc. Las diferentes
opciones son reforestación, mejor transporte público, conservación de energía/
materiales/recursos naturales y ahorro de fuentes convencionales de energía usando otras fuentes
renovables y limpias, como energía solar, hidro, eólica, geotermia y marina etc. Energía del sol
tiene una ventaja extra con respeto a otras dos fuentes. Se pueden construir dispositivos solares de
cualquier tamaño, pequeño que sea (hasta 0.5 Vatios ), y por ser tipo modular también se pueden ampliar
(hasta MW). Esto daría la posibilidad de llevar energía a las casas remotas, áreas protegidas, donde no
pueden instalarse proyectos convencionales y por ende podría electrificar el 100% del país.
Además la energía del sol es un excelente candidato porque:
- emite energía 24 horas al día, 365 días al año a nuestra planeta. Todos lugares reciben esta
energía según la ubicación (latitud),
- es abundante y gratuita,
- no es contaminante, como el petróleo y el carbón,
- no tiene desechos radioactivos, como la nuclear, etc.
- nadie puede aumentar su precio,
- no necesita algún tipos de cables o tanques, para su transportación.
- no se puede secuestrar este gran fuente etc.
2. POTENCIAL DEL SOL:
La potencia solar que recibe el planeta Tierra (fuera de la atmósfera) es cerca de 173X1012 kW o una
energía de 15x1017 kWh por año. Al atravesar la atmósfera, cerca de 53% de esta radiación es
reflejada y absorbida por el nitrógeno, oxígeno, ozono, dióxido de carbono, vapor de agua, polvo y
las nubes. Por lo tanto al pasar estas radiación por una distancia de 150 millones de km, se reduce
esta cantidad y el final planeta recibe energía promedio a 3 x1017 kWh al año, equivalente a 4000
veces el consumo del mundo entero en un año (7X1013 kWh/año), lo cual nos indica la enorme
potencia del Sol.
Antes de aprovechar la energía solar en una localidad es muy importante conocer la cantidad de
radiación solar en aquel lugar.
En Costa Rica existen cerca de 80-100 estaciones meteorológicas distribuidas en todo su territorio,
las cuales cuentan con equipos para medir la cantidad de radiación y brillo solar. Foto 1a muestra
algunos de los instrumentos usados para la medición de diferentes tipos de radiación solar- global,
directa y difusa etc. Aunque los datos para diferentes estaciones se pueden conseguir con el Instituto
Meteorológico Nacional, sin embargo la Figura 1b muestra, la radiación global anual medida en
varios lugares de Costa Rica. El valor oscila entre 1320 (San José) y 1970 (Taboga) KWh/m²-año y
son muy importantes como base para cualquier simulación de sistemas solares.
Fig. 1 a. Instrumentos para medir diferentes topos de Radiación solar- Global, Directa
y Ultra Violeta.
Fig. 1b: La Radiación Solar (Promedio) medida en algunos lugares de Costa Rica
(unidad, kWh/m2- año).
Para apreciar estos datos si tomamos que el promedio de Radiación Solar para Costa Rica es de 1500
kWh/m2-año. Ahora suponiendo rendimiento para convertir energía solar en energía calórica, es de
50%, por lo tanto una superficie captadora con una área de 40 Km2, el total de energía calórica
aprovechable será de 3000 X 106 kWh/año. Esto es equivalente de 16.8 X 106 barriles de petróleo,
cantidad que importa Costa Rica anualmente, pero con un costo aproximado de US$2000 millones.
Además, la radiación solar tiene una variación mensual. En el caso de Costa Rica esta variación
mensual es el orden de 25-30% (máximo) con respecto al valor promedio, lo cual indica que no hace
falta mucho grado de almacenamiento de energía del Sol. Es muy ventajoso tomando en cuenta el
alto costo del almacenamiento de energía calorica o eléctrica.
Aparte de aprovecharla, de manera natural (vientos, evaporación de los mares para energía
hidroeléctrica, fotosíntesis para la producción de biomasas, gradiente térmico de los mares, etc.), la
energía solar se puede convertir en energía calórica y energía eléctrica, y por lo tanto puede usar para
todos los usos donde se puede funcionar cualquier otra fuente convencional de energía. Sin embargo
para mostrar el concepto explicaremos la utilización para siguientes usos donde el autor ha tenido
alguna experiencia práctica (Foto 2),
*Calentar agua para uso domestico/ comercio e industrias,
*Cocinar/ hornear los alimentos y pasteurizar agua, (Horno/ Cocina Solar),
*Secar todos tipos de productos, agrícolas, marinas etc., hasta excrementos de animales,
(Deshidratador / Secador Solar), y
*Producir electricidad directamente (Efecto Fotovoltaico) para alumbrar, TV, Radio, bombear agua,
Ventilación, nevera y cargar baterías, etc.
Fig. 2. Usos de Energía solar en la casa del autor (Calentador, horno, secador, alumbrado,
cargar batería).
3. CAPTACION DE ENERGIA SOLAR:
Para cualquiera de las aplicaciones de la energía solar la parte principal del sistema es el
COLECTOR/CAPTADOR - el artefacto que capta energía solar y convierte en energía útil- sea en
forma calórica o eléctrica.
Para la conversión de energía solar en energía eléctrica se utilizan las CELDAS SOLARES
proveniente de los materiales semiconductores -tipo silicio principalmente. Se usan en relojes,
calculadores y hasta en naves espaciales etc. Debido al requerimiento de inversión inicial y
complejidad de fabricación, muy pocos países del mundo están fabricando las celdas solares. En este
artículo solo se informa un breve concepto para uso de paneles solares (conjunto de celdas solares)
para una sistema.
Por otro lado la energía solar puede ser transferida en calor empleando captadores sencillos- Colector
Plano, los cuales pueden fabricar fácilmente y con los materiales disponibles en el mercado local.
Colectores planos, pueden dar temperaturas entre 50-200 °C, con una eficiencia promedio entre 40 al
60%.
La Figura 3 muestra uno de los más comunes diseños de colectores solares planos. Es esencialmente
una placa metálica (que puede ser de acero, hierro galvanizado, aluminio o preferiblemente de cobre)
pintada de color negro mate, con el fin de absorber al máximo la radiación directa (proveniente de
disco solar) y también la difusa (proveniente de cielo). La radiación solar después de ser absorbida es
transformada en energía térmica. Sin embargo, como el ambiente se encuentra a una temperatura
inferior a la de la placa, ésta placa comienza a perder la radiación, aunque sólo en la región del
infrarrojo. Para reducir las pérdidas de energía en la parte posterior y laterales, la placa está
encerrada en una caja (de madera o metálica etc.) bien aislada al fondo y lateralmente (usando lana
de vidrio, estereofón, poliuretano o cáscara de arroz, aserrín etc.). Para reducir las pérdidas de
energía por la parte superior, la fachada del colector está cubierta con una o más láminas de vidrio o
de plástico transparente, permitiendo que penetre la luz solar pero evitando el escape de la radiación
infrarroja emitida de la placa caliente. Por lo tanto aire dentro de la caja alcanza alta temperatura.
Después el calor neto absorbido por la placa es transferido a varios tubos de metal, verticales
separados por una distancia de 10-15 cm entre ellas, y unidos estrechamente a la placa, por los que el
fluido se hace circular. Dichos tubos se colocan longitudinalmente de manera que el fluido (aire o
agua) frío entre por la parte baja y salga, una vez caliente, por la alta, debido a su menor densidad.
Fig. 3. Un Colector Solar del tipo plano.
4. APLICACIONES: Aunque detalles del varios dispositivos se pueden ver en nuestra pagina web
(www.doctornandwanisolarcook.org), sin embargo vamos informar en breve.
4 A. CALENTADOR SOLAR DE AGUA:
Agua caliente se necesita para varios fines, como aseo personal, en lecherías, ganadería, restaurantes,
hospitales, hoteles, lavanderías, embotelladoras y centros de recreación etc.
La Foto 4 muestra una calentador solar. El colector plano (mencionado anteriormente), se coloca
mirando hacia al sur con una inclinación de 15-20° respecto a la horizontal. Los tubos del colector por los
que circula el agua, se colocan longitudinalmente de manera que el agua fría (la cual proviene de un
tanque, ubicada encima de los colectores) entra por la parte baja y una vez que se calienta por la radiación
solar, sale por la parte superior del colector debido a su menor densidad. Dicho proceso (de entrada y
salida de agua) continúa hasta que haya una cantidad mínima de la radiación solar. De esta manera, el
agua caliente se acumula en el tanque, la cual puede ser utilizada cuando y donde exista la necesidad.
Temperatura alcanzada por una sistema solar depende de la cantidad de agua que necesite calentar, área
del sistema y el clima del lugar; sin embargo nuestros estudios nos permiten afirmar que con l m² de un
colector plano, en el clima de varios lugares de Costa Rica, se puede calentar un promedio de 60-75 litros
de agua, diariamente, aumentando su temperatura de 20° (en la mañana) hasta 50-60 °C a las 5 pm.
Foto 4. Un colector y un Calentador Solar de agua.
4B. HORNO-COCINA SOLAR:
De la energía eléctrica que consume una casa, un gran porcentaje (del 20 al 40 por ciento) se emplea
para cocinar alimentos. También cerca de 10-20 % de la población a nivel nacional todavía usa leña
para cocinar los alimentos (algunos combinados con electricidad y/o gas LPG) el cual es
parcialmente responsable para deforestación y emitir más dióxido de carbono.
Ahora explicaré en breve el procedimiento para la construcción de un horno solar, diseñado y
estudiado, por el autor por primera vez en Costa Rica, a principios de 1979, con materiales y
tecnología nacional. Fue patentado a nombre de la Universidad Nacional en 1984, la cual en su
versión mejorada sigue funcionando satisfactoriamente en la casa del autor.
Consiste en una caja de madera/metal (Fig. 5a) con doble vidrio plano en la parte superior, separadas
por una distancia de 2 cm. Dentro de la caja hay una lamina metálica de hierro galvanizado (calibre
20- 24) pintada por la parte superior, de negro mate. La radiación solar después de ser absorbida por
la lámina negra, es transformada en energía térmica, sin embargo, como el ambiente se encuentra a
una temperatura inferior a la placa, ésta comienza a perder la radiación, aunque sólo en la región del
infrarrojo (calor).
Foto 5a. Horno Solar Convencional
Para reducir las pérdidas de energía en la parte posterior y lateral de la lamina, hemos usado un
aislante de calor; lana de vidrio, en la parte del fondo y a los lados con espesor de 4- 5.0 cm.
Para aumentar la radiación sobre la placa usamos un reflector de papel aluminio (preferiblemente
metálico), pegado fuera de la caja.
Dicho reflector puede variar su ángulo con respeto a la horizontal usando una varilla con varios
huecos. Además el horno puede orientarse hacia el Sol (este-oeste) usando rodines al fondo de la
caja exterior.
Aunque los resultados detallados se pueden observar en otros artículos, sin embargo en un día
soleado la temperatura de la placa metálica puede alcanzar hasta 140- 160 ºC.
El autor y su esposa han cocinado durante los últimos 34 años, alimentos como: arroz, frijoles,
lentejas y legumbres (garbanzos, arveja amarillas, arveja verde, fríjol de soya, etc.), papas,
zanahorias, vainicas, coliflor, ñampí, yuca, remolacha, rábanos, ayote, huevos, pollo, carne de res,
cerdo, pescado, pan, queque, pizza etc.
El tiempo de cocción depende de la cantidad de radiación solar, temperatura del ambiente, velocidad
del viento, calidad y cantidad de los alimentos, y orientación del horno etc. Con dicho horno de área
0.25 m² se puede cocinar UNA comida para 4-5 personas en 2-3 horas y DOS comidas para la
familia con 4-5 horas de brillo solar. En el clima de Heredia, podemos cocinar casi 7 meses del año.
El objetivo es reducir fuentes convencionales de energía y NO ELIMINAR.
Foto 5b muestra otro modelo del Horno hibrido (solar eléctrico) también diseñado e estudiado por el
autor en 1986. Este modelo automático usa electricidad (además de la energía solar) si fuera necesario
durante periodo del nublado etc.
Foto 5b. Horno Híbrido y Multiusos.
.
ALGUNAS VENTAJAS/ LIMITACIONES DEL HORNO SOLAR:
i. Aparte de usarse para cocinar y hornear todo tipo de alimentos también se puede calentar agua para
pasteurizar, hacer café y secar frutas.
ii. No produce humo, ceniza, no contamina la atmósfera, por lo que contribuye a mantener la buena
salud.
iii. Cocinar con un horno solar necesita menos agua y grasa, se pierde menos vitaminas y por lo tanto
mantiene los minerales etc.
4C. SECADOR SOLAR:
El secado es el proceso comercial más utilizado para la preservación de la calidad de los productos
agrícolas/ forestal o marino. La finalidad del secado es la separación parcial del agua contenida en la
materia sólida. Cuando los productos se secan (deshidratan) hasta el 14-20%, mediante alguna
técnica adecuada, se disminuye sensiblemente su actividad respiratoria y se controlan los
microorganismos asociados, lo que permite el almacenamiento del producto (bien cerradas) en el
ambiente por un período de uno hasta dos años.
El secado de volúmenes comerciales de granos se lleva a cabo en Costa Rica por combustión de
diesel y de desechos biomasicos. El uso del diesel se está haciendo siempre más oneroso para la
agro industria del país, debido a continuas alzas en su precio, y el uso de la biomasa muchas veces
presenta problemas de abastecimiento por su escasez.
La Figura 6a a muestra un sistema de secadora de circulación natural, usado por el autor en su casa.
Consiste en una caja de madera/ metálica, cuyo fondo está aislado y tiene un cobertor de vidrio
inclinado, el cual está dispuesto sobre la caja para recibir la radiación solar. En la base de este
gabinete se colca una lámina metálica pintada de negro. Los materiales para secar se ponen en
bandejas perforadas, por una puerta que se encuentra atrás de la caja. Se hacen varios huecos en la
base, la parte superior y lateral. Los huecos en la parte del fondo y lateral son para la entrada de aire
ambiental y salida de aire húmedo, de modo que el aire húmedo y caliente pueda desprenderse por
huecos de la parte superior. Así hay un continuo flujo de aire sobre el producto a secar. Por la
absorción de la radiación solar el aire se calienta y quita la humedad de los productos. Cuando el
contenido de humedad del producto ha descendido a un valor predeterminado, se retira del secador.
Foto 6a. Secadora Solar Pasivo.
Dependiendo de la radiación solar, la temperatura del gabinete puede llegar a 50-70 °C. Casi todos
los productos pueden secarse con esta secadora; que resulta útil, sobre todo, al campesino/ nivel
casero, que producen a baja escala. Las Figuras 6b y 6c, muestran culantro antes y después del
secado.
Fig. 6b y 6c. Secador del culantro.
OTRAS APLICACIONES TERMICAS:
En forma semejante energía solar puede utilizar para otros fines como calentar piscina, destilación,
calefacción, acondicionamiento de edificios, refrigeración, invernaderos, bombeo de agua para tomar
o irrigación y hasta para producir electricidad por medio de efecto termoeléctrica (Energía Solar ---
energía calórica ---- energía mecánica ------ Energía Eléctrica).
5. CONVERSION DIRECTA DE LA ENERGIA SOLAR EN ELECTRICIDAD:
La radiación solar se puede transformar directamente en electricidad (efecto fotovoltaico) por medio
de aparatos, celdas solares o pilas solares, los cuales son semiconductores puros drogados con
cantidades diminutas (1ppm) de otros elementos. Varios conductores pueden emplearse, pero se
prefiere el de silicio por razón de abundancia, bajo costo (~US$5- 10/Watio), y principalmente por
estabilidad y rendimiento (~15-20%). Es decir la electricidad producida por una celda solar de 1m²,
la cual está expuesta a radiación solar de 1000 Watios/m2, será de 100 Watios. La Fig. 7a muestra
esquema de una celda solar.
Fig. 7 a. Principio de un celda solar para la conversión directa de energía solar en
electricidad.
Por la acción de la energía solar sobre la celda solar la corriente producida es almacenada en
baterías, para utilizar esta energía después de la hora del sol.
Varias celdas pueden conectarse eléctricamente en forma de serie y/o paralelo, para formar un
módulo (con mayor voltaje o mayor corriente), que es una unidad básica de los sistemas eléctricos
solares.
Sistema Completo:
Por la acción de la energía solar sobre la celda solar la corriente producida es almacenada en
baterías, para utilizar esta energía después de la hora del sol.
Una instalación, además requiere controlar del voltaje, mediante un regulador, y dirigir la
corriente hacia una batería, para almacenarla. Como la corriente eléctrica producida es directa, es
necesario, para algunas aplicaciones, un inversor para convertirla en corriente alterna.
La Figura 7b muestra un esquema completo para la utilización del panel solar. .
Fig. 7b. Esquema para utilizar celdas solares.
Desde 2011 el Autor en su casa está utilizando paneles fotovoltaicos para lámpara del
12VCD, computadora portátil y TV (110VCA), como mostrado en los Foto 7c y también
para cargar batería del carro (Fig. 7d).
Fig. 7c. Sistema Fotovoltaico para alumbrado/ TV/ computadora
.
Fig. 7d. Cargar batería del carro usando panel solar.
6. AHORRO ENERGETICO Y LA REDUCCIÓN EN LA EMISION DEL CO2.
Hemos informado anteriormente, dependiendo del lugar, Costa Rica recibe la energía solar equivalente
de 1300- 1700 kWh/m2 por año. Tomando 1500 kWh como un promedio, la energía total recibida en el
terreno de Costa Rica (50,000 km2) en un año será = 75,000 TWh (1012 Wh), mientras que la energía total
consumida es cerca de 103350 TJ, o 29 TWh. Esto significa que el potencial solar en Costa Rica es cerca
de de 2600 veces la energía consumida en un año. Ahora vemos datos de ahorro energético para
dispositivos mencionados:
A. Un Calentador solar familiar (2 m2), en el clima de Costa Rica puede ahorrar anualmente cerca de
2000 kWh de energía eléctrica.
B, Con nuestra experiencia práctica en el clima de Heredia una familia puede cocinar con el Horno Solar
durante siete meses del año y un horno solar de tamaño familiar (0.25 m2), puede ahorrar hasta 1100
kWh. de electricidad o 200 l del gas propano (LPG) o 700 kg/año de leña por familia. Sin embargo, cabe
señalar que, en otras provincias como Alajuela, Puntarenas o Guanacaste cuentan con mayores horas de
brillo solar y se puede cocinar por un período más extenso, así ahorrando más energía convencional.
Con el uso de Lena, tomando en cuenta polución directa y indirecta un horno solar puede dejar de emitir
cerca del 1.4- 1.6 ton del CO2 por año.
C. Para dar una idea, con una secadora de 1 m² y con una radiación solar de 3.5 kWh/m²-día, se puede
secar en tres días, 20-30 Kg de granos con humedad inicial de 40-50% hasta 10-15%.
Como ejemplo, un secador solar para deshidratar 1000 kg del un producto con humedad inicial al
humedad final a 15%, se puede ahorrar cerca del 416500 kCal o 480 kWh de energía convencional.
D. En el caso del fotovoltaico para generar electricidad, un panel del 100Wp, puede ahorrar cerca del 140
(asumiendo 4 hrs del sol/día) hasta 180 kWh anualmente (asumiendo 5 hrs del sol/día).
Reducción en la Emision del Dioxido de Carbono (CO2):
Emisión del CO2 / kWh de energía, depende del fuente (convencional) de energía que ha usado, como
leña, carbono, gasolina, gas etc. Uso promedio del 300 kWh de Electricidad, (por mes) generado por
petróleo emite cerca del 2700 kg del dióxido del carbón en el aire anualmente (0.75 kg de CO2 / kWh).
Este numero es mayor usando Carbón (aprox. 0.92) y es menor usando Gas Natural (aprox. 0.58). Por lo
tanto usando fuentes limpio de energía como sol, puede reducir esta emisión del CO2 y por ende ayudar
en reducción del calentamiento de la Tierra y favorecer la meta del Costa Rica para lograr Carbono
Neutro.
8. LOS RESULTADOS/ CONCLUSIONES:
Las varias ventajas (directas e indirectas) como económico, social, la salud y el ambiente con el uso de
fuentes renovables y conservación de la energía y materiales son muy conocidos.
Las compañías estatales o privadas involucradas en este negocie pueden pensar cualquier de este tipo del
sistemas solares para generar electricidad y conectar a la red eléctrica existente o red eléctrica comunal.
y/o cargar baterías para transporte eléctrico. También el país debe elaborar las políticas, tecnologías e
infraestructura institucionales, formas de incentivos, pertinentes lo antes posible.
Todas las soluciones anteriores requieren no solo voluntad política por parte del Gobierno, empresas
privadas, ONG/ ambientalistas, investigadores, sino también de la conciencia de cada uno de los
ciudadanos.
Con esta forma, además de ahorrar fuentes de energía, reducirá emisión del Dióxido de Carbono y por
ende reducir calentamiento global. En otra palabra, estamos usando Calor del Sol para Enfriar nuestra
Tierra.
SI QUIERE LEER MAS:
1. Varios folletos escritos por el autor, www.doctornandwanisolarcook.org
2. Libro Cocina- Horno solar, Shyam S. Nandwani, Fundación UNA, Costa Rica, 1993, 2003, pp. 1-126.
3. Solar Cookers and Dryers to conserve Human and Planet Health, Shyam S. Nandwani,
Articulo invitado y publicado en Encyclopedia of Sustainability Science and
Technology, Robert A. Meyers (Ed.) Springer Verlag, pp. 9486-9509, 2012, USA.
4. La meta de C- Neutralidad es Alcanzable- Rene Castro, LA NACION 18/7/2013, p. 31,
5. Para ver varios productos en favor del medio ambiente:
www.paginasverdescr.com
.
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