Este documento describe los fundamentos de la energía solar y su captación. Explica el espectro de radiación solar, los instrumentos para medir la radiación, y las aplicaciones de la energía solar como la generación de electricidad, el secado y la calefacción de agua. También describe los componentes clave de los sistemas solares térmicos como los colectores solares y los factores que influyen en su rendimiento.

1. Alejandro Reyes Salinas
Dpto. Ingeniería Química/USACH

2. Descripción del curso:
Fundamentos de la captación solar
• El espectro de radiación solar
• Variabilidad de la radiación solar
• Instrumentos para medir la radiación solar
• Radiación solar en el mundo y en Chile
Aplicaciones de la energía solar
• Generación de electricidad
• Aplicaciones en secado
• Aplicaciones en calefacción de agua

3. Fundamentos de la captación solar
La energía solar es la fuente de energía primordial del
planeta, ya que todas las otras provienen indirectamente del sol:
energía hidráulica, eólica, mareomotriz, combustibles fósiles.
La hidroeléctrica usa la energía potencial del agua, la cual se produce a través
del ciclo hidrológico (evaporación del agua oceánica, condensación, precipitación y
escurrimiento).
La radiación solar al calentar con diferente intensidad zonas de la superficie
terrestre, da origen a los vientos, que pueden ser utilizados para generar electricidad.
El creciente aumento de las emisiones de gases
invernadero (CO2) es una razón fundamental para potenciar el
uso de energías renovables.

4. El espectro de radiación solar
El Sol es una estrella que se encuentra a una temperatura media de
6000 K, en cuyo interior tienen lugar reacciones de fusión nuclear que
producen una pérdida de masa que se transforma en energía.
La energía liberada del Sol se transmite al exterior mediante la
radiación solar, la cual corresponde a ondas electromagnéticas que se
distribuyen desde el infrarrojo hasta el ultravioleta, con longitudes de
onda entre 200 y 4000 nm.
No toda la radiación alcanza la superficie de la Tierra, porque las
ondas ultravioletas más cortas son absorbidas por los gases de la atmósfera.
La magnitud que mide la radiación solar que llega a la Tierra es la
irradiancia, que mide la potencia que por unidad de superficie alcanza a la
Tierra, se mide en W/m².

5. La radiación que la tierra recibe desde el sol de manera perpendicular es de
1366 Watt/m2 (± 3%) (constante solar). Esta energía es recibida en forma de
ondas electromagnéticas, con longitudes, entre 200 y 4000 (nm).
• 1 μm = 1000 nm

6. Espectro de radiación

7. Radiación ultravioleta
Es la radiación de menor longitud de onda (360 nm), la cual
lleva mucha energía e interfiere con los enlaces moleculares.
Especialmente las de menos de 300 nm, que pueden alterar
las moléculas de ADN, muy importantes para la vida.
Estas ondas son absorbidas por la capa de ozono, aunque las
nubes cúmulos, pueden actuar como espejos, incrementando
las intensidades de los rayos ultravioleta y, por consiguiente,
el riesgo solar. Algunas nubes tenues pueden tener el efecto
de lupa.

8. Radiación visible
La radiación visible cuya longitud de onda está entre 360
nm (violeta) y 760 nm (rojo.
La luz visible atraviesa con bastante eficacia la atmósfera
limpia, pero cuando hay nubes o masas de polvo, parte de ella es
absorbida o reflejada.

9. Radiación infrarroja
El efecto de la radiación infrarroja ( más de 760
nm) es aumentar la agitación de las moléculas,
provocando el aumento de su temperatura.
El CO2, el vapor de agua y las pequeñas gotas
de agua que forman las nubes absorben con mucha
intensidad las radiaciones infrarrojas.

12. Efecto de las nubes
Las nubes son el principal componente de la atmósfera
que interactúa con la radiación solar, ya que cubren en promedio
un 70 % de la superficie terrestre.
Las nubes reflejan y absorben la radiación solar incidente.
Su efecto neto, es enfriar la superficie del planeta.
La fracción de radiación que es reflejada o absorbida por
una nube depende de su contenido y tamaño de las gotas de
agua líquida y/o sólida

13. Existen dos componentes de la irradiación incidente sobre un punto:
la irradiación solar directa y la irradiación solar difusa.
• Irradiación Solar Directa es aquella que llega al cuerpo desde el sol.
• Irradiación Solar Difusa es aquella cuya dirección ha sido
modificada por partículas u objetos con los que choca, reemisiones
de cuerpos, etc.). Por sus características, esta luz se considera
venida de todas direcciones. En un día nublado, sólo tenemos
radiación difusa.
La suma de ambas es la irradiación total (o global) incidente.

14. • Cualquier cuerpo expuesto
a la radiación solar, la
absorbe, aumentando su
temperatura.
• El aumento de
temperatura depende del
tipo y características de la
superficie.
• Una superficie plana,
transversal a la radiación
incidente y de color negro
es la que mejor absorbe la
radiación solar.

16. Instrumentos para medir la radiación solar
Piranómetro:
• Los piranómetros son sensores que miden la radiación solar
entre 0.3 y 3μm. En este rango capturan la radiación del
espectro solar entre el ultravioleta y el infrarrojo cercano

17. Radiación solar en el mundo

18. Radiación solar en Chile

20. Utilización de la energía solar
Los principales usos de la energía solar son:
• Generación de electricidad
• Secado
• Calefacción de agua

21. Generación de electricidad
Una célula fotoeléctrica, transforma la energía lumínica (fotones) en
energía eléctrica (flujo de electrones libres) mediante el efecto
fotoeléctrico. La célula está compuesta de un material que absorbe
fotones de luz y emiten electrones. Cuando estos electrones libres son
capturados, el resultado es una corriente eléctrica.

23. Al grupo de células fotoeléctricas que utilizan la
energía solar se le conoce como panel
fotovoltaico. Los paneles fotovoltaicos
usualmente entregan corrientes de 12V ó 24V.

24. Las células más comúnmente empleadas en los paneles
fotovoltaicos son de silicio, con diversas composiciones. Las más
eficientes son de mayor costo.
Con la finalidad de aumentar la producción solar de energía
eléctrica, las plantas solares incorporan seguidores solares.
Seguidores solares Paneles fotovoltaicos

25. • Alemania se ha propuesto el objetivo de producir el 35% de
la electricidad mediante energías renovables en 2020 y
alcanzar el 100% en 2050.
• En Latinoamérica, la energía fotovoltaica ha comenzado a
despegar en los últimos años. Se ha propuesto la construcción
de un buen número de plantas solares en diversos países, a lo
largo de toda la región, con proyectos incluso por encima de
100 MW en Chile.

26. Energía térmica solar
Se denomina energía térmica solar a la utilización de
la energía solar en la generación de calor. La
principal aplicación de esta tecnología es el
calentamiento de agua doméstica en hogares,
aunque gradualmente esta tecnología esta
adquiriendo más interés para fines industriales
(secado).

27. Secado con energía solar
La implementación de secadores solares permite
reducir el uso de combustibles fósiles.
Antiguamente se realizaba el secado de plantas
medicinales, carnes, ajíes, trigo, etc., exponiéndolos
directamente al sol. Este proceso duraba cerca de 3 días para
obtener un producto con bajo contenido de agua y así
asegurar su conservación.
La exposición del alimento directamente al sol
produce su contaminación por polvo, insectos, roedores, etc.
Además, se genera un deterioro en su calidad, modificando
su color y valor nutritivo, destruyendo ciertas vitaminas
esenciales.

28. Secadores solares

31. Secador solar (DIQ/USACH)

33. Normalmente el proceso de secado se extiende por más
de 8 -10 horas, dependiendo del tamaño y naturaleza del
material a deshidratar, por lo cual, la radiación solar de
un día resulta insuficiente. Para dar continuidad al
secado, existen a lo menos dos opciones:
Utilizar una fuente de energía adicional (eléctrica,
combustión de biomasa, gas, u otra),
Secador híbrido solar
–Acumular energía solar durante el día,
para usarla cuando disminuya la
radiación solar.

35. Calor sensible
Calor latente

36. Ciclo de almacenamiento de energía

37. Diseño y evaluación de un acumulador de
energía solar usando cera de parafina

38. Perfiles de temperatura

39. Diagrama Secador Híbrido Solar

40. Panel solar y panel acumulador de
energía
Cámara de secado

41. Panel Solar

42. Acumulador de energía solar
Diseño y construcción de un acumulador de energía solar

43. Resultados de la experimentación
con el acumulador

44. Manzana Granny Smith

45. Curva de secado de Champiñones Paris

46. Calefacción de agua
• Agua caliente sanitaria (ACS)
• Calentamiento de piscinas
• Procesos industriales
• Aplicaciones:
• Viviendas, colegios, hoteles, centros
deportivos, etc.

47. Calefacción de agua (Sistemas solares térmicos)

48. Colector de energía solar
En el colector hay un absorbedor (1) que absorbe la energía solar recibida. El
absorbedor se calienta y transmite el calor a un sistema de tuberías (4). En el
sistema de tuberías se encuentra un fluido portador del calor. Mediante este
medio portador del calor, el calor se puede transportar al acumulador de
agua caliente.

51. • El aislamiento posterior y lateral reduce más las pérdidas térmicas
• El conjunto se encierra en una caja o carcasa para aportar
resistencia mecánica y evitar que se deteriore
El colector Solar plano
• El vidrio reduce las pérdidas por convección al evitar el
contacto directo de la placa con el ambiente.
• A la placa se adhiere un circuito de tubos para hacer pasar un
fluido que se calienta.

52. * Se hace circular agua por el
colector para que se caliente y se
guarda en un acumulador con
aislamiento para que no pierda
calor y se pueda utilizar
posteriormente
* Para momentos de baja radiación
o de mucho consumo se garantiza
la disponibilidad de agua caliente
con un sistema auxiliar que termina
de calentar el agua que le llega del
acumulador antes de pasar al
consumo

53. Caracterización de las prestaciones de
los sistemas solares térmicos (SST)
*Las prestaciones del SST se definen
por la cantidad de energía solar térmica
aportada a un consumo de agua
caliente .
*Se caracteriza por el aporte solar
anual (ASA) que es la cantidad de
energía solar que el SST aporta a una
demanda anual de energía (DEA)
*A partir de ellos se deducen la
fracción solar y el rendimiento medio
anual del SST

54. Parámetros de funcionamiento del
SST (Sistema Solar Térmico)
-La contribución solar indica la fracción de la demanda de energía
(DEA) que es cubierta por el aporte de energía solar térmica (ASA).
-El rendimiento medio se obtiene como la razón entre el aporte solar
(ASA) anual y la radiación global incidente (Rad) sobre la superficie de
capacitación del SST en dicho periodo de tiempo:

55. Valores característicos de los
parámetros principales
* Relación entre rendimiento y fracción solar:
*Orden de magnitud de los valores anteriores:

56. Factores que más influyen en las
prestaciones

57. Equipos individuales para ACS

59. Componentes de los SST
• El colector solar
- Componente fundamental, específico y
diferenciador de la tecnología
• Otros componentes
- Son elementos comunes a otras instalaciones
térmicas
- Considerar las condiciones derivadas de la fuente
de energía: temperaturas, elementos al exterior, etc.
- Reflejan la importancia del rendimiento global de
la instalación

60. Elementos principales del colector
solar plano
• Cubierta
transparente
• Absorbedor
- Tratamiento
superficial
- Circuito
hidráulico
• Aislamiento
• Carcasa o caja

61. Cubierta transparente (vidrio)
• Produce efecto invernadero:
- Transparente a la radiación solar
- Evita pérdidas por radiación infrarroja
• Reduce las pérdidas por convección
• Materiales más utilizados:
- Vidrio (de 2-4 mm, bajo contenido FE,
templado)
- Algunos plásticos (acción UV,
dilataciones)
* Con junta elástica cubierta- caja permite
asegurar la estanqueidad del interior

62. Absorbedor del colector solar
• Es una superficie metálica plana (en una
lámina entera o en bandas) con un circuito
hidráulico adosado:
- El absorbedor es normalmente de cobre, a
veces de aluminio y esporádicamente de acero u
otro material
- El circuito hidráulico del absorbedor casi
siempre está realizado con tuberías de cobre
• Características importantes para la
evacuación de calor son:
- Conductividad y espesor de la lámina
- Contacto térmico de la unión lámina -
tubería

63. Circuito hidráulico del absorbedor
• La superficie de contacto del circuito hidráulico con el
absorbedor debería ser lo más grande posible.
• Las características constructivas deben garantizar la
mejor transmisión térmica desde cualquier punto del
absorbedor al circuito.
• La circulación del fluido en régimen turbulento
favorece significativamente la transferencia de calor

64. Circuito hidráulico del absorbedor
Los más habituales:
• De tipo parrilla o tipo serpentín
• Diseño vertical u horizontal

65. Otros tipos de colectores solares planos

66. Potencia útil captada por el colector solar

67. Rendimiento de distintos colectores

68. Pérdida de carga del colector solar

69. Temperatura de estancamiento del
colector
• Cuando no circula por el colector solar:
- La radiación solar sigue introduciendo energía
- Aumenta la temperatura del absorbedor
- Aumentan las pérdidas térmicas
• Se alcanza el equilibrio térmico cuando:
- Las pérdidas térmicas compensan a la radiación incidente
- En ese caso, se ha alcanzado la temperatura de
estancamiento
• Según UNE-EN 12975 la temperatura de estancamiento
está referida a una irradiancia incidente de 1000W/m2 y a
una temperatura ambiente de 30°C.

70. Otros componentes
• Interacumulador
• Bomba de circulación
• Vaso de expansión
• Componentes hidráulicos
- Tuberías y aislamiento
- Válvulas
- Sistemas de purga
• Equipos de medida y control

71. Criterios de selección de componentes
• Soportar las condiciones de presión y temperatura extremas a las
que pueden estar sometidos.
• Expresamente diseñados para resistir las condiciones exteriores
a las que vayan a estar expuestos: rayos UV, oxidación por
acción combinada de agua y aire, etc.
• Ser compatibles con los fluidos de trabajo con los que pueden
estar en contacto (especial precaución con ACS)
• Aportar las condiciones funcionales y de rendimiento
que les sean requeridas.
• Preparados para no tener que introducir modificaciones en terreno
(por ejemplo, para mantener la protección de la estructura frente a
la corrosión)

72. Configuraciones de los SST
Criterios de clasificación: 1. Principio de circulación
2. Sistema de transferencia de calor
3. Forma de acoplamiento de los
componentes
4. Disposición de los componentes
5. Tipo de sistema de apoyo
6. Sistema de expansión
7. Fluido en el circuito primario

73. 1. Principio de circulación
Mecanismos que produce el movimiento del fluido entre el
colector y el depósito acumulador:
• Por circulación natural, o
termosifón, el fluido de trabajo
circula por convección libre
aprovechando la disminución
de su densidad con la
temperatura
• Por circulación forzada se
dispone al sistema de una
bomba de circulación que
provocan la circulación
forzada del fluido de trabajo

74. Sistema con circulación natural Sistema con circulación forzada

76. 2. Sistema de transferencia de calor
Según la forma de transferir la
energía del circuito primario
de colectores al acumulador en
el circuito de consumo:
• En sistemas directos el agua
de consumo es el mismo
fluido de trabajo que
circula por los colectores
• En sistemas indirectos se
mantiene el fluido de
trabajo de colectores en un
circuito distinto e
independiente al del
circuito de consumo

77. Sistema de intercambio directo Sistema de intercambio indirecto

79. 3. Acoplamiento de los componentes
• Compactos: los componentes se
encuentran montados en una
única unidad estructural aunque
físicamente puedan estar
diferenciados
• Integrados: dentro del mismo
equipo se realizan las funciones
de captación y acumulación de
energía y no es posible
diferenciar componentes
• Partidos: están separados y
existe una distancia física
relevante entre la captación y la
acumulación

80. 4. Disposición de componentes
Se refiere a la disposición de
los colectores y
acumuladores en relación con
las dimensiones principales
que puede afectar a la
integración y a sus aspectos
funcionales:
• Colectores en sentido
horizontal o vertical
• Acumuladores en posición
horizontal o vertical

81. 6. Sistema de expansión
Según el medio utilizado para
absorber las variaciones de
volumen producidas por las
variaciones de la temperatura
de los fluidos de trabajo:
• Expansión abierta cuando el
circuito primario está
comunicado de forma
permanente con la atmósfera
• Expansión cerrada, cuando el
circuito no funciona en
comunicación con la
atmósfera

82. 7. Fluido en el circuito primario
Se refiere a la forma de funcionar el
circuito primario en relación con su
contenido de fluido:
Sistemas llenos: cuando el colector
permanece siempre lleno con el fluido
caloportador.
Sistemas de drenaje interior: cuando
el colector no siempre está lleno de
fluido porque, cuando para la bomba,
el fluido es drenado del colector que
se queda sólo lleno de aire

83. Diversos ejemplos de SST para ACS

84. Selección entre sistemas directos e indirectos

85. Comparación de sistemas directos
e indirectos

86. Condicionantes fundamentales de
los sistemas directos
• Definidos en base a la localización de la instalación:
- Características y dureza del agua
- Temperatura mínima histórica
• Importante influencia de la dureza del agua de red
- Disminución del rendimiento por aumento de las
temperaturas de funcionamiento. Aumento de pérdidas de carga
y/o reducción de caudales al reducirse los diámetros útiles de las
tuberías ascendentes
- Necesidad de programar limpieza de circuitos
• Escasa fiabilidad de las soluciones para zonas con riego de
heladas

87. Diseño de los circuitos de circulación
forzada
Caudales para garantizar transporte
de calor:
• Entre 30 y 60 l/h. m2 , en el rango
del fabricante y hacer análisis de
sensibilidad
• Minimizar pérdidas de carga
(entre 1 y 3 m.c.a. para pequeños
SST)
• Minimizar las pérdidas térmicas:
- Ajustar los caudales y los
diámetros
- Reducir longitudes de trazado

88. Selección entre circulación forzada y natural

89. Funcionamiento de la circulación natural

90. Criterios hidráulicos para facilitar la
circulación natural:
• Energía impulsora térmica muy pequeña (20 a 60 mm.c.a.)
• Depende de la diferencia de temperaturas (de 20 a 40°C)
• Circuitos con poca pérdida de carga (30 mm.c.a): mayores
diámetros, cambios suaves y poca longitud
• Que favorezcan siempre la circulación: con pendiente, evitando
sifones y retenciones de aire. Sin restricciones por accesorios
• Aumentando la altura de las columnas
• Estos criterios son recomendaciones pero no son suficientes para
proyectar circuitos fiables de los sistemas termosifón

91. Criterios principales para comparar y
seleccionar el SST

92. Otros criterios de comparación entre
circulación natural y forzada

93. Ejemplo de dimensionado básico de un SST

94. Cálculo de prestaciones energéticas de un SST
* Métodos de cálculo
* Parámetros de uso
* Parámetros climáticos
* Parámetros climáticos
* Parámetros de funcionamiento de los SST
* Criterios de cálculo
* Aplicación de los métodos de cálculos
El cálculo de prestaciones energéticas tiene
por objeto predecir el comportamiento
térmico de una determinada instalación solar,
dependiente del lugar y utilización.
Normalmente el cálculo considera las
siguientes etapas:

95. Métodos de Cálculo
Ejemplos de MC simplificados:
• Rendimiento medio
• f-chart
Ejemplos de MC detallados:
• T- Sol www.valentin.de
• Polysun www.spf.ch
• Retscreen www.retscreen.net
• Trnsys www.sel.me.wesc.edu/trnsys
• Transol www.aiguasol.com
• Acsol www.agenciaandaluzadelaenergía.es

96. Parámetros de uso
*Para el Calculo de la demanda de energía:
* Es necesario conocer los valores de:
- Consumo de agua caliente
- Temperaturas de agua caliente y fría
*Por la necesidad de estimar la demanda a largo plazo:
-Analizar diferencias entre edificios existentes y nuevos
- Realizar comparación de datos normalizados y datos
medios

97. Caudales y temperaturas de consumo

98. Estimación de la demanda de agua caliente
Para dimensionar el SST, se debe estimar la demanda
diaria de agua caliente sanitaria a una temperatura de
referencia de 45°C y se considerarán los consumos
diarios de ACS por persona igual a 40 litros al día.
Se puede seleccionar el número de personas que
habita o habitará en la vivienda conforme al número
de dormitorios de la misma: