La energía solar térmica es una forma de energía solar . Designa el uso de energía térmica procedente de la radiación solar para calentar un fluido (líquido o gas). La energía que recibe el fluido se puede utilizar directamente ( agua caliente sanitaria , calefacción , etc. ) o indirectamente (producción de vapor de agua para accionar alternadores y así obtener energía eléctrica , producción de frío , etc. ).
La energía solar térmica proviene del calor transmitido por el sol por radiación y no debe confundirse con otras formas de energía solar y en particular con la energía solar fotovoltaica que utiliza el efecto fotoeléctrico para transformar los fotones que emite el sol en electricidad .
El colector solar es el instrumento que se utiliza para convertir la radiación solar en calor. Los principios físicos fundamentales en los que se basa esta producción de energía son, en particular , la absorción y la conducción térmica . En el caso particular de los sistemas de concentración ( central solar termodinámica , horno solar , etc. ), la reflexión también juega un papel importante.
La energía solar térmica se está desarrollando, a pesar de una marcada ralentización desde 2009; la China, por sí solo representa el 71% de la capacidad instalada de sensores, sino en el poder es superado por habitante por siete países, entre ellos Austria , la Grecia y Australia .
El primer uso no pasivo registrado de energía solar térmica por los seres humanos se remonta al año 212 a. C. DC cuando Arquímedes concentró la energía del sol para encender los barcos romanos que asediaban Siracusa . Sin embargo, los científicos luego cuestionaron la viabilidad técnica de tal método. Más de 17 siglos después, en1561, Adam Lonitzer evoca un proceso utilizado por los alquimistas que utilizan la energía del sol concentrada para desarrollar perfumes.
En 1615, Solomon de Caus Solar Pump utiliza lentes para calentar un recipiente lleno con una mezcla de aire-agua. Se considera que esta invención es el primer uso de la energía solar desde la época clásica .
En la década de 1780 , HB de Saussure inventó un instrumento de medición que le permitía estudiar los efectos caloríficos de los rayos solares, al que denominó "heliotermómetro", utilizó el efecto invernadero obtenido por un acristalamiento colocado sobre el sol. Un absorbedor en una caja aislada ; así creó los primeros colectores solares térmicos de baja temperatura.
En 1865, Augustin Mouchot construyó el primer motor solar que consistía en un receptor cónico provisto de un recipiente de metal ennegrecido cubierto con un frasco de vidrio transparente delgado en su línea focal.
En 1868, John Ericsson , inventor sueco, también construyó varios motores solares , que funcionan con el vapor o en asociación con su motor con aire caliente (o motor calórico).
En 1893, el físico británico James Dewar descubrió el efecto termo según el principio de un recipiente con dos paredes separadas por un espacio de aire, asegurando un aislamiento casi perfecto. El principio de la botella isotérmica permitió posteriormente el desarrollo de colectores solares térmicos con tubos de vacío.
En la década de 1910, aparecieron los primeros calentadores de agua solares individuales en California . Después de un período dedicado principalmente al desarrollo de la energía hidroeléctrica , los ensayos de desarrollo industrial de las centrales termosolares se vieron coronados por el éxito técnico, pero no económico, porque llegaba en un momento en que el precio del petróleo volvió a bajar.
Sin embargo, desde las décadas de 1970 y 1980, su desarrollo se ha quedado rezagado mientras se favorece el desarrollo de la energía solar fotovoltaica . Por lo tanto, solo las pequeñas unidades solares térmicas (calentadores de agua individuales o pequeñas comunidades, piscinas, etc. ) son funcionales, en detrimento de la energía solar térmica pesada destinada a producir electricidad.
Durante la década de 2000, la necesidad de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero , la perspectiva del pico del petróleo y las dudas sobre las soluciones para la gestión de los residuos nucleares y los riesgos asociados a esta fuente de energía hicieron que la energía solar térmica fuera más atractiva. Los calentadores de agua solares han experimentado un rápido desarrollo en algunos países, especialmente China, y se han completado proyectos industriales a gran escala en los Estados Unidos, España, Oriente Medio , Australia y Marruecos , pero el rápido descenso de los costes de la energía solar fotovoltaica al principio de la década de 2010 derribó proyectos solares termodinámicos, que se habían vuelto menos competitivos.
Aprovechar la energía solar térmica tiene varias ventajas. Cuando se trata de calefacción , los sensores de calefacción son relativamente simples, rústicos y duraderos.
En cuanto a la electricidad, los sistemas de turbinas de vapor de uso convencional se basan en componentes perfectamente seguros y probados. En zonas muy soleadas, la rentabilidad está probada: una planta termosolar termodinámica en Marruecos se amortiza en términos de energía en cinco meses (es decir, habrá producido más energía de la necesaria para su construcción y puesta en marcha), que es comparable a la energía eólica (de cuatro a siete meses), pero mucho más rápido que los módulos fotovoltaicos de silicio (que en 2009 requieren de tres a cinco años para pagar su “deuda energética”, pero que requerirán menos costos y mano de obra para su mantenimiento y operación) . Por último, en varios países en desarrollo se dispone de un fuerte potencial de desarrollo, que a priori tienen un impacto moderado sobre el medio ambiente (desiertos, zonas áridas, etc. ). Según el DLR, una capacidad de más de 3 GW es realista en Europa, mientras que sería de 15 GW para todo el planeta.
En el campo de la purificación de agua, la energía solar todavía puede proporcionar suficiente agua potable en áreas tropicales y subtropicales.
La capacidad de los colectores solares térmicos en funcionamiento se distribuyó de la siguiente manera en 2017 (excluidas las plantas termosolares termodinámicas ):
| País | Potencia instalada ( GWth ) |
Área del colector (millones de m²) |
% 2017 |
|---|---|---|---|
| porcelana | 334.52 | 477,9 | 70,6% |
| Estados Unidos | 17,89 | 25.56 | 3,8% |
| pavo | 16.29 | 23.27 | 3,4% |
| Alemania | 13,75 | 19,65 | 2,9% |
| Brasil | 10.41 | 14,87 | 2,2% |
| India | 8.02 | 11.45 | 1,7% |
| Australia | 6.58 | 9.41 | 1,4% |
| Austria | 3,62 | 5.17 | 0,8% |
| Israel | 3.30 | 4,71 | 0,7% |
| Grecia | 3,23 | 4.62 | 0,7% |
| Italia | 3,20 | 4.57 | 0,7% |
| Japón | 2,91 | 4.16 | 0,6% |
| España | 2,88 | 4.11 | 0,6% |
| Mundo | 473,78 | 676,83 | 100% |
Esta capacidad se estima en alrededor de 480 GWth a finales de 2018; se ha multiplicado por 7,7 desde 2000; La energía solar térmica producida ascendió a 396 TWh este año. El mercado se redujo un 3,9% en 2018, a pesar de aumentos significativos en Polonia: + 179%, Dinamarca: + 128%, India: + 14%, México: + 4% y Grecia: + 4%. La caída del mercado se debe principalmente a China, que experimentó una desaceleración por quinto año consecutivo; sin embargo, esta disminución se está moderando gradualmente: -5% en 2018 después de -9% en 2016 y -17% en 2014 y 2015.
Los diez países más equipados con energía solar térmica fueron en 2017:
| País | Capacidad instalada ( Wth per cápita) |
|---|---|
| Barbados | 540 |
| Chipre | 440 |
| Austria | 413 |
| Israel | 397 |
| Grecia | 300 |
| Australia | 276 |
| Palestina | 269 |
| porcelana | 242 |
| pavo | 201 |
| Dinamarca | 199 |
En Francia, apenas solar térmica para crecer: la superficie sensores térmicos instalados sólo 3.225 Mw 2 (millones de metros cuadrados) en el 2018 o 2258 MWt , la 6 ª más grande de Europa, por detrás de Alemania, n o 1 con 13.489 MW , seguido por Austria , Grecia, España e Italia, y la 18 ª más grande en el área instalada per cápita; Sin embargo, 2018 vio una ligera recuperación con un crecimiento del mercado del 2%. Pero el sector parece estar experimentando, como en muchos otros países, un renacimiento en forma de grandes instalaciones, tanto si están conectadas a redes de calefacción urbana como si entregan las grandes cantidades de calor que requieren los procesos industriales.
El colector solar térmico está diseñado para recoger la energía solar transmitida por radiación y comunicarla a un fluido caloportador (gas o líquido) en forma de calor.
Los diferentes tipos de sensores se diferencian principalmente por el rango de temperatura en el que se utilizan. Los colectores no acristalados son óptimos para aplicaciones de muy baja temperatura (principalmente calefacción de piscinas). Luego vienen los colectores de vidrio plano, que se pueden utilizar para la producción de agua caliente sanitaria o para calentar edificios. Los colectores de tubos de vacío son los que mejor se adaptan a temperaturas más elevadas (superiores a 80 ° C ). Para temperaturas aún más altas (más allá de 100 - 110 ° C ), normalmente se utilizan sistemas de concentración ( espejo parabólico , sensor de Fresnel lineal, reflector parabólico como el reflector de Scheffler, torre solar , etc. ).
Cuando se integra en la pared (fachada o techo), dicho sensor puede asumir diversas funciones arquitectónicas (pared, decoración, fuente de sombra, barrera acústica, etc. ), proporcionar calor y recuperar parte de las pérdidas de calor del edificio. sí mismo.
Estos sistemas se utilizan actualmente de forma individual, pero tienen potencial para integrarse en ecobarrios , como barreras acústicas , en renovaciones energéticas o en nuevos edificios mediante y en enfoques tipo red inteligente , redes de energía colaborativa como las propuestas por el TRI ( tercer sector industrial). revolución promovida notablemente por Jeremy Rifkin ).
En verano, los paneles pueden recoger aire más fresco por la noche y durante el día, según los fabricantes, la estructura juega el papel de un “aislante” que limita la calefacción; y 5 m 2 de SolarWall ahorrarían una tonelada de emisiones de CO 2/ año en promedio.
La 6 de febrero de 2014ArcelorMittal ha anunciado que producirá en Francia (en Haironville , Moselle ) los colectores de acero (planos o curvos) para las paredes y techos solares del sistema de calefacción de aire " SolarWall " , que es una "piel adicional" para colocar en los edificios ( Orientación Sureste - Sur - Sudoeste) para ahorrar entre un 20 y un 50% de las necesidades energéticas convencionales. La comercialización de este producto y concepto desarrollado por el grupo canadiense " Conserval Engineering " está prevista para 2014. Los sensores diseñados a medida son adecuados para cada proyecto de calefacción individual o colectiva, o instalaciones de secado industrial y agrícola. Y deben ser instalados por techadores / techadores. o impermeabilizantes. Su vida útil prevista es de 30 años sin mantenimiento. Están reconocidos por el sistema de ecocertificación LEED (que proporciona hasta diez “ puntos LEED ”).
En la escala de una vivienda individual o colectivo, es posible instalar un calentador de agua solar o calefacción solar : colectores acristalamiento más a menudo se instalan en el techo, en el que circula un líquido de transferencia de calor calentado por la radiación solar. Panel , que luego transmite calor a un tanque de agua o al dispositivo llamado piso solar directo (PSD), integrado en una losa de piso.
Este proceso permite cubrir de 2/3 a 3/4 de las necesidades anuales de agua caliente (en Francia) y posiblemente proporcionar una adición significativa a la calefacción (instalación denominada sistema solar combinado , SSC). La normativa térmica de 2012 (RT 2012) ha modificado el uso de energías renovables (EnR) para nuevas construcciones . Toda casa unifamiliar debe utilizar un RE. Así, se propone un nuevo tipo de calentador solar de agua individual minimalista (CESI) , Con dimensiones reducidas al mínimo ( colector de 2 m 2 y depósito de 150 litros) y con un coste reducido.
En la vivienda colectiva, el uso de la energía solar también es muy útil para producir agua caliente sanitaria de forma prioritaria.
También hay plantas de calefacción solar , que funcionan según el mismo principio que la calefacción solar individual, pero a mayor escala. El agua caliente producida se distribuye luego a través de redes de calor .
Hay tipos de máquinas frigoríficas que utilizan, paradójicamente, una fuente de calor: el frigorífico de absorción de gas por ejemplo, bastante habitual en autocaravanas y caravanas. Este calor puede ser suministrado por el sol, con sensores comparables a los de otras aplicaciones. La dependencia del sol no es un problema a la hora de asegurar la evacuación del exceso de calor solar, y para otras aplicaciones aún es posible asegurar el funcionamiento mediante un sistema de respaldo por combustión.
Las cocinas solares se utilizan ampliamente en China e India . Además de la cocina de caja y la cocina de panel, se han desarrollado cocinas parabólicas.
Una placa de cartón recubierta con un papel de aluminio y cortada para formar una concha ya permite calentar una olla (preferiblemente negra) colocada en una bolsa de plástico transparente que limita la pérdida de calor y en vapor de agua. Con tales sistemas, muchos alimentos se pueden cocinar, hervir o calentar a fuego lento y se puede hervir agua. La parte más frágil es la bolsa de plástico.
Las ollas para latas con tapa de vidrio o plástico rígido son bastante fáciles de fabricar con materiales locales (cáscaras vacías y secas para aislamiento térmico, etc. ). Existen muchos modelos de hornos solares para cocinar alimentos, estos últimos alcanzan temperaturas de 100 a 220 ° C en general.
El uso de energía solar se remonta a la antigüedad, pero no fue hasta el XIX ° siglo que los primeros motores solares aparecen. Los más conocidos son los motores solares de Augustin Mouchot y John Ericsson , este último buscando asociar la energía solar con el motor de aire caliente , en algunos casos más eficiente que el motor de vapor .
Los motores solares transforman la energía del sol en energía mecánica que luego se transforma en energía eléctrica o cualquier otra energía. Los motores solares funcionan con aire caliente o con vapor de agua. En ambos casos, concentran la energía solar para calentar el fluido de trabajo (aire o agua) que es la fuerza motriz.
Los sistemas de producción de energía permiten que la energía solar se concentre en un punto preciso que luego puede alcanzar una temperatura considerable . Entonces, la producción de electricidad es posible mediante, entre otras cosas, turbinas de vapor u otros motores térmicos.
Para ello, los colectores parabólicos calientan un fluido caloportador (agua, sales fundidas, aceites sintéticos o directamente vapor) que circula por tuberías situadas en su punto focal geométrico.
La irregularidad propia de la energía solar se puede eludir, ya sea almacenando el calor (con un depósito de fluido caliente), o hibridando los concentradores solares con una central térmica convencional (la caldera y el calor solar alimentan la misma turbina de gas). Vapor) .
La 31 de marzo de 2007, A 25 km de Sevilla se inauguró oficialmente una planta de energía solar denominada PS10 con una potencia eléctrica de 11 MW , cuya producción prevista es de unos 23 GWh / año (es decir, una producción de potencia total de 2.000 h / año ). Están previstas otras plantas similares.
En 2011, Alba Nova 1 , ubicada en Córcega , fue la primera planta de energía solar termodinámica francesa a gran escala que obtuvo un permiso de construcción durante más de 30 años.
Una torre solar de 1.000 m de altura, planificada para Buronga en Australia, fue uno de los proyectos más ambiciosos del planeta para la producción de energía alternativa. Sería una planta de energía renovable que proporcionaría la misma energía que un pequeño reactor nuclear y, al mismo tiempo, sería más segura y limpia.
Un motor Stirling conectado a un generador también puede utilizar un sistema de concentradores parabólicos o colectores planos de fluido de transferencia de calor, dependiendo de su gradiente térmico operativo.