Un
detallado repaso a la manera en la que se debe aprovechar la electricidad termosolar y fotovoltaica y la incidencia de dicha energía solar en el cálculo de la carga térmica.
por: Camilo Botero*
El aprovechamiento de las energías alternativas viene tomando fuerza cada vez más, sin embargo, este tema aún acapara un porcentaje muy corto de la torta en cuanto a su aprovechamiento por parte de la industria de climatización y refrigeración. A continuación se desglosará el tema de la radiación solar como energía alternativa y se resaltarán los esfuerzos de nuestro sector por masificar esta opción.
Definición de radiación: Radiación Térmica: está catalogada como uno de los muchos fenómenos electro magnéticos existentes. Se debe a la temperatura que tiene un cuerpo. Puede decirse entonces que la radiación es energía emitida por el cuerpo en forma de ondas electromagnéticas en virtud de su temperatura. Como se sabe de la física, la cantidad de energía emitida es función de la longitud de onda, es entre 0.1 y 100 μ.
Para una temperatura dada, la energía máxima total emitida, en todas las longitudes de onda es:
Si A1 fuera un cuerpo gris; es decir, si su emisión de energía es una fracción constante de la máxima energía emitida.
Ahora, si se trata de dos cuerpos grises, que tienen una cierta posición uno con respecto al otro el intercambio de calor está dado por:
Algunas veces se desea poner el flujo de calor, en términos de la diferencia lineal de temperaturas, para ello, se define el coeficiente promedio de transferencia de calor por radiación:
Enfocaré este artículo en dos partes: Por un lado la generación de electricidad termosolar y fotovoltaica, y del otro la incidencia de dicha energía solar en el cálculo de la carga térmica, la cual es sumamente alta en los países tropicales.
El libro que aparece adjunto, me ha resultado tremendamente motivante para que en Colombia y demás países latinoamericanos, en la mayoría de los cuales hay una gran intensidad de radiación solar nos concentremos (entre otras), en el aprovechamiento de la radiación como energía renovable.
La electricidad termosolar, vive un momento de gran interés en el concierto de las naciones, finalmente se ha producido su despegue y nuestros países iberoamericanos no pueden ser ajenos a este reto que representa una gran oportunidad para introducirnos de manera significativa en la utilización de esta energía renovable. España ya nos da el ejemplo de manera categórica puesto que ha sido uno de las naciones pioneras, aun cuando ahora por razones de su crisis económica, ha descuidado este tema.
Debe resolverse lo más pronto posible el apoyo institucional a estos desarrollos, involucrando las instituciones científicas, académicas y gubernamentales con sus recursos de conocimiento y sobre todo el apoyo financiero a las iniciativas, pues sin duda la energía termosolar tendrá un papel muy importante en el sistema energético del futuro, el cual será seguramente más descentralizado y diversificado, por ejemplo, se está usando en pozos petroleros para generar el vapor requerido por el proceso, pudiendo así comercializar el gas que se usaba para ese propósito. Esto hará que el uso racional de la energía sea más eficiente y solidario. En Colombia sería una gran alternativa para el sistema interconectado que cuando hay sequías debe emplear las plantas térmicas convencionales de muy baja eficiencia, de gran capacidad de deterioro del medio ambiente y factor del cambio climático. La utilización de la radiación solar como recurso para calentar agua doméstica y cocinar, es obvia y sorprende precisamente por lo obvio que no la utilicemos en gran escala.
Algunas consideraciones con relación a Colombia en lo relativo al uso la radiación solar: La UPME (Unidad de Planeación Minero Energética), en asocio con el Instituto de Estudios Medioambientales- IDEAM, publicó el Atlas de radiación solar, el cual es el documento oficial de este recurso energético en el país. Allí se presentan, registrados, los valores del recurso energético para el desarrollo de sistemas de energía solar en Colombia. En este trabajo se registran mediciones con altos valores de radiación solar, lo que indica el gran potencial energético por radiación solar, existente en algunas regiones del país.
Dicho mapa de radiación solar anual muestra que las zonas aisladas o Zonas No-Interconectadas al sistema, presentan valores promedios de 4 - 4.5 kWh /m2 de radiación por día, lo cual es apto y muy motivante para el desarrollo de nuevos programas de aplicación de sistemas fotovoltaicos, dado que en países donde se ha desarrollado la energía solar fotovoltaica se aprovechan valores similares de radiación. En el caso del sur de España con la radiación más alta y las plantas y plataformas solares más grandes de ese país, se registra una radiación solar diaria promedio de 3.8 a 4.5 kWh/ m2 día.
El país está caracterizado por las regiones: Andina, Atlántica, Pacifica, Orinoquia y Amazonía. La intensidad de la radiación solar en la región Andina colombiana muestra que las zonas del Valle del Cauca y Magdalena poseen el mayor potencial de esta región, y a medida que se asciende hacia las cimas de las cordilleras ese potencial va disminuyendo gradualmente, con excepción de algunas zonas llamadas altiplanos, donde se observa un potencial solar mayor comparado con el de las laderas y valles.
Mediciones realizadas en otro punto del Valle del Cauca, contrastan con los valores obtenidos del documento oficial. Es así como en el Lago Calima, municipio de Darién, en el Valle del Cauca, donde no se conoce de estaciones meteorológicas que reporten radiación solar, con un pirómetro digital y se han medido valores de radiación solar, que superan los 1000 W/m2
En cuanto a valores de energía solar fotovoltaica, se midieron en la Universidad Autónoma de Occidente en Cali valores superiores a 1200 Wm2, lo cual es bastante alto y prometedor para generación fotovoltaica, dicha universidad ya instaló un sistema de generación de energía eléctrica fotovoltaica con una capacidad de 140 KVA. En el CIAT de Palmira, donde se está proyectando un laboratorio de Germoplasma para frijol y yuca, con el concepto de Balance de Energía Cero (NZEB, primero en Colombia), se generará toda la energía necesaria, con celdas fotovoltaicas en un área superior a las dos hectáreas.
Como un excelente ejemplo del impacto de la radiación solar, se puede presentar la competencia llamada Solar Decathlon (www.solardecathlon2015.com.co), que tuvo lugar en Cali Colombia, del 4 al 15 de Diciembre del 2015, por primera vez en América Latina; en la cual grupos interdisciplinarios pertenecientes a universidades de todo el mundo, trabajan en el diseño y construcción de viviendas sostenibles, en sus países de origen. Los equipos seleccionados, trasladaron sus casas a Cali, en donde las armaron en un tiempo de 10 días, lo cual constituye un gran reto de planeación, coordinación, conocimientos de ingeniería en varias disciplinas. El Solar Decathlon fue creado en el año 2002 por el Departamento de Energía de los Estados Unidos y desde ese año, se ha llevado a cabo en 2005, 2007, 2009, 2011, 2013, 2014, 2015; ha tenido lugar en Estados Unidos, Europa, Asia y ahora en América Latina.
De este modo se construyó la Villa Solar en la Universidad del Valle en Cali, en un evento abierto al público y como dato relevante asistieron alrededor de 80.000 personas, lo cual motivo a los organizadores de esta competencia a seleccionar nuevamente a Cali, para la próxima competencia, por haber sido una asistencia record de particulares, y más de 600 decatletas, que construyeron las viviendas.
También para fortuna de la competencia, todos los días estuvieron sumamente soleados, con intensidades de radiación solar del orden del 1000 W/m2, lo cual puso de relevancia lo importante que es el uso de la energía solar en las viviendas, en estos climas tropicales. Todas las casas generaron más energía de la que consumieron y estas generaciones FV, estaban conectadas a la red de EMCALI, que es la empresa de energía eléctrica de la ciudad y esta entidad, suplía sin costo obviamente; la energía para las necesidades durante la noche (principalmente iluminación) y durante la construcción de la Villa Solar, pues las casas no tenían acumuladores.
Hubo también un sitio llamado el Ágora, en el cual se dictaron conferencias relacionadas con los conceptos de arquitectura e ingeniería sostenibles que se utilizaron en los diseños y construcción de las diferentes casas. Durante las visitas a las casas los jóvenes del equipo de cada vivienda daban a los asistentes en grupos de 8 personas o menos, las explicaciones y detalles de su propuesta, con mucho entusiasmo y conocimiento de lo que habían hecho, pues además de diseñadores, fueron los constructores con su propio esfuerzo, lo cual les dio un gran sentido de pertenencia.
La evaluación para otorgar los premios, se hizo sobre los siguientes aspectos, para una vivienda de bajo costo, se le llama Decathlon, porque los equipos compiten en diez pruebas que se describen brevemente a continuación:
- Arquitectura; Evalúa los espacios y los materiales apropiados para las estrategias de sostenibilidad, la funcionalidad y el mobiliario.
- Ingeniería y Construcción; Evaluación del diseño estructural, instalaciones eléctricas plomería y por supuesto el sistema de energía solar tanto de generación FV, como de agua caliente.
- Eficiencia energética; Evalúa los diseños para la reducción del consumo energético, utilizando principalmente energía solar.
- Consumo energético; Se mide la autosuficiencia energética, a través de un equilibrio entre la generación y el consumo eléctrico, con medidores bidimensionales para cuantificar la generación propia y/o el consumo de la red.
- Confort; Se miden temperatura, humedad relativa, acústica, iluminación y calidad del aire, los cuales son indicadores que evidencian el confort en cada vivienda. La mayoría tenían soluciones solo de ventilación, bien sea natural o forzada. Algunas incorporaron sistemas de aire acondicionado de expansión directa, con energía FV.
- Sostenibilidad; Contempla la reducción del impacto ambiental y las estrategias de diseños arquitectónico e ingeniería, eficiencia energética y asequibilidad. También el manejo de aguas lluvias, y tratamiento de aguas servidas para riego o consumo en sanitarios. Varias tenían incorporados huertos, y paredes y techos verdes.
- Funcionamiento; Mide la eficiencia y la funcionalidad de un conjunto de electrodomésticos como estufa, refrigerador, microondas, lavadora, licuadora, televisión, equipo de sonido, para garantizar el funcionamiento normal de la vivienda y la iluminación, operados todos con energía solar FV.
- Marketing, Comunicaciones; Evalúa las estrategias de mercadeo y comunicaciones implementadas por cada equipo, con el objetivo de generar conciencia social.
- Diseño Urbano y Factibilidad; Fomentar la implementación de un Diseño Urbano en el contexto de la región. La mayoría de las casas sobre todo las nacionales, obviamente incorporaron materiales locales de bajo o moderado costo y facilidad de adquisición.
- Innovación; Estima la incorporación de soluciones creativas para mejorar el sector residencial, en los aspectos anteriormente descritos.
Estas iniciativas de construcciones autosuficientes energéticamente, de bajo costo, amigables con el medio ambiente, están perfectamente alineadas con la orientación en cuanto al cuidado de nuestra casa común como lo describe el Papa Francisco en su encíclica Laudato Si y los acuerdos firmados en la Cumbre sobre el Cambio Climático en París, respecto a la cual Colombia ya se comprometió con la reducción de un 20% de las emisiones de gases de efecto invernadero.
Impacto de radiación solar en cálculo de carga térmica
Cuando se realiza el cálculo de la carga térmica con el fin de determinar cuál sería el tamaño del equipo en Toneladas de Refrigeración, la transferencia de calor por radiación solar, se constituye en un factor preponderante sobre todo si hay grandes domos y ventanas, que estén expuestos a dicha radiación.
La información que viene en los textos y/o software americanos o europeos y en los excelentes manuales de las principales firmas de equipos respecto a la intensidad de la radiación solar en nuestra región no es correcta y aun cuando ya tenemos información local, no está presentada en la forma como se requiere en un proceso de cálculo de la carga térmica para calcular la radiación a las horas pico; debemos trabajar en organizar esta información desde nuestros gremios,
Lo que si resulta evidente es que la carga por radiación solar a través de materiales traslúcidos en un país tropical es determinante de la capacidad de los sistemas centrales, con el agravante en algunos casos que se pueden cumplir la condición de temperatura, pero por ser un fenómeno de ondas electromagnéticas causa disconfort térmico de una manera muy marcada, si no se provee la sombra adecuada, por tanto la disminución de la carga por radiación solar es de carácter obligatorio trabajando en conjuntos con los arquitectos, temas como la orientación de la edificación, los aislamientos térmicos y las atenuaciones de dicha radiación solar.
* Camilo Botero es el actual Secretario de la Federación de Asociaciones Iberoamericanas del Aire Acondicionado y la Refrigeración - FAIAR; fue presidente de ACAIRE y es presidente de Camilo Botero Ingenieros Consultores Ltda. Se ha desempeñado como docente en varias universidades colombianas, gremios y actualmente en ACAIRE en cursos de diplomado de proyectos de aire acondicionado, eficiencia energética en aire acondicionado y refrigeración, cogeneración y trigeneración, psicometría aplicada, termodinámica, mecánica de fluídos, transferencia de calor y turbomaquinaria. ([email protected]).
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