Este curso introductorio aborda conceptos de energía sustentable y describe tecnologías avanzadas que pueden sustituir progresivamente las actuales dominadas por el carbón, el petróleo y gas natural, cuyas emisiones está perturbando progresivamente el clima, lo que puede afectar el desarrollo y la convivencia internacional. Este curso ilustra los impactos que provoca la transformación de energía para estimular el desarrollo de cambios en las formas y tecnologías de producción y uso de la energía, comprendiendo su origen físico, sus desafíos, compromisos y externalidades. Se estudia la evolución del clima global y los escenarios que se contemplan. En base a ellos, se promueve la adopción de recursos naturales de larga autonomía, cuya transformación emite el mínimo impacto ambiental y climático y cuyas tecnologías son posibles de implementar a costos abordables para la sociedad, considerando que un sexto de la población global aún no accede a la electricidad ni a otros servicios energéticos esenciales para su desarrollo. Se proponen soluciones efectivas para la mitigación del cambio climático y se enuncian opciones aún en estudio.
Energía solar
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Explorando la Energía Sustentable
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Tecnologías sustentables
En este módulo estudiarás los fundamentos detrás de las tecnologías para la producción de energía nuclear y energías renovables no convencionales (ERNC). Podrás evaluar y comparar las fortalezas y debilidades de cada una de estas tecnologías en cuanto a su impacto ambiental y su potencial de generación eléctrica.
Познакомьтесь с преподавателями
Julio VergaraPhD in Nuclear Materials Engineering
Profesor Asociado Adjunto de la Escuela de Ingeniería UC.
César Sáez NavarreteDoctor en Ciencias de la Ingeniería
Departamento de Ingeniería Química y Bioprocesos
Hola soy Cesar Sáez y en esta sección revisaremos los conceptos fundamentales relacionados con la energía solar.
El sol es una estrella que se encuentra aproximadamente a 150 millones de kilómetros de distancia.
Posee un diámetro promedio de 1.4 millones de kilómetros, unas 109 veces más grande que el diámetro de la tierra.
Su superficie se encuentra a unos 6,000 grados Kelvin, producto de las reacciones químicas de fusión nuclear que ocurren en su interior.
La luz que el sol irradia tarda poco más de ocho minutos en llegar a la tierra y lo hace en la forma de un complejo espectro electromagnético formado por ondas o fotones.
caracterizados por diversas longitudes de ondas o colores, que van desde el espectro ultravioleta, pasando por una zona visible y hasta una zona del espectro denominada infrarrojo.
La longitud de onda y la energía que una onda electromagnética contiene son inversamente proporcionales.
Dicho de otra forma, a menores longitudes de onda, mas energía.
En el gráfico, las longitudes de onda menores corresponden a radiación ultravioleta, muy dañina para los seres vivos por su elevado contenido energético.
La potencia por unidad de superficie que llega a la tierra se denomina irradianza y determina el perfil del espectro solar sobre la superficie del planeta.
Los saltos hacia abajo del espectro solar en color verde en la figura, corresponden a radiaciones cuyas longitudes de onda han sido absorbidas antes de llegar a la superficie del planeta
Los responsables de estos son algunos gases atmosféricos como el ozono, el oxígeno, el CO2, quienes además del agua absorben parte de la radiación solar que en longitudes de onda especifica en que se observan estos saltos.
La forma más común de aprovechamiento de la energía solar es su uso directo como energía térmica.
El calentamiento solar de agua y otros fluidos permite aprovechar la energía infrarroja del sol para diversos usos.
Otras secciones del espectro pueden ser aprovechadas por ejemplo a partir del efecto fotovoltaico en la forma de paneles que transforman directamente la energía del sol en energía eléctrica aprovechable.
El uso eficiente y efectivo de la energía solar, muchas veces requiere el uso de fluidos que puedan ser calentados con el sol hasta alcanzar muy elevadas temperaturas.
La utilización de lentes y espejos concentradores, parabólicos, cilindros o circulares e incluso planos que lleven a aras reducir a la energía concentrada del sol, han sido empleados desde hace varias décadas.
La forma parabólica asegura que cualquier as, paralelo de luz al eje de la parábola, que incida sobre su superficie pegada, concentrara esos rayos en su foco geométrico.
Zona donde se instala el colector y donde se transfiere esa energía a algún fluido de trabajo.
La cantidad de energía colectada, dependerá entonces de la superficie desde la cual es posible aprovechar la radiación solar incidente.
Se estima que en zonas como en el desierto de Atacama en Chile, la energía que llega a la superficie del suelo en un día despejado de verano, puede llegar a más de 1,200 watts por metro cuadrado
Es por esto que la instalación de una planta con una capacidad instalada de varios mega watts, requerirá de una gran superficie de colección.
Por su parte la energía solar fotovoltaica, ha ido desarrollando tecnologías cada vez más eficientes en el aprovechamiento de la energía del sol y en su transformación directa en electricidad.
En términos de eficiencia el National Resort Energy Laboratory, reporta para celdas fotovoltaicas eficiencias en los últimos años que alcanzan un 46%.
Mostrando un sostenido incremento en las ultimas décadas, además de una fuerte dependencia tecnológica.
La figura siguiente muestra la evolución de la potencia instalada de energía instalada de energía solar fotovoltaica en el mundo.
Se observa aquella instalada fuera de red, en red y el total, alcanzando los 170 gigawatts de potencia.
.Por su parte, la energía solar térmica, ha seguido posicionándose en aplicaciones residenciales.
Con sistemas más eficientes y adiabáticos de circuito directo o cerrado, que han permitido su uso incluso en climas fríos.
Por ejemplo, para producir agua caliente residencial en una zona con una elevada dureza del agua, se preferirá un sistema que sea cerrado.
Que intercambie energía entre el colector y el termo, donde se almacena el agua caliente en la espera de su uso.
En zonas con una mejor calidad fisicoquímica del agua se empleará un circuito directo, donde el agua de la red pasa en serie por el sistema colector y luego al termo de almacenamiento en espera de su consumo.
El término "recolectores" además de aquellos con forma plana los colectores de tubos al vacío concéntricos, también han cobrado relevancia dada su mayor eficiencia de colección, sus reducidas perdidas térmicas y su flujo por convicción natural entre los tubos y le termo de almacenamiento.
Sin embargo, la dificultad de limpieza a restringido su aplicación en zonas atmosféricas más limpias.
Además de los requerimientos de superficie, ya sea empleando sistemas de colección directa o empleando concentradores.
La dependencia del clima y de las estaciones, hace que la recuperación de este tipo de inversiones se vea demorado.
En efecto, muchos de estos sistemas termo solares pueden no llegar a funcionar varios meses en el año, en ciertas zonas del planeta.
Las piscinas solares son una tecnología muy interesante de aprovechamiento de la energía solar.
El perfil de concentraciones que se produce en el fondo de estas piscinas, generalmente salobres, hace que la necesidad de soluciones concentradas debido a su elevada temperatura, se mantenga por debajo de las zonas más frías de las misma
Y por lo tanto menos concentradas, Generando un sistema muy eficiente de colección y almacenamiento de energía solar.
Aplicaciones de esta tecnología pueden encontrarse, por ejemplo, en la minería del cobre en Chile.
Para el calentamiento de soluciones de lixiviación en pila de mineral, como se muestra en la figura, una serie de piscinas solares es utilizada para elevar la temperatura de la solución lixiviante recirculada desde el proceso de extracción por solventes.
desde los 25 hasta los 70 grados Celsius, mejorando significativamente el rendimiento de las pilas de lixiviación.
Por su parte, el uso de la energía solar para el transporte, aun presenta las limitaciones obvias asociadas a la tecnología fotovoltaica.
Se requiere de una gran superficie de colección y de un transporte muy ligero para poder abastecer al mecanismo impulsor de la energía necesaria.
El uso de baterías y tiempos de carga sin uso, ayudara al desarrollo de vehículos más versátiles y su integración con otras tecnologías ciertamente mejorara las características de eficiencia del conjunto motriz.
Finalmente, el uso del denominado viento solar en el transporte de naves espaciales, que hacen uso del momentum de los fotones del sol que impactan en enormes velas solares.
Podría ayudarnos a llegar a otros planetas de nuestro sistema solar.
En resumen, la energía solar directa como fuente de energía renovable, tiene sus mayores exponentes en sistemas solares térmicos y en sistemas solares fotovoltaicos.
La energía solar puede proveer de energía en lugares remotos sin redes de distribución y de una forma sencilla y económica.
Su requerimiento de superficie puede limitar su utilización para plantas de muy alta escala, sin embargo, el uso de lentes y espejos concentradores han permitido el desarrollo de plantas industriales generadoras de electricidad.
La potencia instalada de sistemas solares fotovoltaicos ha crecido exponencialmente en los últimos años, alcanzando los 170 gigawatts instalados.
Su uso en transporte de vehículos terrestres y aéreos aun presenta limitaciones que deben ser resueltas.
Los requerimientos de superficie de colección y el bajo peso vehicular requerirá del desarrollo de nuevos y mejorados materiales.
Nos vemos en la próxima clase.
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