23 de julio de 2018

Células solares de alta eficiencia


Eficiencia máxima de las células solares fotovoltaicas


Eficiencia de Carnot

El mayor límite de eficiencia que pueden tener las células solares fotovoltaicas está dado por el límite de Carnot, el cual se calcula de acuerdo a las leyes termodinámicas y de conservación de la energía .
En la siguiente figura podemos ver un dispositivo típico de conversión de la energía solar en energía eléctrica el cual esta formado por una célula fotovoltaica o conversor fotovoltaico donde en su interacción con la luz proveniente del sol interactúa de acuerdo a lo que muestra la figura, donde:






Donde:


Es = Flujo de energía de la radiación solar proveniente del sol
Ts = Temperatura de la fotósfera del sol (6.000 ºK)
Ss = Flujo de Entropía que sale del sol (Donde Ss = Es/Ts)
W = Energía eléctrica generada por la célula fotovoltaica
Q = Calor generado en la célula y rechazado al medio ambiente
S = Flujo de Entropía que sale de la célula fotovoltaica hacia el medio ambiente
Ta = Temperatura ambiente (300 ºK)
Sg = Es un flujo de Entropía asociado al proceso de conversión de energía el cual nunca es negativo y generalmente es positivo o altamente positivo de acuerdo al tipo de conversor fotovoltaico que se utilise.




De acuerdo a la primera y a la segunda ley de la termodinámica, las ecuaciones de energía y de flujo de entropía en este dispositivo conversor son:

Es = W + Q

Ss + Sg = Q/Ta


Reemplazando Q en la ecuación no da:

Es  =  W  +  Ta  (Ss  +  Sg)


La ecuación de la eficiencia del dispositivo conversor es:

N  =  W / Es  =  (1 - Ta/Ts)   -   Ta Sg / Es


Cuando Sg es cero el la eficiencia de Carnot tiene un valor del 95%.

Lo que nos indica principalmente este valor de eficiencia de Carnot encontrado es que no podrá haber o existir ningún tipo de conversor o célula fotovoltaica que supere este valor de eficiencia en su funcionamiento, o sea, el valor máximo de eficiencia de conversión fotovoltaica que se puede esperar de una célula solar.


Eficiencia de Landsberg

En el caso del funcionamiento de la célula solar es un requisito indispensable que no se genere entropía durante la transmisión, absorción y conversión de la luz del sol en energía eléctrica, este requisito es muy difícil de satisfacer ya que en la etapa de transferencia de energía entre el sol y la célula, de acuerdo al análisis para el ciclo de Carnot se esta generando entropía, hecho que ocurre siempre en la transferencia de energía entre dos cuerpos ideales, salvo que los dos cuerpos tengan la misma temperatura (Este caso fue estudiado por Planck en 1959 y por De Vos y Pawels en 1983).
Este hecho de la generación de entropía durante la transmisión de energía desde el sol a la célula fue estudiado por Landsberg en 1980 y si bien nosotros no desarrollaremos como llegó a su resultado Landsberg indicó que la máxima eficiencia que pueda tener una célula fotovoltaica para que cumpla los requisitos mencionados es del 93,3%.


Este nuevo límite de Landsberg tampoco se considera como límite máximo de la eficiencia que puede tener una célula solar ya que se demostró que también existe una generación de entropía inevitable durante el proceso de absorción de la luz dentro de la célula fotovoltaica (Hecho estudiado por Pawels y De Vos en 1981 y por Martí y Araujo en 1996). Así que el límite máximo de eficiencia que tendrá una célula solar  también será menor a este valor de eficiencia máxima de Landsberg, pero igualmente se puede considerar que el límite real máximo de conversión fotovoltaica es muy cercano a este valor del límite de Landsberg.




Convertidores Solares Termofotovoltaicos


Los Convertidores Termofotovoltaicos (TPV) son dispositivos en los que una célula solar convierte la radiación emitida por un cuerpo caliente en electricidad.
Este emisor se puede calentar de distintas formas, ya sea por la combustión de un combustible convencional, o bien, como en el caso que nos interesa estudiar a nosotros por el aumento de temperatura que se produce en un cuerpo que esta expuesto a una irradiación de energía solar concentrada. Este cuerpo caliente al tener una alta temperatura emitirá una determinada radiación de luz en la que se trata de poner una célula fotovoltaica especialmente desarrollada para que transforme esta radiación que emite el cuerpo caliente en energía eléctrica.

Un esquema de cómo debe ser este tipo de dispositivos termofotovoltaicos se puede ver en la siguiente figura: 








Donde el cuerpo absorbedor de energía solar posee una superficie Ar y tiene que estar bajo un sistema de concentración solar que le permita aumentar su temperatura hasta unos 2.544 ºK (o bien unos 2.270 ºC aproximadamente) y una célula solar fotovoltaica monocromática que transforme la radiación que emite esta superficie caliente y que como muestra la figura deberá estar colocada en una cavidad espejada para que no haya pérdidas de la radiación del cuerpo caliente hasta la superficie de la célula solar y toda la radiación que emite este llegue hasta la célula solar.

En condiciones ideales, la máxima eficiencia de este tipo de conversores termofotovoltaicos es de 85,4% la cual se obtendría con una temperatura de la célula solar de 300 ºK (unos 27 ºC aproximadamente) y como dijimos con una temperatura del cuerpo absorvente de la radiación solar de 2.270 ºC.




Convertidores Solares Termoionicos


Otro concepto para la conversión de energía solar en energía eléctrica son los convertidores solares Termoionicos (TPH). Este tipo de dispositivos solares es similar a los conversores Termofotovoltaicos (TPV) pero en lugar de un cuerpo absorbedor de la luz solar se utiliza un diodo emisor de Luz o Led que trabaja a una temperatura menor que el caso anterior (alrededor de 1.000 ºC) por lo cual es mas fácil de llevar a la práctica ya que es muy difícil de conseguir un material que trabaje a las temperaturas requeridas por los TPV en buenas condiciones y sin que haya excesivas pérdidas de temperatura o cambios en el comportamiento o en las propiedades del material.

Un esquema de cómo debe ser este tipo de dispositivos termoiónicos se puede ver en la siguiente figura:







Como podemos ver el sistema es igual que en el caso del dispositivo TPV pero en este caso se cambia el cuerpo absorbedor de temperatura Ar por un diodo emisor de Luz Led.
Si este diodo emisor de luz (Led) trabaja o esta conectado en corto circuito, este dispositivo TPH se comporta exactamente igual que el dispositivo TPV, en cambio si nosotros le aplicamos un voltaje al led este cambiará sus propiedades y el calor propio del cuerpo del led (que esta absorbiendo la radiación solar por el sistema de concentración solar) se transformará en una luz monocromática que depende de las propiedades del semiconductor utilizado como led y luego esa luz monocromática emitida por este led es transformada en electricidad por una célula solar fotovoltaica que también debe ser monocromática para que el dispositivo tenga la máxima eficiencia y deberá estar alojada en una cavidad espejada como muestra la figura para que no se pierda la radiación emitida por el diodo.

Este tipo de convertidor solar tiene la misma eficiencia que el dispositivo TPV y es del orden del 85,4% pero el diodo emisor de luz deberá trabajar a unos 1.000 ºC la cual es considerablemente menor a la que requieren los convertidores TPV y como en su caso el Led puede ser calentado con radiación solar concentrada o por cualquier otra forma que genere calor como la combustión de combustibles fósiles tradicionales, pero como dijimos nuestro mayor interés es en su aplicación de convertidor de la energía solar en electricidad.





Células Multijuntura


Las células solares multijuntura son células solares que permiten obtener una alta eficiencia de conversión fotovoltaica. Las células solares convencionales de unión simple no tienen una alta eficiencia debido a las grandes pérdidas de energía solar por termalización de la luz solar, esto se debe a que no toda la energía que contienen los fotones de la luz solar se transforma en energía eléctrica, esto se debe a que los fotones de mayor energía que el gap del semiconductor de la célula fotovoltaica no transforman toda su energía eléctrica sino solamente la energía correspondiente a la del gap del semiconductor y el resto de la energía se transforma en calor dentro de la célula y además los fotones de menor energía del gap del semiconductor tampoco logran transformarse en energía eléctrica y se transforman también en calor dentro de la célula solar.
Para disminuir estás perdidas de energía mencionada lo que se trata de hacer en estas células multijuntura es poner distintos semiconductores con distintos gap de conversión fotovoltaica uno arriba de otro de manera que cada semiconductor transforme los fotones de energía solar mas cercanos a su gap de forma que no haya perdidas por termalización, ya sea por fotones de baja energía que no son aprovechados en la célula solar o por la perdida de energía que se produce en la transformación de los fotones de alta energía, ya que estos se transforman en electricidad en este tipo de células de multijuntura en un semiconductor de un gap parecido a la energía que tiene el fotón. Estas células solares se fabrican apilando los distintos semiconductores de distintos gap de modo que el de mayor gap quede arriba y los de menor gap vayan quedando abajo hasta que el último sea el de menor gap, así los fotones de mayor energía se transforman en corriente eléctrica en el primer semiconductor y los fotones de menor energía atraviesan este semiconductor sin transformarse en electricidad pero lo hacen en los semiconductores de mas abajo que tiene un gap menor al del primer semiconductor como se puede ver en la siguiente figura.



 

Esta figura muestra este tipos de células solares multijuntura donde se puede ver que en la parte superior se coloca el semiconductor con mayor gap que transforma en electricidad los fotones de mayor energía mientras que los fotones de menor energía que no son transformados por este semiconductor atraviesan el mismo hasta llegar a un semiconductor con un gap menor que transforma este fotón en energía eléctrica


Estas distintas células solares se conectan en serie de forma que la corriente eléctrica que atraviesa cada uno de ellos es la misma por lo tanto deben elegirse distintos semiconductores que apilados uno arriba de otro generen una corriente eléctrica similar cuando se exponen a la luz solar.
La principal aplicación de estas células solares debido a la altas eficiencia que se logran es para los satélites espaciales donde últimamente se están usando células triple unión con una eficiencia cercana al 35% para la radiación solar AM 0 que se encuentra en el espacio. Otra aplicación interesante que tiene estas células es utilizarlas en sistemas de generación de energía eléctrica a gran escala con sistemas de concentración del orden de los 1000 a 1, ya que si bien estás células solares tienen un costo de alrededor de los 10 u$s/cm2 en un sistema de concentración el costo total del sistema de generación resulta económico debido a la poca cantidad de célula solar que se necesita en el sistema. Hoy en día es mas barato usar paneles planos de silicio cristalino con sistemas de apoyo fijo que sistemas de concentración con sistema de seguimiento solar pero existen avances a nivel laboratorio que permitirían fabricar este tipo de células multijuntura a precios bajos y con alta eficiencia de modo de usarlas en los lugares donde ahora se usan los paneles solares cristalinos que se utilizan hoy en día y que tienen una eficiencia promedio del 16 al 20 % por este tipo de células multijuntura de puntos cuánticos de silicio que pueden tener eficiencias del orden del 40 al 60% para su uso en los distintos lugares de la superficie terrestre con la radiación solar estandard AM 1.5, lo cual se generaría mucha mas energía para la misma superficie utilizada, con un menor costo y con un rango de aplicaciones mayor ya que además de usarlas para generación de energía eléctrica para uso industrial o doméstico como se hace mayormente ahora también serían muy útiles para usarlas en los dispositivos que necesitas paneles solares de alta eficiencia como en los distintos sistemas de transporte como ferrocarriles, camiones, colectivos, automóviles, barcos y aviones entre otras aplicaciones en donde sea conveniente usar células solares de alta eficiencia.
La eficiencia máxima que se puede obtener en estás células solares es menor al límite de Landsberg del 93,3%, pero para un apilamiento infinito de células solares esta eficiencia llega a un máximo del 86,8% el cual es un muy buen valor de eficiencia de conversión fotovoltaica para la luz del sol con una concentración infinita o total en donde cuando la luz solar tiene una concentración muy alta o total algunos autores la nombran como Luz Solar Directa, en cambio a la luz del sol en la superficie de la tierra que se considera que tiene el espectro de radiación solar estandard AM 1.5 se le llama Luz Solar Global (o Difusa según el autor) la cual tiene un límite de eficiencia de conversión fotovoltaica máxima del 68,2%. Esta pérdida de eficiencia en las células solares sin concentración se debe a la recombinación radiativa que se produce en la célula solar en la superficie de la célula que esta de cara al sol, y que además las pérdidas de eficiencia de conversión fotovoltaica por este efecto tienen mayor influencia en las células solares que trabajan sin concentración que las que están bajo una alta concentración solar donde cuando la concentración se considera infinita o total estas perdidas se hacen mínimas. 



Tabla que muestra las diferentes eficiencias de las células fotovoltaicas Multijuntura o en Tandem que pueden tener de acuerdo a la cantidad de capas de semiconductores con distintos gap que se use. Como Luz Global (o Difusa) se llama a la luz solar del espectro estandard A:M 1.5 sin concentración y como Luz Directa cuando la luz del sol esta infinitamente concentrada.


En los casos donde tengamos una concentración parcial de la luz del sol y no infinita, la eficiencia total que tendrá esta célula solar será un valor intermedio a estos dos valores mencionados de eficiencia de conversión fotovoltaica, o sea, para un caso de una célula solar con un apilamiento infinito de células solares, será un valor superior al 68,2% pero inferior al 86,8%. La tabla mostrada anteriormente muestra los valores de eficiencia máxima que se pueden obtener en células multiunión de hasta 6 semiconductores distintos apilados con los valores de los gap que tiene que tener cada semiconductor para lograr esa eficiencia considerando como dijimos que estos semiconductores están conectados en serie y considerando las eficiencias para el uso de solo luz solar con máxima concentración o luz solar directa o luz solar sin concentración o luz solar Global (o Difusa).

Este tipo de de células solares de alta eficiencia son las que mayor avance tienen hasta el momento de los distintos tipos de células solares de alta eficiencia que hemos nombrado en este blog, y seguramente con los avances logrados a nivel de laboratorio en las células multiunión de puntos cuánticos de silicio serán uno de los tipos de células solares que mas se utilicen en el futuro debido a la gran eficiencia y al bajo costo de producción que prometen tener las mencionadas células solares de puntos cuánticos de silicio en el futuro próximo.




Células de banda intermedia


Las células de banda intermedia tienen la propiedad de que pueden aprovechar fotones con energía menor al gap del semiconductor, o sea, a la energía necesaria para realizar el salto del electrón de un nivel de energía a otro superior en el átomo. Esto es posible porque un electrón puede absorber uno de estos fotones de menor energía y pasar a un estado de mayor energía al anterior, llamado banda intermedia, luego si otro foton incidente le transmite la energía que le falta el electrón es liberado y pasa al nivel de energía necesario por el gap del conductor, generando entonces una corriente eléctrica. Mediante este mecanismo, es posible aprovechar fotones de baja energía, que se perderían en una célula convencional, para liberar electrones en dos pasos y generar así una corriente eléctrica en la célula solar.
El efecto de la banda intermedia fue descripto en 1997 por Antonio Luque y Antonio Martí, del Instituto de Energía Solar de España (IES), y si bien se han propuesto diversas alternativas para realizar una célula solar con estas características, se destaca la de la utilización de puntos cuánticos, que son estructuras de uno pocos nanómetros (un nanómetro es un millón de veces mas chico que un milímetro) que tienen esta propiedad de confinar electrones.
Uno de los principales resultados en este campo a sido la fabricación de células con banda intermedia utilizando como material de partida al Arseniuro de Galio (GaAs), y añadiendo a la estructura de capas una matriz de puntos cuánticos de Arseniuro de Indio (InAs). Lo mas relevante de dicho trabajo es que se consiguió medir por primera vez una corriente eléctrica suministrada por una célula de banda intermedia iluminada con luz infrarroja, cuyos fotones de baja energía no pueden ser absorbidos por una célula convencional; lo que constituye la primera demostración experimental concluyente del efecto de la banda intermedia y abre el camino a futuros desarrollos en este campo aunque todavía no existen este tipo de células solares a nivel comercial, pero si se ve como una alternativa interesante de tipo de célula solar ya que permite aprovechar los fotones de baja energía que en otro tipo de células solares aveces es muy difícil de conseguirlo.




Células de aprovechamiento de los fotones de alta energía


Las células actuales tienen el inconveniente de no poder aprovechar el exceso de energía de la luz muy energética, como la de la radiación ultravioleta. En efecto un dispositivo solar se observa que cada fotón solo libera un electrón, aunque tenga energía suficiente para liberar varios electrones. El exceso de energía se pierde en forma de calor, que contribuye a degradar la eficiencia de la célula. Sin embargo, es posible aprovechar mejor estos fotones con la utilización de puntos cuánticos de un tamaño de solo 8 nanómetros, donde experiencias realizadas este año han logrado conseguir generar 7 electrones por cada fotón incidente de alta energía.
Ademas, las últimas investigaciones parecen confirmar que la generación multiple es posible en puntos cuánticos de diferentes materiales, y que, por lo tanto, esta propiedad esta fundamentada en las propiedades de los nanoelementos y no de los materiales utilizados concretamente.
Es importante destacar que a pesar de los grandes avances realizados en este contexto, todavía es muy difícil que se logren dispositivos comerciales en un corto plazo, ya que no es posible todavía fabricar células reales donde el efecto de generación múltiple produzca resultados significativos ni tampoco conseguirlos a precios competitivos, dada la necesidad de seguir profundizando la física que rige estos nuevos conceptos y de desarrollar nuevos materiales y tecnologías de fabricación.




21 de julio de 2018

Clasificación de las energías


Clasificación de las energías según su estado natural




Calsificación de las energías según su fuente y su fin.


 
Fuentes consultadas:

Libro: "Energías Renovables", Autor: Mario Ortega Rodríguez, Editorial: Parainfo, 2003.

19 de julio de 2018

Energia solar térmica

Radiación Solar. Efecto invernadero.

El sol está compuesto en un 90% de hidrógeno, un 7% de helio y un 3% del resto de elementos químicos. La energía se genera en el sol en un proceso nuclear de fusión por el que el hidrógeno solar se transforma en helio; esta energía se manifiesta primero en forma de rayos gamma, esta radiación gamma viaja hasta la superficie del sol interaccionando con la materia solar y transformandose en radiación ultravioleta (UV), radiación visible (V) y radiación infrarroja (IR). El sol emite al espacio exterior energía en forma de radiación electromagnetica. La radiación electromagnética es una forma de energía que no requiere medio material para desplazarse.
En el límite entre la atmósfera de la tierra y el espacio vacío la radiación solar es de 1.353 watios por metro cuadrado [W/m^2]. Este valor se llama constante solar, y supone un valor medio para toda la superficien que contiene a la atmósfera terrestre. Sin embargo la energía que llega a la superficie terrestre es menor debido a la interacción de los componentes de la atmósfera con la radiación solar. Primeramente la capa de ozono absorve radiación UV funcionando como una pantalla de radiaciones perjudiaciales para la vida terrestre. Tambien, parte de la radiación es reflejada de nuevo al espacio, y otra se atenúa en su choque con partículas y moléculas atmosféricas. Por término medio, en toda la superficie terrestre, la intensidad que llega es de unos 900 [W/m^2], de los que un 3% son UV, un 57% son V y un 40% IR.
La radiación global que llega a un punto sobre la superficie terrestre tiene tres componentes, la directa, la difusa y la reflejada. La radiación directa es la que llega sin interaccionar con nada y sin cambiosde dirección; es la más importante en un día soleado. La radiación difusa es producto de los choques de la radiación directa con las partículas y los componentes atmosféricos; es la radiación típica de los días nublados. La radiación reflejada , también llamada albedo, es la que llega procedente de la reflexión de la radiación directa en los elementos del entorno; cerca del mar o en las zonas con nieve esta componente cobra una enorme importancia.

La mayoría de los sistemas de captación de la energía de la radiación solar se basan en el efecto invernadero. El efecto invernadero es el fenómeno físico basado en lo siguiente:
La radiación solar visible que atraviesa una superficie transparente o translúcida, se invierte en elevar la temperatura del elemento situado al otro lado de la misma. Cuando un cuerpo eleva su temperatura por encima de la temperatura de su entorno, emite calor en forma de radiación infrarroja IR. Los materiales transparentes a la radiación visible, vidrios o pláticos, son muy poco transparentes a la radiación infrarroja. Es por este motivo por lo que podemos construir una trampa de calor situando una superficie negra en el interior de una caja cerrada, de manera que una de sus caras esté cubierta por un cristal o plástico transparente a la radiaci´n visible. Ver siguiente figura.

Colectores Solares.

Se define colector solar a los dispositivos que absorben la radiación solar incidente sobre él y transfieren la energía a un fluido que circula a través del mismo.
Existe una gran variedad de colectores solares, dependiendo su elección de la aplicación a que se destinan, su eficiencia y el costo de los materiales que están fabricados.
Normalmente los colectores solares son clasificados según el grado de concentración de la energía solar captada. Para los colectores solares térmicos suele definirse el grado de concentración, en base a las caracteristicas geométricas de acuerdo a la relación siguiente:
I = Ac / Ar
Donde:
I: Índice o grado de concentración.
Ac: Área de captación del colector (m^2).
Ar: Área de recepción del colector (m^2).
Puede tambien definirse como la relación entre la intensidad del sol y la que se hace incidir sobre el receptor. De esa manera, en la práctica, teniendo en cuenta los índices de concentración, pueden clasificarse los clectores solares en dos grandes grupos:
  • Colectores planos (índice de concentracion I = 1)
  • Colectores de concentración ( índices I > 1)

Colectores planos para agua caliente de baja temperatura.

El colector plano consiste en la captación solar sobre un panel que presenta una superficie absorbente a las radiaciones solares. En el panel se calienta agua, aire u otro fluido utilizado como transportador de calor. El grado de concentración solar I en este caso es la unidad, dado que la superficie de captación y absorción es prácticamente la misma.
El colector plano para agua caliente es el colector más utilizado en la práctica, y se destina para la provisión de agua caliente para el consumo domiciliario o calefacción, consta de las siguientes partes (ver figura 1 y 2):
  1. Cubierta transparente
  2. Placa de fondo o lámina negra (de metal negro)
  3. Tubos de metal (hierro galvanizado o cobre)
  4. Colector de metal
  5. Caja
  6. Aislante térmico

En la figura 2 se muestra un corte del colector plano que está constituido por una caja de hierro galvanizado hermética, en cuya cara superior se encuentra una cubierta transparente de vidrio. En su interior contiene una chapa absorbente que está unida a las tuberías de hierro galvanizado o de cobre. La parte inferior está constituida por una capa aislante de lana de vidrio, mineral, u otros materiales; a fin de impedir la pérdida de calor hacia abajo.

Cubierta Transparente.

Su función es permitir el paso de los rayos solares que inciden sobre la placa del colector y al mismo tiempo producir el efecto invernadero. Es así que al elevarse la temperatura de la placa, ésta transmite su calor por contacto directo a los tubos conductores del agua, los que a su vez calientan el agua que contienen.
No todo el calor absorbido es utilizado, dado que la placa emite a su vez calor por radiación, al calentarse dentro de la banda infrarroja. Sin embargo, como la cubierta de vidrio no es transparente a este tipo de radiaiones, evita de esta manera que parte del calor atrapado vuelva a escapar a la atmósfera.

Placa de Fondo o Lámina Negra.

Es el elemento que recibe los rayos solares y permite aumentar la superficie de captación, pues el área neta de los tubos por los que circula el agua es insuficientepara lograr el calentamiento por efecto solar. De esa manera, se adosa a los caños dicha lámina, que lleva integrado un proceso de pintura o un tratamiento de ennegrecimiento, denominada "superficie selectiva".
La superficie o tratamiento selectivo tiene la propiedad de tener una alta absorcion a la energía emitida por el sol y una baja emisividad. Esta capa puede realizarse, por ejemplo, oxidando la superficie de la placa o la lámina, haciéndola opaca y negruzca. El material de la placa debe ser muy buen conductor del calor, pudiendose utilizar chapa negra o galvanizada, aluminio, cobre u otros materiales.

Tubos.

Por los tubos circula el agua, la cual se calienta por el contacto con la pared de los mismos, siendo muy importante que estén construidos por un material que sea buen conductor térmico, como por ejemplo hierro galvanizado o mejor cobre, bronce, latón, aluminio, u otro material.
Es fundamental que la superficie de contacto de estos tubos con la lámina de captación sa lo más eficiente posible, para una ejor transferencia del calor.

Aislante Térmico.

Este componente del colector sirve para evitar las fugas de calor por la parte inferior del mismo por conducción. El aislamiento utilizado debe ser adecuado para soportar altas temperaturas, pudiendo aplicarse fibras de vidrio, lana mineral, u tros aislantes.

Caja.

Consiste en el armazón que contiene los elementos integrantes del colector solar, protegiéndolos de las inclemencias del tiempo. Deben ser herméticas y estar construidos de modo que tengan una resistencia mecánica adecuada, pudiendo utilizarse, chapa de hierro galvanizado, aluminio, plastico, etc.
La hermeticidad del colector es un aspecto muy importante, dado los problemas que se han presentado en la práctica, como ser la acumulación de suciedad dentro del mismo, especialmente en la parte interior de la cubierta transparente.
Los colectores se fabrican en diversas medidas, siendo la mas usual de 2 X 1 Metros, y se colocan fijos sobre armaduras de sustentación. Según la necesidad ed calor requerido, puede ser necesaria la utilización de varios colectores los cuals se unen unos con otros hasta lograr la superficie de captación requerida.

Otros tipos de colectores solares de baja temperatura.

En general los colectores planos descriptos anteriormente tienen una pérdida de calor importante dado que si bien el vidrio no deja escapar el calor en forma de radiación infrarroja, aumenta su temperatura por efecto del aire caliente por convección, transmitiendo el calor al exterior por conducción y convección, cuando la temperatura es más baja.
Estas pérdidas pueden ser importantes en climas fríos, por lo que en muchos casos se recurre a colocar 2 ó 3 vidrios para reducirlas.
Sin embargo, si bien se han introducido una serie de mejoras tendientes a aumentar la eficiencia térmica de los colectores planos, su aplicación está destinada a la producción de agua caliente para el consumo domiciliario o eventualmente a instalaciones de calefacción, que requieren temperaturas de trabajo de 70 a 80 ºC o menores.






Un tipo de colector solar que se a popularizado mucho estos últimos años es el colector de tubos de vacío como se ve en la figura de arriba, donde como podemos ver en las figuras siguientes los tubos de vacío son de un doble vidrio templado con vacío en el medio del doble vidrio y pintado en su interior con una pintura selectiva de absorción solar lo que hace que este sistema tenga un muy buen rendimiento térmico aun en bajas temperaturas como el invierno. Como desventaja se puede decir que los tubos so un poco frágiles y deben ser protegidos con alguna malla o cubierta en zonas que existe posibilidades de tener mucho granizo. Este tipo de equipos es de sencilla construcción y el movimiento de agua se hace por el efecto de termosifón donde el agua sube a medida que se calienta por el interior del mismo tubo de vacío.













En estos tubos de vacío la radiación solar penetra por el tubo de vidrio y llega hasta la pintura selectiva en la parte interior del tubo donde es absorvida y transformada en calor, aumentando la temperatura del agua que circula por dentro de los tubos, además como la pintura es del tipo selectiva como dijimos no irradia calor hacia el exterior y como existe vacío entre los dos tubos de vidrio el calor no se conduce hasta el exterior y hay muy pocas pérdidas de temperatura por el tubo por esto este tipo de colectores tiene una muy buena eficiencia térmica.



Colectores de concentración para fluidos a altas temperaturas.

En estos tipos de clectores se utilizan espejos que concentran la radiación solar sobre un foco determinado a través de una linea denominada eje focal, donde se ubica el receptor.
El colector de concentración consta de tres partes básicas:
  1. Reflector y/o lentes.
  2. Substancia de absorción.
  3. Estructura de alojamiento y soporte.

El índice de concentración varía según las características constructivas, desde valores muy pequeños del orden de 2 con sistemas concentradores muy simples, hasta valores de 1000 o más, en sistemas sofisticados. En general. Estos tipos de colectores suelen instalarse con sistemas automáticos de seguimiento solar de gran precisión, demdiante servomecanismos.
Se pueden mencionar los siguientes colectores de concentración:
  • Colector lineal
  • Colector puntual
Colector Lineal

Un colector de concentración lineal está formado básicamente por un cilindro parabólico en forma de espejo y un tubo ubicado en el foco de la parábola, por el cual circula el fluido a calentar, como se indica en las siguientes figuras.












En la primer figura se detalla la característica de montaje de un colector de concentración lineal. El índice de concentración varía de 15 a 50 y la temperatura que puede alcanzar el fluido se sitúa entre los 500 y 600 ºC, dependiendo de la configuración del sistema.
El eje de este colector se monta en la dirección norte-sur, pudiendo efectuarse un seguimiento de la altura solar mediante el movimiento de la superficie reflectora, o eventualmente mediante el desplazamiento del eje focal a través de un sistema de servomecanismo automático.
De esa manera, mediante la parábola reflectora, los rayos solares se concentran sobre la línea focal, calentando el fluido térmico que generalmente es aceite que circula por el interior del tubo receptor central que se puede ver en la figura de arriba de la derecha. Este tipo de receptor central esta construido con un alto vacío y una pintura selectiva que tiene la absorción del 97% de un cuerpo negro ideal y la emisión de radiación del 6 al 7 % del cuerpo negro ideal casi 
igualando la radiación emitida por un cuerpo blanco ideal a dicha temperatura, lo que hace que tenga un alto grado de captación de la energía solar y así poder llegar a las altas temperaturas que llega.

Colector Puntual

El colector de concentración puntual, presenta un índice de concentración mucho mayor que las anteriores, alcanzando índices de concentración de más de 500. Este colector está basado en una superficie de revolución reflectora que concentra la radiación solar sobre un punto focal en la cual se encuentra una pequeña caldera formada por varios tubos concéntricos.

Por ellos circula el fluido térmico que generalmente es aceite especial, que alcanza temperaturas superiores a los 1.000 ºC. En la figura 3 se señalanlas características de este tipo de colector, en forma esquemática. La operación correcta de este tipo de colectores depende en gran medida del estado de mantenimiento de las superficies reflñectoras y del mecanismo de rastreo, especialmente en zonas de alta contaminación atmosférica. Por esto, resulta más adecuado para regiones con cielos limpios y despejados, en donde la mayor parte de la radiación es directa.
Las elevadas temperaturas que pueden obtenerse permiten usar satisfactoriamente este tipo de colectores en sistemas solares de frío y climatización.


Posición del colector solar

Para obtener el mayor rendimiento del colector solar, es necesario que tenga una dirección que vaya siguiendo la trayectoria del sol durante el día. Sin embargo en la mayoria de las instalacione simples, la ubicación del colector es fija, por lo que debe dotarse a su emplazamiento de determinadas características que hacen a dos aspectos básicos:
  • Orientación
  • Inclinación

Orientación

La orientación óptima del colector es que su superficie de captación este dirigida hacia el norte (en el hemisferio sur), dado que permite aprovechar el mayor número de horas del sol, independientemente de la estación del año y de la latitud de emplazamiento.
En aquellos casos en que esa colocación no sea posible por condiciones constructivas como obstrucciones, sombras, etc. Debe orientarse tratando de asegurar el mayor número de horas de sol. Para ello debe buscarse no desviarse de la orientación norte mas de 20º

Inclinación del colector

La inclinación del colector es aquella que se asegura la mayor captación de energía solar, lo que depende de dos factores:
  1. Latitud del lugar de emplazamiento.
  2. Período de utilización durante el año.

El cálculo exacto es muy largo, por lo queen la práctica se recurre a establecer la inclinación del clector en función de las siguientes reglas, que permiten determinar con suficiente aproximadación, de acuerdo al período de uso:
  • Para el período de verano, eñ ángulo de inclinación debe ser igual a la latitud del lugar menos 20º.
  • Para el período de invierno, el ángulo de inclinación será igual a la latitud del lugar más 10º.
  • Para el uso del colector durante todo el año, la inclinación será igual a 0,9 de la latitud del lugar.

Por ejemplo, para la ciudad de Buenos Aires, con 35º de latitud sur, corresponden las siguientes inclinaciones, según los períodos de aplicación a que están destinados los colectores.
  • Verano: Para refrigeración solar: 35º - 20º = 15º
  • Invierno: Para procvisión de agua caliente de uso domiciliario o calefacción: 35º + 10º = 45º
  • Todo el año: 0,9 x 35º = 31,5º

En la siguiente figura se detalla lo indicado precedentemente.


Equipo integral de calentamiento de agua solar

A fin de reducir costos, espacios y simplificar notablemente el montaje, se fabrican equipos para producción de agua caliente integrales, en los que el tanque de acumulación viene directamente incorporado al colector. En estos sistemas la circulación es por termosifón, ubicándose el tanque de almacenamiento en la parte superior del equipo, tal como se muestra en la siguiente figura:

Estos equipos ya vienen, incluso, con una resistencia eléctrica de inmersión adicional para el caso de no contarse con el suministro de calor solar, en períodos excepcionales.

En la segunda figura se detalla la forma de montaje en el caso de instalarse sobre un techo de tejas con pendiente.


Captación de energía de distintos tipos de colectores solares durante el año
 


 
Fuentes consultadas:

Libro: "Energía Solar", Autor: Nestor Quadri, Editorial: Librearía y Editorial Alsina, 3º Edición, 2003.

Libro: "Energías Renovables", Autor: Mario Ortega Rodríguez, Editorial: Parainfo, 2003. 

18 de julio de 2018

Energía solar bioclimática

Concepto de arquitectura bioclimática


Se llama arquitectura bioclimática o pasiva a aquella que tiene en cuenta el clima en el que está inmersa, y utiliza estrategias clásicas o modernas para mantener en el interior de las edificaciones una condiciones de confort térmico y de luminosidad lo más libres posible de los avatares exteriores, sin el uso de tecnología o mecanismos complejos. Más restrictivamente, la arquitectura solar pasiva, o los elementos solares pasivos de la arquitectura, serían aquéllos en los que no intervienen energías convencionales en la función de adecuación y control de las condiciones de confort. De un modo amplio, la arquitectura bioclimatica también debe tener en cuenta el coste ecológico de los materiales que usa, la defensacontra la contaminación acústica y electromagnética, el uso de tecnologías renovables activas, y la implementación de sistemas de ahorro y recuèración de agua.
El concepto se basa en el empleo de un adecuado diseño de la edificación, asi como una apropiada utilización de materiales y sistemas constructivos. Para ello debe realizarse un estudio de muchos aspectos y factores climáticos como ser:
  • Latitud y altitud de la zona de emplazamiento.
  • Duración e intensidad de la redación solar.
  • Temperatura del aire exterior y su variabilidad.
  • Humedad relativa.
  • Precipitación pluvial.
  • Intensidad, frecuencia y dirección del viento.
  • Grado de nubosidad y frecuencia.
Las puatas de diseño para captar o evitar los factores climaticos según nuestra conveniencia puede hacerse aprovechando:
  • La orientación de la edificación y de las superficies expuestas.
  • La relación entre superficie exterior y volumen interior (factor de forma).
  • El color de los recubrimientos de superficie.
  • El tamaño, ubicación, orientación y tipo de las ventanas.
  • Los acristalamientos adosados tipo invernadero.
  • El tipo, colocación y uso de persianas y cortinas.
  • Los sistemas de penetración de luz y control lumínico.
  • El uso de sistemas de sombreo fijos o móviles: aleros, toldos, pérgolas, etc.
  • La distribución interior.
  • Los huecos o patios interiores.
  • La colocación y el tipo de vegetación en el exterior y en los patios.
  • El uso del agua en fuentes y estanques.
  • El espesor de los aislamientos y materiales de construcción de cerramientos
  • xteriores y su posición relativa.
  • El establecimiento de rejillas y huecos para el control de ventilación.
  • El diseño de la trama y elementos urbanos.
  • Los diseños especificos para captación de calor, refrigeración, ventilación iluminación, etc.
El 30 % de la energía consumida a nivel mundial se invierte en las edificaciones. Por ejemplo en España sólo con modificaciones en la legislación relativas a los aislamientos, a la introducción de factores de ganancia solar por orientación, y a la calidad energética de los edificios, se producirían ahorros superiores al 15 % sobre el total consumido en calefacción y refrigeración. Ecoetiquetas y certificaciones energéticas son actuaciones necesarias que debieran condicionar las ayudas publicas y privadas a la construcción de viviendas.



Estrategias para la climatización de ambientes

Dos enfoques resolutivos, y no excluyentes, permiten mantener temperaturas más elevadas en el interior de las construcciones. Uno es la implantación de sistemas de penetración, captación y acumulación de la energía de la radiación solar. Técnicas clásicas y modernas nos permiten enfocar el problema de la captación de energía. A continuación se exponen algunas soluciones que hay que considerar como esquemas de actuación a la hora del diseño de un edificio.
La siguiente figura muetra como son las trayectorias del sol durante el invierno y el verano, de acuerdo a esta caracteristica es la forma en que se proyectan los sistemas de calefacción en ivierno o ventilacion y refrescamiento en verano.

Variación de la altura del sol en verano e invierno
Sistema de calefacción en invierno
Sistema de captación solar aprovechando las alturas del sol
Se observa en la anterior figura cómo con la altura del sol y un adecuado aventanamiento se puede captar calor solar en invierno y proteger en el verano de su penetracion en el local.
La captación pasiva es una técnica simple y tiene un costo muy bajo, debido a que dotar a un edificio de estos sistemas supone una inversión adicional muy baja o incluso nula cuando se trata de proyectar con una orientación adecuada o ubicar convenientemente las superficies vidriadas. Por otra parte los materiales utilizados para esta tecnología son los convencionales en la industria de la construcción.

Sistemas indirectos de captación solar. Muro Trombe.

En estos casos la energía solar se capta y almacena en un elemento perimetral al ambiente, que tiene una importante masa térmica, cediéndose el calor con un cierto retardo por convección y radiación.
El método más conocido de captación indirecta es el muro Trombe. La energía solar pasa a través del vidrio y calienta el muro que puede ser de mampostería, hormigon o incluso agua.


Muro Trombe

El muro absorbe el calor y se calienta emitiendo a su vez calor por radiación, pero por efecto invernadero el mismo queda atrapado debido a que el vidrio no lo deja escapar.
El muro calienta el aire y éste por convección al estar a mayor temperatura se hace más liviano y asciende según se ve en la figura, produciéndose de esa manera una circulación permanente y constante del mismo en el local.
Por otra parte como el muro se calienta, transmite parte del calor por conducción al local, cediéndolo por convección y radiación, durante la noche, siendo conveniente cerrar la compuerta al aire.
El muro Trombe puede complementarse en la época de verano, cambiando la dirección del flujo de aire caliente y enviándolo hacia el exterior lograndose de esa manera una correcta ventilación del lugar.
En general el muro se construye en hormigon de 30 o 40 cm de espesor.
La experiencia práctica demuestra que para un muro de 35 cm de hormigón, si en invierno recibe una adecuada acción solar en el día, se obtiene una corriente de aire caliente que se mantiene prácticamente hasta la medianoche.
El local debe tener una adecuada aislación de modo poder mantener el calor sin demasiadas pérdidas. Si el local se encuentra muy bien aislado, puede adoptarse como norma práctica de diseño una superficie de muro colector en m2 igual a la décima parte del volumen del local a calentar en m3.
El almacenamiento térmico logrado por este método es sólo por corto plazo, como maximo un día, por lo que debe contarse siempre con una energía complementaria ya sea mediante otros sistemas captadores activos o eventualmente los equipos convencionales.

Sistema de ventilación y refrescamiento en verano




A veces la sensación de calor se debe al exceso de humedad en el ambiente. La ventilación con aire de renovación exterior contribuye a la disminución de la humedad relativa que causa la sensación de disconfort. La renovación del aire produce una sensación de refrigeración al aumentar la evaporación del cuerpo humano. Las aperturas se debe hacer de modo de favorecer la ventilación cruzada, siendo la apertura inferior en las paredes sur y las superiores en las paredes norte; Cuando hay un claro viento predominante las aperturas deben instalarse a barlovento y sotavento.
La cimenea solar como se muestra en la anterior figura crea un tiro natural que extrae el aire del interior de la vivienda. Esto se consigue creando un espacio acristalado en fachada o cubierta donde se produce el efecto invernadero.

Sistemas mixtos de calefacción y refrescamiento





En la figura se muestra un corte de un edificio que se climatiza mediante un techo de vidrio que actua como colector, utilizando un jardín de invierno para la calefacción. El lecho de piedra se utiliza para aumentar la inercia témrica entre las horas de captación de calor y la noche.
En verano el sistema funciona como ventilación utilizando para ello un tiraje natural, Para mejorar la circulación del aire en verano se puede adicionar un ventilador en la entrada inferior de la casa.




Construcciones para mejorar la producción de energía solar en sus techos


En las siguientes imágenes y videos se muestran distintas construcciones como casas o galpones industriales construidos para aprovechar de mejor la energía solar desde el punto de vista de la generación de energía solar térmica o fotovoltaica, construyendo el techo de manera de ampliar la captación de energía solar por parte de paneles solares para lograr el autoabastecimiento energético de la casa o de la industria.
Como se puede ver en el siguiente esquema y en el siguiente video las casas tienen un techo en forma de diente de sierra donde la parte que da al norte (si estamos en Argentina) tiene una inclinación mas suave tirando a ser horizontal para ampliar la superficie de captación de la energía solar y la parte que da al sur tiene una inclinación mas pronunciada, tirando a ser vertical para minimizar la superficie no utilizada para la generación de energía solar.






Esquema de la forma del techo de una casa para mejorar la producción de energía solar








Foto que muestra el techo de una fábrica construido en forma de diente de sierra para aumentar la superficie del techo expuesto al sol para mejorar la generación de energía solar para utilizar en la misma industria.






Fuentes consultadas:

Libro: "Energía Solar", Autor: Nestor Quadri, Editorial: Librearía y Editorial Alsina, 3º Edición, 2003.

Libro: "Energías Renovables", Autor: Mario Ortega Rodríguez, Editorial: Parainfo, 2003. 

17 de julio de 2018

Vidrios fotovoltaicos en invernaderos

Células de silicio de lámina delgada para vidrios fotovoltaicos

El costo de las células fotovoltaicas depende de los tratamientos que requiere el material semiconductor de base, especialmente en producciones a gran escala, por lo que se presta gran interés al estudio y desarrollo de células más delgadas.
Las capas delgadas de silicio amorfo se caracterizan por la alta concentración de defectos.
El silicio cristalino es una estructura reticulada típica de un cristal, mientras que la estructura amorfa es muy irregular, aumentando con ello la posibilidad de absorción de luz debido a la mayor interacción de los fotones.
La estructura amorfa aumenta considerablemente la posibilidad de absorción de luz y de salto de un electrón hasta la banda de conducción.
Se utiliza como método de elaboración, la deposición de capas muy delgadas de silicio, sobre superficies de vidrio o metal.
De esa manera, pueden fabricarse en capa fina para semiconductores de 0,5 micrones frente a los 300 del silicio cristalino, por lo que tiende a reducirse los costos.
Tienen algunos inconvenientes sin embargo, como por ejemplo, se han detectado en algunos casos degradaciones en periodos largos y por otra parte son de difícil reproductividad.
Se están desarrollando otras aleaciones y nuevos materiales, que son más complicados química y estructuralmente, pero si se elaboran con una tecnología poco costosa a gran escala, pueden constituir un avance importante en el desarrollo de la tecnología fotovltaica.



Flores bajo un panel fotovoltaico de lámina delgada de silicio amorfo.


Como se puede ver en la figura anterior el panel fotovoltaico es translucido a ciertas longuitudes de ondas que no son absorvidas por el efecto fotovoltaico. Una transparencia exacta a los rayos que se necesitan en la fotosíntesis y el aprovechamiento de la energía de los restantes rayos solares para su conversión fotovoltaica puede ser muy útil en su aplicación conjunta para la producción de electricidad y agropecuaria en una misma superficie. La radiación solar que absorbe una planta corresponde a longitudes de onda entre 400 a 500 nm y 600 a 700 nm que corresponde aprox el 40 % de la energía solar irradiada, quedando cerca del 60% de la energía de la radiación solar sin usar por las mismas. Seguramente ésta aplicación es una opción productiva muy interesante a futuro.


Distribución espectral de la radiación solar

La radiación electromagnética que emite el sol, como muestra la figura mas abajo, es similar a la radiación electromagnética que emitiría un cuerpo negro en forma ideal a 6000 ºK. En la figura se puede apreciar el diagrama en color negro de la distribución espectral de dicha radiación, si bien, entre la superficie del sol donde se emiten los rayos solares y la superficie de la tierra no hay grandes absorvedores de dicha radiación la radiación que está en tropopausea terrestre, o sea, en el límite entre la atmosfera y la estratósfera donde gran parte de los rayos ultravioletas son absorvidos por la capa ozono de la estratósfera, la radiación solar en dicha superficie es como lo muetra el diagrama rojo de la figura, luego cuando la radición atraviesa la atmósfera una parte importante de dicha radiación (entre el 20 y 30%) es absorvida y reflejada por las partículas de humedad que forman la atmósfera no llegando totalmente a la superficie terrestre, sino, llega la radiación como lo demuestra el diagrama espectral en color celeste de la figura mencionada. En el diagrama también se pueden ver los límites correspondientes a la radiación ultravioleta, marcados como UV, la de la radiación visible, marcado como VIS, y de la radiación infrarroja, marcado como IR.
La energía solar que se irradia sobre la superficie terrestre corresponde a una energía de 1000 W/m2 aproximadamente para un dia de verano al mediodía, valor que se toma generalmente como valor pico o máximo de producción de los paneles solares.
También se puede ver en el diagrama que una parte importante de la radiación solar que llega hasta la tierra está compuesta por radiación infrarroja que es la radiación mas difícil de convertir a energía eléctrica ya que sus fotones tienen menos energía y es mas difícil de convertirla en energía eléctrica a través de las células solares fotovoltaicas convencionales.




Longuitudes de onda absorvidas por la fotosíntesis

Como dijimos las longitudes de onda absorbidas por la clorofila están entre los 400 a 500 nm y 600 a 700 nm y corresponden el 40 % de la energía solar que llega hasta la tierra aproximadamente, en el siguiente gráfico se puede ver el diagrama espectroscópico de absorción de luz de la clorofila donde muestra esta situación. Como se ve en el rango ultravioleta, verde e infrarrojo la clorofila no utiliza dichas longuitudes de onda para transformarla en energía química en la planta, por lo tanto, no es aprovechada por las mismas para su funcionamiento y puede ser utilizada por los vidrios fotovoltaicos para generar electricidad sin generar disminución en la producción agropecuaria que se realice bajo estos invernáculos, y así poder aprovechar la energía que no utiliza las plantas para convertirlas en energía eléctrica, lo que corresponde a un 60% de la energía solar que irradia sobre las plantas, el cual sería el máximo porcentaje teórico obtenible por una célula solar en un invernadero ya que luego hay que descontar las perdidas por la eficiencia propia de la célula fotovoltaica que se utilice para aprovechar este 60% de energía solar disponible sobre el total de la energía de la luz solar que irradia sobre el invernáculo.




Aprovechamiento del agua de evapotranspiración de las plantas en el invernáculo

Una forma de disminuir la necesidad de agua de riego en los invernaderos es aprovechar el agua de evapotranspiración de las plantas y volverlas a convertir en agua de riego, con lo que se podría disminuir de gran manera el agua consumida por el cultivo en su crecimiento, metodo que es utilizado cada vez mas en zonas áridas o semiáridas donde el agua de riego es difícil de obtener.
Para esto lo que se hace es utilizar un invernáculo hermético por el que no haya fugas de la humedad interior del invernáculo durante el dia y por la noche cuando la temperatura atmosférica baja, la humedad del interior del invernáculo se condensa y se convierte en agua que sirve para regar el cultivo al dia siguiente sin la necesidad de agregar grandes cantidades de agua para su posterior riego. Cabe destacar que la humedad que se mantiene en el interior del invernáculo en este caso también sirve para mantener la temperatura en el interior del invernadero durante la noche en regiones frías, ya que gran parte del calor que pierde el invernáculo es calor latente de evaporación del agua condensada.
Este método es muy interesante a futuro ya que si se utilizan vidrios fotovoltaicos para generar energía eléctrica en los invernaderos y así producir en una misma superficie energía eléctrica y productos agropecuarios, es muy fácil hacer que dicho invernadero también sea hermético y poder disminuir el agua de riego necesario en los cultivos de dichos invernaderos.
Una forma de lograr hermeticidad en los invernaderos es hacerlo en forma de pequeños túneles como muestran las siguientes figuras, ya que en este caso se puede sellar bien la cobertura del polietileno logrando una buena hermeticidad del interior del invernáculo la cual se va haciendo mas difícil de lograr hoy en dia cuando las dimensiones y las formas se hacen cada vez mas grandes.




15 de julio de 2018

Aviones a energía solar


Aviones a energía solar ya construidos Tripulados


1) Solar Challenger


El Solar Challenger es la mejora del “Gossmer Penguin”, diseñado por la empresa Aero Vironment y patrocinado por la empresa Dupont Corporation de EE.UU.. Tenía una envergadura de 14.3 metros y un peso de 90 kg y 16.128 células fotovoltaicas que cubrieron los alas, con una potencia total de 2.600 Wats. El Solar Challenger era capaz de alcanzar una altitud de 3.660 m, y en julio de 1981 la aeronave fue el primer avión solar en recorrer la distancia 262 km desde París a Manston en el Reino Unido y cruzar el canal de la mancha solamente usando energía solar.
El éxito del Solar Challenger provocó un interés creciente en el gobierno de EE.UU. respecto del vuelo solar y la financiación en investigación de aviones teledirigidos a energía solar para vuelos largos y a gran altitud. Debido a esto, la empresa AeroVironment empezó con el proyecto de HALSOL, que era un avión solar para volar a gran altitud, y fue iniciado en junio 1983. HALSOL era un ala voladora simple, de 30 metros de envergadura. El ala principal estaba hecho de lo fibra de carbono y Kevlar cubierto por una película de plástico de Mylar fino que lo hacía claro y muy liviano. El desarrollo del HALSOL fue hecho en secreto y nueve vuelos de HALSOL tuvieron lugar en el verano de 1983 en la base aérea de Lago, en Nevada (donde también el legendario bombardero invisible de F-117 fue evaluado y entró en servicio el mismo año). Los vuelos del HALSOL fueron dirigidos usando control remoto y baterías, dado que la aeronave no había sido equipada con células solares todavía. La aerodinámica de HALSOL fue revalidada, pero las pruebas resultaron en la conclusión de que la tecnología fotovoltaica no estaba lo suficientemente madura en ese momento.


1) Sunseeker

El avión solar Sunseeker fue realizado por el piloto y campeón de planeadores Eric Raymond .
Después de diseñar y desarrollar sus propios planeadores, fue invitado a pilotear la aeronave propulsada por la fuerza del hombre con pedales Musculair II diseñada y desarrollada por Gunther Rochelt.
Eric Raymond luego de volar la nave a energía muscular se dio cuenta de que con placas solares sobre las alas, podía tener más de diez veces la potencia que tenía con los pedales.
Con el estímulo de Klaus Savier y Gunther Rochelt, Eric desarrolló su concepto del avión solar. Los diseños previos tenían alas grandes, para captar grandes cantidades de energía. Pero Eric quería una aeronave más rápida así que diseñó alas más pequeñas, eficientes, y ligeras, pero dependía de baterías para suministrar energía en el momento de tomar altura y luego almacenaba energía cuando el avión quedaba planeando, las placas solares utilizadas pudieron suministrar la energía suficiente para mantener el vuelo a nivel.

Entre 1986 y 1990 construyó el avión solar al que llamó Sunseeker y durante el mes de agosto de 1990 lo pilotó desde California sobre la costa del océano Pacífico hasta Carolina del Norte en la costa del océano Atlántico en 21 días. Donde el tramo más largo recorrido por el avión fue de 400 km.

El "Sunseeker" pesa sin el piloto 89 kg y está fabricado con células de silicio amorfo. El sueño de Eric es volar alrededor del mundo con energía solar, lo cual prevee que es posible hacerlo aplicando la tecnología que ya está disponible.
Mas información:



3) Icare II


El avión solar Icaré II es un proyecto del cuerpo docente de la Facultad de tecnología de viajes espaciales de la universidad de Stuttgart en Alemania. Él avión es movido por medio de la energía solar y es un avión que esta dentro de la categoría de los aviónes solares. Con este proyecto, algunos premios fueron ganados y quedó en uso para el futuro. El vuelo de demostración de la capacidad de funcionamiento del avión fue de 350 Km de recorrido.




El Proyecto

El cuerpo docente de la Facultad de tecnólogia de viajes espaciales de la universidad de Stuttgart presento este avión en la competencia de Berblinger en Alemania donde el objetivo de dicha competencia era desarrollar un avión que utilize para su vuelo horizontal exclusivamente energía solar fotovoltaica y un motor eléctrico. El proyecto patrocinado por Baden - Württemberg y la universidad Stuttgart, fue desarrollado en la facultad de tecnólogia de viajes espaciales y dirigido por el profesor Voit – Nitschmann. El 7 de julio de 1996 este avión gano dicho concurso por ser el mas eficiente del concurso. También colaboraron con dicho proyecto estudiantes que realizaron aproximadamente 45 estudios sobre el rendimiento y el diseño estructural del avión.



Icaré II

El Icaré II es un planeador de gran rendimiento adaptado a su funcionamiento con energía solar, conjuntamente con el vuelo con térmicas caracteristico de los planeadores. Esto demostró que el vuelo con motor y témicas es posible. El motor es un motor eléctrico de 1200 w y esta colocado en el timón del avión para aumentar su rendimiento, para el inicio del vuelo se utiliza una batería cuya capacidad de almacenaje de energía es de 915 Wh que es cargada por los mismos paneles solares del avión cuando éste no esta en funcionamiento. Con las baterías que se utilizó en el primer vuelo del avión solo se llegaba a una altura de 400 m, debido al peso de éstas, pero con la colocación de baterias de Li–polímero se logró alcanzar alturas de 1200 m sobre el nivel del mar. Las características mas sobresalientes del avión son su bajo peso y el viajar a una velocidad baja que hace recordar a los viejos vuelos.

Especificaciones técnicas

Envergadura 25 m
Superficie de las alas 25 m2
Superficie de célula solar = 20.6 m ² ( 82 %de la superficie del ala)
Peso vacío : 264 kg
Carga adicional máxima 80 kg
Velocidad máxima permisible = 120 km / h
Duración de vuelo máxima utilizando unicamente las baterías : 40 minutos,
Alcance de máximo utilizando unicamente las baterías: 33,6 km,
Capacidad de carga de la batería : 915 wh
Potencia máxima del motor 12000 W
Eficiencia del motor 92%


Mas información:

http://www.ifb.uni-stuttgart.de/icare/icare.html




Aviones a energía solar ya construidos No Tripulados




1 ) Solong



AC Propulsión es una compañía de Alan Cocconi, y se dedica a la investigación, desarrollo y fabricación a pequeña escala de vehículos eléctricos. Desde 1991 la mayoría de los proyectos de la compañía han sido automovilísticos. El proyecto de este UAV Solong se basa en la demostración de la viabilidad de hacer un UAV (Vehículo aéreo no tripulado) que funcione con energía solar y que pueda mantenerse en vuelo perpetuo durante el día y la noche.









Aplicaciones

La gran duración de los vuelos que este avión eléctrico SoLong puede realizar le permite ser utilizado como plataforma de comunicaciones temporales o por grandes periodos de tiempo. Su tamaño regular, la propulsión eléctrica silenciosa y la utilización de fuentes de energía no contaminantes lo hace una alternativa práctica para otros UAV que ya se utilizan en otros fines. El esfuerzo de investigación y desarrollo están continuando hacia una reunión de datos de UAV completamente autónoma . La AC Propulsión es una compañía para clientes que no tengan aplicaciones militares.

Especificaciones técnicas

Envergadura 4.75m
Superficie de las alas: 1.50 m2
Peso: 12.8 kg
La baterías utilizadas son: 120 celdas de Li - Ion de Sanyo 18650
Las células solares utilizadas son: 76 Sunpower A300 solar
Potencia nominal de las células solares 225 W
Peso de la batería: 5.6 kg
Potencia máxima del motor: 800W
Minutos poder eléctricos para 95W de vuelo de nivel
Capacidad de almacenaje de energía de las baterías 1200 Wh
Alcance de control y telemetría: 8.000 m

Mas información:




3) Aviones desarrollados por la NASA Pathfinder, Pathfinder Plus, Centurión , y Helios

El programa de ERAST

El programa de tecnología (ERAST) es un programa para el uso de aviones como sensores ambientales de la administración espacial norteamericana. El programa de ERAST es una de las iniciativas de la administración espacial norteamericana diseñada para desarrollar nuevas tecnologías para continuar el liderazgo de EE.UU. en la industria espacial cada vez mas competitiva.
El enfoque principal de ERAST está sobre el desarrollo de aeronaves lentas que puedan operar y efectuar misiones de ciencia de larga duración en grandes altitudes, encima de los 20.000 m. Estas misiones pueden incluir muestras atmosféricas, la agrupación de las tormentas graves, el estudios de sobre la tierra, la obtención de imágenes espectrales para la observación de los cultivos, y servir de plataformas de telecomunicaciones.
Un esfuerzo paralelo al desarrollo de estas aeronaves es el desarrollando de sensores livianos y microminiaturizados para que puedan ser llevados por estos aviones. Las tecnologías adicionales consideradas por la alianza de ERAST de la administración espacial norteamericana incluyen materiales ligeros, aviónicas, la aerodinámica, y las otras formas de la propulsión apropiada para las altitudes extremas y para vuelos de larga duración.




Avión solar Pathfinder

Proviniendo del desarrollo del avión HALSOL en 1983 (posterior al Solar Challenger), el Pathfinder fue modificado con el agregado de las células solares actualizadas. Luego fue llevado a la base aérea de Dryden EE.UU. para nuevos vuelos de su etapa de desarrollo en el año 1995. El 11 de septiembre de 1995, el Pathfinder alcanzó una altitud de 15.400 m, estableciendo una nuevo registro de altitud para aeronaves solares.
Después de nuevas versiones actualizadas del avión en Dryden, a fines de 1996, el Pathfinder fue transferido a la base de misiles del Pacífico de la marina norteamericana en Barking Sands, Hawai. La isla de Hawai fue escogida como una ubicación óptima para evaluar el Pathfinder debido a los altos niveles de luz solar existentes en la zona, por el espacio aéreo y las frecuencias de radio disponibles y por la diversidad de los ecosistemas terrestres y costeros para validar aplicaciones de obtención de imágenes científicas.
En Hawai el Pathfinder realizó siete vuelos a gran altitud, uno de ellos llegó a una altitud que vatio el record del mundo para vuelos con aviones a hélice y para aviones solares y fue de 21.815 m.



Avión solar Pathfinder "Plus"

Durante 1998, el Pathfinder fue modificado a la configuración de Pathfinder Plus, y tenía una mayor envergadura de sus alas. El 6 de agosto de 1998, la aeronave modificada fue pilotada a una altitud de 24.460 m en el tercero de los vuelos de prueba durante el desarrollo de Pathfinder Plus sobre Hawai. El objetivo de los vuelos era revalidar el nuevo sistema de propulsión solar y la aerodinámica y la tecnología de los sistemas desarrollados para este Pathfinder Plus.
El cambio más perceptible es la instalación de una nueva sección del ala en su centro de 13,42 m de largo que incluye un plano aerodinámico de gran altitud. La nueva sección es dos veces mas larga que la sección del centro del Pathfinder original y incrementa la envergadura en conjunto del avión de 30 m a 36,9 m. La nueva sección del centro del ala es encabezada por células solares de silicio de mayor eficiencia desarrollada por SunPower Corp. Sunnyvale, California, que pueden transformar el 19 % de la energía solar que reciben por la energía eléctrica útil para el suministro a los motores eléctricos del avión. Eso si se compara con aproximadamente el 14 % de la eficiencia de las células solares anteriormente utilizadas que cubrían la mayor parte de la superficie de los paneles de ala del medio y de los exteriores del Pathfinder original. La potencia máxima fue aumentada de aproximadamente de 7.500 Watts en el Pathfinder a aproximadamente 12.500 Watts sobre Pathfinder Plus.
Además, el Pathfinder Plus tenía ocho motores eléctricos, dos más que la versión previa del Pathfinder original.

Avión solar Centurión

El Centurión, de la misma manera que sus predecesores inmediatos el Pathfinder y el Pathfinder Plus, es una aeronave de ala voladora pilotada por control remoto liviana y propulsada con energía solar en la que se utilizó para demostrar la tecnología de la aplicación de la energía solar para vuelos de larga duración y a gran altitud; y es considerado un avión de demostración de la tecnología y un prototipo para un futuro de aeronaves solares que podían quedarse en el aire por semanas o meses en el aire para realizar muestras científicas, misiones de obtención de imágenes o servir de plataformas de telecomunicaciones.
Aunque comparte gran parte de los conceptos de diseño del Pathfinder, el Centurión tiene una envergadura de 62,8 m, más de dos veces el ancho del Pathfinder y un 70 % más que el Pathfinder Plus. Al mismo tiempo, mantiene el cuerda del ala del Pathfinder, dando una proporción del ala de 26 a 1 en el ala del Centurión.

Los otros cambios visibles de su predecesor incluyen un plano aerodinámico del ala modificado diseñado para el vuelo a gran altitud. El ala flexible que fue fabricada principalmente de fibra de carbono y compuestos de epoxi, de grafito y de kevlar. El Centurión fue construido en cinco secciones, la sección del centro de 13,42 m de largo y las secciones del medio y las exteriores de 12,2 m de largo. Las cinco secciones tienen un grosor idéntico que es del 12 % de la cuerda del ala y que tenía aproximadamente 29,2 cm.
Las células solares que cubrirán la mayor parte de la superficie de ala superior proveían hasta 31 Kw de energía en el mediodía de un día de verano para el suministro de energía de los 14 motores eléctricos del avión, para los comandos del avión, para las comunicaciones y los demás sistemas electrónicos. El Centurión se movía a una velocidad relativa de vuelo de solamente 10 a 13 Km/h y también tenía un sistema de baterías de litio de alta densidad de energía almacenada que podía proveer de la energía necesaria para realizar un vuelo de 2 a 5 hs de duración después del anochecer. Los vuelos de prueba a poca altura iniciales en Dryden en 1998 se realizaban por la energía eléctrica suministrada por las baterías solamente, sin la instalación de las células solares.


Avión solar Helios

La empresa constructora de estos aviones AeroVironment preveé que el Helios es la aeronave solar final que puede brindar vuelos prácticamente eternos en la estratosfera. Se basa en las tecnologías desarrolladas por el Patfhainder y el Centurión pero añade un sistema de almacenamiento de energía para el vuelo continuo en la noche. Con un tamaño de un 25 a un 50 % más grande que Centurión, el avión Helios almacenará hasta el dos tercios de la energía solar recibida por las células solares durante el día en las baterías eléctricas le litio y usará esta energía guardada en mantener el vuelo a su altitud durante toda la noche. Como renovará su energía todos los días con el sol, el Helios tendrá un vuelo con un límite práctico de hasta quizás seis meses de duración durante el verano.



Mas información:

http://www.nasa.gov/centers/dryden/news/FactSheets/FS-054-DFRC.html



4) Zephyr


El Zephyr fue diseñado por la empresa privada de seguridad y defensa QinetiQ de Inglaterra. El avión sólo pesa 14 kilogramos, con alas de 12 metros de envergadura. Tiene el record de velocidad: 252 Km/h y puede volar durante meses alimentado con la energía solar en altitudes de hasta 40 mil metros.


El Zephyr es simplemente un versión aligerada de un proyecto que ya lleva mucho tiempo en su desarrollaro de un sistema de UAV barato capaz de realizar recolecciones de datos constante a altas altitudes del orden de los 30 km y además se puede utilizar como plataforma de telecomunicaciones sobre una franja de 300 Km.
Durante el mes de agosto de este 2007 en la base que Estados Unidos tiene en Arenas Blancas (Nuevo México), logro el record de permanencia de un avión en vuelo que fue de 54 horas. Si bien no es el primer avión a energía solar en lograr una permanencia de dos noches propulasdo con energía solar, sí el que más tiempo se ha mantenido en lo alto en vuelo continuo. En el 2005 el avión solar SoLong, de la firma estadounidense AC Propulsion, también fue capaz de volar durante dos noches, pero no mantuvo su maquinaria en marcha durante todo el trayecto, sino que tuvo que planear a intervalos.

Mas Información:




2) Solitair


El Solitair es un UAV (Vehículo aéreo no tripulado) que funciona a energía solar diseñado para su funcionamiento en latitudes medias. Lo que caracteriza al Solitair (Avión solar eléctrico para vuelos largos a gran altitud) son sus alas gigantes, que tienen cinco metros y medio de largo y con placas solares graduables para una absorción de la radiación solar óptima de acuerdo a la latitud que se encuentre el avión. Fue diseñado por el DLR Instituto de Sistemas de Vuelo de Alemania en cooperación con la Universidad Técnica de Munich en Alemania y se desarrollo específicamente para realizar estudios diversos en las latitudes norteñas de Europa.


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