Historia de la energía solar termica I

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Aprovechamiento de la energía solar térmica (primera parte)

Aprovechamiento de la energía solar térmica (primera parte)

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  • 1. Paloma Román Gómez
  • 2.  
  • 3. La idea de utilizar el calor solar es muy antigua, aunque dado su bajo nivel térmico, no ha sido utilizada de forma efectiva durante mucho tiempo.
  • 4.
    • Siglos VII y VIII A. C., las sacerdotisas vestales romanas encargadas de mantener la llama eterna que ardía en el Templo de Vesta en el Foro romano, encendían el fuego con espejos cónicos usando la luz solar como fuente de ignición.
  • 5.
    • 212 A. C., Arquímedes defiende Siracusa de la flota romana
      • Según cuenta una leyenda, d urante el asedio de los romanos a la ciudad de Siracusa, Arquímedes ( científico y matemático más importante de la antigua Grecia) , construyó máquinas de guerra basadas en palancas, catapultas y un sistema de grandes espejos hexagonales, hechos de bronce, que reflejaban los rayos del sol y que concentrados sobre la flota romana lograron incendiarla.
  • 6.
    • Muchos siglos más tarde, Leonardo da Vinci también pensó cómo utilizar el Sol.
      • En el año 1515 comenzó uno de sus muchos proyectos, que nunca llegaría a acabar: Su idea era construir un concentrador de 6 kilómetros de diámetro a base de espejos cóncavos para la producción de vapor y calor industrial.
  • 7.
    • La aplicación de la energía solar para bombear agua se remontan al año 1615, cuando Salomón de Caux , físico e ingeniero francés, desarrolló una de las primeras máquinas activadas con dicha energía.
      • De Caux construye el primer motor solar: Su dispositivo solar contaba con un conjunto de lentes de vidrio montadas en un marco que concentraba los rayos solares sobre una cámara de metal estanca parcialmente llena de agua y aire. La luz solar calentaba el aire del recipiente metálico que se dilataba y forzaba al agua a salir en forma de pequeña fuente.
  • 8.
    • E. W. Tschirnhaus (1651-1700) primer miembro alemán de la Academia Nacional Francesa de Ciencias, gracias a sus investigaciones en matemáticas y en óptica teórica.
      • Utilizó espejos parabólicos de distintos diámetros para fundir materiales.
      • En 1682 presenta un nuevo método de construcción de un horno solar, utilizando placas de cobre de 1m de radio, que utilizó para secar porcelana.
    Größter Brennlinsen-Apparat von Tschirnhaus (Höhe 2,23 m) Espejo cóncavo en el Deutsches Museum de Múnich
  • 9.
    • Georges-Louis Leclerc , conde de Buffon (1707-1788) fascinado por los relatos de la guerra de Siracusa y los espejos de Arquímedes, siguió investigando en ese mismo campo y construyó el primero de los muchos hornos solares franceses, con espejos múltiples.
    • Entre sus experimentos se pueden mencionar:
      • Su primer horno solar en el que utilizó 24 cristales de gafas con los que consiguió encender un combustible mezcla de brea y polvo de carbón situado a 20 m de distancia.
      • Un concentrador solar formado por 168 piezas de cristal planas y móviles de 22 cm de largo y 16 cm de ancho, con el que montó una exhibición en los jardines reales, en 1747, llegando a hacer arder una pila de leña situada a una distancia de 68 m.
      • Su mayor concentrador de energía solar formado por 360 piezas de cristal de 20 centímetros.
    Mecanismo con 168 piezas de cristal diseñado por Buffon
  • 10.
    • En 1741 Lomonsov desarrolló un horno solar utilizando combinaciones de espejos y lentes. Su horno solar estaba formado por 7 espejos planos dispuestos en círculo, seguidos cada uno por una lente inclinada, que hacía converger los haces luminosos en un foco común, situado en el centro del circulo.
    Diagrama de horno solar proyectado por Lomonsov utilizando lentes múltiples para llenar un ángulo sólido grande
    • En 1747, Jacques Cassini , astrónomo francés del Observatorio de París, construye una lente de 112 cm. de diámetro, con la que pudo obtener temperaturas superiores a 1000 ºC, capaces de fundir una varilla de hierro en pocos segundos.
  • 11.
    • Antoine Lavoisier (1743-1794), fundador de la química moderna, también experimentó con hornos solares.
      • Construyó un horno con dos láminas curvas de vidrio montadas en forma biconvexa, entre las cuales insertó alcohol, el cual hacia de lente, la cual tenía un diámetro de 130 cm y una distancia focal de 320 cm., además colocó cerca del foco una lente menor para reducir la distancia focal efectiva. Con esta lente compuesta pudo fundir platino a 1 760ºC
    Modelo propuesto por Lavoisier para sus experimentos sobre combustión utilizando lentes y luz solar
  • 12.
    • Horace de Saussure naturalista suizo, realiza los primeros experimentos relacionados con hornos solares para la preparación de alimentos.
    • Saussure, en 1767, experimenta con el efecto físico del calentamiento de una caja negra con tapa de vidrio expuesta al Sol, descubriendo que al exponerla al Sol, la temperatura aumentaba en su interior hasta alcanzar más de 85 ºC, lo que le permitía cocer fruta.
    • Más adelante, experimentó con nuevas cajas hechas de madera y corcho negro alcanzando temperaturas del orden de los 100 ºC, incluso llegó a alcanzar 110ºC aislando el interior de la caja a base de intercalar lana entre las paredes.
    Estas “ cajas calientes ” son el prototipo de los colectores solares utilizados para calefacción y obtención de agua caliente sanitaria desde 1892. Corte de la primera caja aislante diseñada por Horace de Saussure en 1767
  • 13. A lo largo del siglo XIX la energía solar sigue atrayendo a los científicos europeos. Aunque se citan hornos solares en la bibliografía, durante este siglo, los estudios se centran en experimentos para convertir la energía solar en energía mecánica a través de energía térmica. Los intentos iniciales para convertir energía solar en otras formas de energía giraron alrededor de la generación de vapor a baja presión, con el objetivo de hacer funcionar máquinas de vapor.
    • Henry Bessemer (1813-1898). Ingeniero británico. Miembro de la Royal Society, pionero de la siderurgia moderna, e inventor del proceso de refinado de acero que lleva su nombre.
    • Experimentó con la fusión de metales a través del uso de un horno solar de 305 cm. de diámetro, construido con numerosos espejos planos diminutos, con el que llegó a procesar cobre y acero, pero pronto pierde su interés dedicando su atención a otras fuente térmicas.
  • 14.
      • Alambique y horno solar de Mouchot
      • En 1861 Mouchot, aportó un nuevo modelo de cocina solar que consistía en un depósito negro recubierto de vidrio el cual era expuesto al sol. Para concentrar más la radiación solar, un espejo cilíndrico-parabólico reflejaba la radiación solar hacia el lado del cilindro no expuesto al sol. De esta forma en el interior del recipiente negro se alcanzaban altas temperaturas con las que cocinar.
    • Otro personaje importante en el desarrollo de la energía solar térmica fue el ingeniero francés Auguste Mouchot con sus modelos de concentradores solares .
    • Fue pionero en convertir energía solar en vapor a baja presión, haciendo funcionar varias máquinas de vapor.
  • 15.
      • Cocina solar portátil diseñada por Auguste Mouchot, entorno a 1857, para el ejército francés.
    • Sin embargo el gran invento de Mouchot, tras años de investigación con las aplicaciones industriales de la radiación solar, fue la máquina de vapor alimentada por energía solar que consistía en un gran receptor parabólico recubierto de espejos que concentraban la radiación del sol en un solo punto. El calor generado activaba un motor de vapor.
      • Caldera de la primera máquina de vapor activada por el Sol (1866).
      • Un reflector acanalado de sección parabólica, concentraba los rayos del sol sobre un tubo de cobre, generando el vapor que se recogía en el depósito metálico situado en la parte superior.
  • 16.
    • Debido al éxito de su invento, en 1877 Mouchot, obtuvo el encargo de instalar varias turbinas de este tipo en la Argelia francesa.
    • También Mouchot fue comisionado por el gobierno francés para la creación de una gran turbina alimentada con energía solar para la Exposición Internacional de París de 1878 , con ella obtuvo la Medalla de Oro, cuando mostró algo tan sorprendente como que podía obtener hielo a partir del calor concentrado del sol.
    • Mouchot había conectado el motor solar al ingenio refrigerador accionado con calor que Ferdinand Carré inventara en los años 1850, y que dio origen a nuestro modernos frigoríficos.
  • 17. Turbina alimentada por energía solar de Mouchot expuesta en la exposición internacional de Paris de 1878  
  • 18.
    • Abel Pifre , pupilo de Mouchet, continuó ocupándose de la investigación solar e inventó la primera imprenta accionada con energía solar.
    • La técnica de captación es muy semejante a la de los trabajos que realizó con su maestro, resultando novedosa la aplicación que se hace de ella.
    • En 1882, Pifre exhibió en el Jardín de las Tullerias de París, durante el Festival de la Unión Francesa de la Jeuenesse, una máquina solar de vapor que utilizaba como colector un concentrador parabólico de estaño, que accionaba una imprenta, capaz de imprimir 500 copias por hora del “ Le Chaleur Solaire” periódico que fue creado expresamente para ese evento.
    • Lamentablemente estos exitosos inventos no tuvieron apoyo ni continuidad en Francia, debido a la mejora en las técnicas de extracción del carbón y a las mejoras en el sistema ferroviario lo que incrementó la producción de carbón y redujo el precio del combustible, con lo que la energía solar pasó a ser considerada como cara y abandonada para fines industriales.
  • 19. Imprenta accionada con energía solar de Abel Pifre
  • 20.
    • El ingeniero francés Carles Tellier (1885), sería la primera persona en desarrollar colectores solares de baja temperatura para impulsar máquinas.
    • Mientras que los motores convencionales empleaban vapor de agua a presión, los ingenios de Tellier utilizaban vapor presurizado en ciertos líquidos con temperaturas de ebullición muy por debajo de la del agua. Por ejemplo, el hidrato de amoníaco, que hierve a -33º C, o el dióxido de azufre que lo hace a -10º C.
    Es el “ padre de la refrigeración ”, Tellier es el primero en acondicionar un barco como frigorífico, para el transporte de la primera carga refrigerada del mundo, lo que transformó radicalmente el comercio internacional.
  • 21.
    • John Ericsson (1803-1889) , ingeniero sueco emigrado a los EEUU, famoso por crear  el buque blindado durante la Guerra Civil Estadounidense.
    • Entre 1868 y 1886 dedicada  su tiempo a la utilización de energía solar:
      • Es el titular de la patente para el motor de Sol (Stirling Dish), inventa los primeros colectores cilíndrico-parabólicos que concentraban la luz solar que reflejada en calderas tubulares pintadas de negro, eran capaces de producir vapor.
      • En 1870, Ericsson terminó de construir una máquina solar de vapor, muy similar a la de Mouchot, constituida igualmente por tres elementos fundamentales: Espejo concentrador, caldera y máquina de vapor .
  • 22.
      • En 1872, Ericsson probó una vía totalmente diferente: Calentar el aire (en vez del agua) contenido en un cilindro situado en el foco de un reflector curvo. El rendimiento de su motor se incrementó considerablemente, pero pronto se dio cuenta, que el aparato concentrador era tan grande y tan caro que los motores activados por energía solar resultaban en la práctica, más caros que sus análogos movidos por carbón.
      • Para abaratar costes de fabricación y mantenimiento, Ericsson, sustituye el espejo de plata del reflector por vidrio de acristalar plateado por detrás, que solo requería para mantener su reflectividad eliminar el polvo depositado en la superficie del reflector en vez de pulir la superficie, como ocurría en los de plata.
      • En su libro "Contributions to the Centennial Exhibition", (1877), presenta estos motores solares que utilizaban la energía del sol como propulsor para un motor de aire caliente.
  • 23.  
  • 24.
    • W. Adams (1870) , inglés de servicio en Bombay, trabajó sobre aspectos prácticos de la construcción de dispositivos solares.
    • En 1878, publicó un libro en la India sobre sus experimentos con calor solar.
    • Su mayor máquina se componía de una esfera hueca de 12 m de diámetro, cuyo interior estaba cubierto con pequeñas hojas de vidrio plateado, que permitía hacer funcionar una bomba de 2 kw de modo continuo en el recinto inmediato a su bungalow en Middle Colaba, cerca de Bombay.
    • También construyó sistemas de cocción solares. En 1878 describe en un artículo del “ Scientific American” una cocina solar constituida por una caja octogonal cónica recubierta por espejos de vidrio plateado que enfocaba la luz a través de una campana de vidrio cilíndrica sobre un recipiente con los alimentos a cocinar.
  • 25.
    • Otro ejemplo de utilización de la energía solar fue la destilación de agua. En este campo, cabe destacar la experiencia desarrollada, en Las Salinas, provincia de Antofagasta (Chile):
    • Charles Wilson (1874) diseñó e instaló el primer destilador solar de la historia
    El destilador estaba constituido por piscinas con el fondo pintado de negro cubiertas por un tejadillo de vidrio. Las piscinas se llenaban con agua salada, y el calor del Sol se utilizaba para evaporar el agua que se recuperaba, en forma de agua dulce, por condensación en los tejadillos de vidrio, dispuestos en ligera pendiente con lo que las gotas de agua escurrian hasta los canalillos del extremo de las piscinas.
  • 26. Corte esquemático del destilador solar que funcionó en Las Salinas El destilador cubría 4700 m 2 y producía 23 000 litros de agua dulce al día con sol claro. Este destilador estuvo en funcionamiento durante 40 años, (entre 1874 y 1914), suministrando agua potable para los mineros que explotaban las minas de salitre (nitrato potásico), constituyente de la pólvora, cuya demanda se disparó a finales del siglo XIX, en previsión de la Primera Guerra Mundial. Este destilador solo fue abandonado cuando se tendió una conducción entubada de agua potable desde los Andes hasta Antofagasta.
  • 27.
    • Otro capítulo interesante de destacar es la utilización de la energía solar para calentar agua
    • Clarence Kemp (1891): Fabricante de tuberías y calefactores, patenta y saca al mercado, en Estados Unidos, el calentador solar de agua “Climax”.
    • Este invento destinado a calentar agua con el sol combinaba el modelo de los tanques de metal pintados de negro expuestos al sol, de uso común a lo largo de todo el siglo XIX en EEUU, con el principio de la caja caliente de Saussure .
  • 28.
      • Kemp puso un tanque de agua pintado de negro dentro de una caja cubierta con un vidrio. Conforme el fondo de la caja se calentaba, el agua más fía dentro del tanque absorbía el calor y se calentaba lo suficiente como para poder bañarse.
      • Así, se conseguía agua caliente, a mayores temperaturas que se conservara por más tiempo. Este sistema alcanzó una notable expansión en las regiones soleadas de Estados Unidos. La eficacia de este nuevo calentador de agua era casi un 75% mayor que la del tanque negro de metal
    Casa de Walter van Rossem con un “clímax” colocado en el tejado (1896)
  • 29.  
  • 30.
    • A los avances realizados por Mouchot, Prife, Ericsson y Adams siguió un periodo de inactividad y no fue hasta casi el inicio del siglo XX cuando surgen ideas interesantes en el aprovechamiento de la energía solar, tales como:
    • E. Weston (1888) propone un dispositivo llamado termopar , para la transformación de la energía solar en trabajo mecánico (hasta ahora el sistema normal que se venía utilizando estaba constituido de espejos más caldera de vapor), donde la energía solar se enfocaba sobre el termopar, que desarrolla una tensión eléctrica entre la unión caliente y la unión fría; cada unión se componía de un par conectado de hilos diferentes, como hierro y níquel. Esta idea es la precursora de los convertidores solares termoeléctricos que se desarrollarían en los años posteriores y que sería de interés práctico con altos rendimientos de conversión, pero a unos costos tan elevados que sólo resultaría útil en algunas aplicaciones muy estrictas, como vehículos espaciales.
    • M.L. Severy ( 1893) plantea una máquina solar que funcionaba conjuntamente con una batería de acumuladores para permitir al usuario disponer de energía las 24 horas. (las máquinas solares de 1880 trabajaban sólo cuando existía Sol, los periodos nocturnos y los días nublados suponían una clara limitación para el empleo de estas máquinas).
    • Este sistema aparentemente nunca fue construido ya que su gasto económico era mucho mayor que la energía obtenida a partir del carbón, pero la idea fue retomada posteriormente.
  • 31.
    • Ya desde los inicios de este siglo se producen desarrollos muy significativos:
    • Aubrey Eneas (1899-1904), inventor e ingeniero inglés residente en Massachusetts, funda en 1900, la primera empresa de energía solar la “Solar Motor Company of Boston”.
    • El objetivo principal de la empresa era la venta de equipos de bombeo al sudoeste de los EEUU, donde los combustibles convencionales como la madera y el carbón eran escasos y caros. Esa parte del país parecía además ideal para la energía solar, pues en ella el Sol brillaba el 75 % de los días del año.
    • Eneas diseña y construye espectaculares motores solares
  • 32.
    • Eneas incluyó una mejora significativa en el diseño básico de Mouchot (reflector cónico con la caldera en el eje). El reflector pasa a ser un tronco de cono, lo cual mejoraba el rendimiento del sistema, al minimizar la diferencias de energía recibidas por el extremo superior e inferior de la caldera.
    • Para 1899, Eneas había construido un motor solar completo con un diámetro de 10 metros en la boca del reflector, que estaba formado por más de 1.800 pequeños espejos de vidrio plateado, que podía ser orientado hacia el Sol a lo largo del día y de las estaciones mediante distintos mecanismos y artefactos de relojería.
    • El conjunto pesaba más de 4 toneladas.
  • 33.
    • Este motor, fue utilizado de forma experimental, en la granja de avestruces de Edwin Cawston situada en Pasadena (California) para proporcionar potencia de bombeo.
    • En esencia, según las crónicas de la época, el motor solar accionaba una bomba capaz de irrigar 120 hectáreas de cítricos extrayendo 6.400 litros de agua por minuto de un depósito situado a 5 metros de profundidad (es decir, una potencia de unos 5kW).
  • 34.
    • Hasta 1904, Solar Motor Company, vendió e instalo cinco motores solares.
    • El último en la granja de John May (Arizona) consiguió bombear 6.700 litros de agua por minuto, pero desafortunadamente los espejos del reflector fueron destruidos por una tormenta de granizo.
    • Otro de los modelos instalados con anterioridad fue destruido por un vendaval, por lo que el mercado de estos aparatos empezó a generar desconfianza, el gran tamaño del aparato lo hacía susceptible a los fenómenos atmosféricos del desierto, la compañía incapaz de sobrevivir con tan pocas ventas, tuvo que cerrar.
    • Con todo, el principal obstáculo a la comercialización de los motores solares era su elevado costo.
  • 35.
    • Mario Antonio Gomes (“Padre Himalaya”) 1868-1983 : Sacerdote portugués, científico e inventor, sus investigaciones sobre la energía solar, a la que considera como la energía del futuro, lo convierten en un pionero de lo que hoy puede definirse como un desarrollo ecológicamente sostenible.
    •  
    • Su mayor logro fue el “Pirelióforo” (devorador del fuego del sol).
      • 1900: Construye un prototipo de horno solar con el que llega a alcanzar 1100º C, a este le siguieron otros intentos, el principal objetivo transformar nitrógeno en nitratos para conseguir fertilizantes de nitrógeno.
      • El aparato estaba montado sobre un carril circular en una plataforma de piedra y arena sobre el que la estructura podía deslizarse para orientarse al sol.
      • El colector era una campana con forma esférica, con cientos de espejos, suspendida por dos ejes que permitían una orientación vertical u horizontal, que concentraban los rayos solares en la boca del pequeño horno destilatorio refractario.
  • 36.  
  • 37.
      • 1904: Presenta En la Exposición Universal de San Luis un nuevo horno solar en el que miles de espejos dispuestos sobre una superficie de 80 m 2 concentraba la energía solar, llegando a alcanzar temperaturas de 3500 ºC, suficiente para fundir la mayoría la mayoría de rocas y metales.
      • Este aparato resultó una gran atracción en la Exposición Universal de San Luis en 1904, en ella obtuvo dos medallas: una de oro y otra de plata.
  • 38.
      • La revista Scientific American publica, el artículo titulado “A Solar Reducing Furnace”, con el cual este invento recibe la credibilidad y el apoyo de la comunidad científica.
      • Durante este año, 1904, el Padre Himalaya llega a instalar cuatro hornos solares en París, Lisboa y San Luis, sin embargo, a nivel empresarial el invento fue en gran parte ignorado, debido al auge de la industria petrolífera.
  • 39.
    • 1903 : El español Isidoro Cabanyes presenta en la revista “La Energía Eléctrica” el primer diseño de una chimenea solar .
    • Pero debido a su elevado costo, las torres solares no obtienen ningún tipo de atención hasta la década de 1980.
    • Se trataba de una chimenea pintada de negro con dos peculiaridades en su base:
      • Un colector solar destinado a calentar el aire existente en las zonas próximas a la torre, el aire caliente, más ligero, era canalizado hacia la base de la torre, lo que producía una corriente ascendente por la chimenea.
      • Un generador eólico destinado a producir trabajo mecánico a partir del impulso de la corriente ascensional de aire generada.
  • 40.  
  • 41.
    • En 1907 se patentó por primera vez, en Alemania, un diseño sobre colectores parabólicos (Parabolic trough collector, PTC), por Dr. Wilhelm Maier y Adolf Remshardt .
  • 42.
    • Estos primeros diseños formaron las bases de desarrollos I+D al final de los años 70 y principios de los 80, cuando los proyectos sobre el aprovechamiento de la energía solar térmica se emprendieron en los países industrializados como Estados Unidos, Rusia, Japón, España e Italia.
  • 43.
    • William Bailey ( 1908) : Patenta el calentador de agua solar "Día y noche" (lo que más tarde se convertiría en el calentador de agua solar compacto a presión).
    • El diseño de Bailley es similar al calentador solar "Climax de Kemp, pero con múltiples ventajas ya que separa el calentador solar en dos partes o unidades: un colector solar y un depósito de acumulación de agua.
    • El colector consistía en un conjunto de tuberías de cobre situadas sobre una placa metálica pintada de negro, conjunto que se situaba dentro de una caja de vidrio aislada.
    • El colector se encontraba conectado a un depósito de almacenamiento de agua situado por encima.
    • El depósito se encontraba en el interior de una caja de madera aislado mediante caliza en polvo, lo que mejoraba la retención del calor.
    • El agua calentado en el colector, corría por una tubería hasta el depósito donde se mantenía caliente tanto por la noche como durante el mal tiempo.
  • 44.  
  • 45. Calentador solar de agua “Día y noche”: California - 1911
  • 46. No se necesitaba bomba para impulsar el agua entre el colector y el depósito acumulador. El Día Y Noche operaba según el principio del termosifón (el agua caliente más ligera que la fría tiende a elevarse por sí sola). El depósito acumulador se situaba por encima del colector, con lo que el agua fría en su parte baja descendía por gravedad a través de un tubo hasta la entrada del colector. El flujo cíclico continuaba en tanto el agua del colector estuviera más caliente que la contenida en la base del depósito. Para garantizar suficiente agua caliente en épocas de mal tiempo o períodos de mucho uso, Bailey recomendaba a los clientes añadir un calentador auxiliar. El Día Y Noche podía conectarse a una cocina de leña, un calentador a gas o un horno de carbón.
  • 47. La acogida del modelo fue muy exitosa especialmente debido a un precio mucho menor que el Climax de Kemp, que a pesar de haber sido modificado para abaratar su costo, seguía siendo caro. Las múltiples ventas de la compañía la permitieron convertirse en sociedad anónima en 1911. Se estima que de 1908-1918 el Sr. Bailley había vendido más de 4.000 unidades del "Día y Noche". Anuncios de los calentadores solares “Día y Noche”
  • 48.
    • El descubrimiento de gas natural y petróleo, en California, en la década de los años 20, pone fin al auge de la industria de los calentadores solares, en dicha zona.
    Campo petrolífero de Signal Hill (los Ángeles, 1923)
  • 49.