La energ�a solar es intermitente por naturaleza debido a los movimientos de
rotaci�n y traslaci�n de la tierra y tambi�n debido a las condiciones meteorol�gicas
de cada lugar (nubes). Adem�s, es una fuente de energ�a dependiente del tiempo
y en muchas ocasiones no coincide la necesidad con la disponibilidad.
Generalmente la energ�a se requiere m�s, precisamente cuando no hay radiaci�n
solar (noche). Esto hace necesario que pr�cticamente todos los procesos de
conversi�n fotot�rmica requieran de un sistema de almacenamiento de energ�a,
para poder satisfacer las demandas de energ�a en el momento que sean
requeridas. En ocasiones, ni contando con sistemas de almacenamiento se pueden
satisfacer todas las demandas, por lo que se hace necesario considerar adem�s
una fuente auxiliar de energ�a. En la figura 7.1 se muestra una gr�fica t�pica de
un proceso solar con almacenamiento de energ�a y que es dependiente del tiempo.
HT es la energ�a solar incidente, Qu es el calor �til ganado por el colector y L son
las cargas. Las �reas de sombreado vertical muestran el tiempo en que hay exceso
de energ�a despu�s de satisfacer la carga y puede ser adicionada al sistema de
almacenamiento. Las �reas de sombreado horizontal muestran la energ�a sacada del
almacenamiento para satisfacer las demandas en tiempo donde no hay radiaci�n
incidente. Las �reas punteadas muestran la energ�a suministrada a la carga
directamente del colector, cuando este se encuentra en funcionamiento.
Figura 7.1 Proceso solar como funci�n del tiempo para un per�odo de tres d�as, y
que utiliza un sistema de almacenamiento.
En el presente cap�tulo se describir�n en forma general los distintos
sistemas de almacenamiento y los principios b�sicos en los cuales se basan.
Hablaremos de almacenamiento de energ�a por calor sensible, por cambio de fase,
por reacciones qu�micas y mediante estanques solares. Tambi�n se abordar� el
tema sobre sistemas de almacenamiento pasivo y activo.
Los sistemas pasivos se usan generalmente en el acondicionamiento calor�fico de
edificios y tanto lo que sirve de colector como el sistema de almacenamiento se
encuentran incorporados en los distintos componentes de mismo edificio, como:
pisos, paredes, recipientes con agua y techos. El tipo de almacenamiento de
energ�a utilizado en estos sistemas es generalmente por calor sensible (cambios de
temperatura de los distintos componentes del edificio), que explicaremos m�s
delante. Debido a que en estos sistemas las temperaturas de almacenamiento son
bajas, usualmente menores de 40 �C, se requiere de grandes vol�menes del
material que sirve como almac�n. Por ejemplo, los distintos componentes de un
edificio que representan un gran volumen, pueden absorber energ�a durante las
horas de sol y posteriormente cederla durante la tarde o noche. Para poder
calcular la capacidad de almacenamiento de un material determinado, necesitamos
conocer sus propiedades como la densidad y el calor espec�fico. En la tabla 7.1 se
muestran estas propiedades para algunos de los materiales m�s utilizados en la
construcci�n de edificios.
Tabla 7.1 Densidad y calor espec�fico de algunos de los materiales
m�s usados en la construcci�n.
MATERIAL
DENSIDAD
kg/m3
CALOR ESPECIFICO
KJ/Kg�C
Agua
1000
4.186
Acero
7853
0.500
Roca o piedra
2724
0.880
Concreto
2244
0.960
Ladrillo
2244
0.840
Arena
1522
0.800
Pino o abeto
433
2.800
Arcilla
1010
0.920
Utilizando los datos de la tabla anterior, y sabiendo que la densidad _, y el
calor sensible Qs viene dados respectivamente por las siguientes ecuaciones,
podemos encontrar que una superficie de concreto de 120 m2 y 15 cm de espesor
(volumen = 18 m3) que incrementa su temperatura en 5 �C durante las horas de
sol, puede almacenar aproximadamente 194 MJ de energ�a que podr�an ser
suficientes para suministrar toda la carga t�rmica de una casa habitaci�n bien
aislada t�rmicamente. En las ecuaciones anteriores m es la masa, V el volumen, Cp
el calor espec�fico y _T el cambio de temperatura, del material utilizado.
Aunque el agua no es precisamente un elemento estructural de un edificio,
puede emplearse para almacenar energ�a en el mismo. La ventaja del agua sobre el
concreto o ladrillo es que tiene una gran capacidad calor�fica como se ve en la
tabla 7.1, y por lo tanto tiene m�s capacidad de almacenamiento por unidad de
volumen, que los materiales mencionados.
En la figura 7.2.a se muestran un sistema pasivo para el suministro de
calefacci�n a la vivienda. El sistema trabaja en dos etapas: durante el d�a
almacena calor y lo cede por la tarde o noche.
La caracter�stica principal de los sistemas activos es que estos utilizan un fluido
de trabajo en movimiento que puede ser agua, aire, aceites o alg�n otro fluido.
Los principales componentes que intervienen en estos sistemas son: el colector
solar, la unidad de almacenamiento, sistemas de conversi�n y control y el lugar
donde se hace la descarga de energ�a.
Generalmente, el medio de almacenamiento es agua si por el colector se hace
circular un l�quido. Similarmente, si en el colector circula aire, el medio de
almacenamiento ser�n rocas o piedras. Las temperaturas alcanzadas en este tipo
de sistemas andan entre los 50 y 100 �C. En este caso el almacenamiento de
energ�a se puede dar por cualquiera de los mecanismos antes mencionados (calor
sensible, cambio de fase, reacciones qu�micas y estanques solares) y a
continuaci�n se presenta un an�lisis un poco m�s detallado de cada uno de ellos.
En la figura 7.2.b se muestran un sistema activo para el suministro de
calefacci�n a la vivienda. Tambi�n este trabaja en dos etapas al igual que en el
caso anterior: durante el d�a almacena calor y lo cede por la tarde o noche.
7.4 ALMACENAMIENTO POR CALOR SENSIBLE O CAPACIDAD CALORIFICA.
Diversos tipos de materiales l�quidos, s�lidos y combinaciones de l�quidos y
s�lidos, pueden almacenar energ�a por cambios de temperatura. Esta energ�a
almacenada es igual al cambio de energ�a interna (_U) que sufre el material al
cambiar su temperatura y viene a ser igual al calor sensible (Qs) que se vio
anteriormente y que se representa por la ecuaci�n (7.2). As�:
Seg�n la ecuaci�n (7.3), la capacidad de almacenamiento depende
espec�ficamente de las capacidades calor�ficas (mCp) de los materiales utilizados y
de los cambios de temperatura que en ellos se den. Esta ecuaci�n tambi�n puede
quedar en funci�n de la capacidad volum�trica t�rmica, Cv, de manera que:
donde
y V el volumen del material utilizado.
En la tabla 7.1 se proporciona informaci�n sobre algunas sustancias y
materiales que pueden utilizarse como medios de almacenamiento, aunque en este
caso concreto, s�lo analizaremos los medios m�s comunes como son el agua y las
rocas o piedras.
Una regla de tipo pr�ctico para determinar si un material es apropiado para
utilizarse como medio de almacenamiento, es que este debe ser capaz de almacenar
entre 300 y 600 kJ/�C-m2 de �rea de colector, como m�nimo.
Tambi�n encontramos que cuanto mayor sea la temperatura que pueda
alcanzar el medio de almacenamiento, tanto menor ser� el tama�o del sistema,
aunque las p�rdidas se hacen m�s evidentes. Por ejemplo, 1000 litros de agua
pueden almacenar aproximadamente 84 MJ de energ�a cuando su temperatura
aumenta de 30 a 50 �C y 168 MJ cuando la temperatura var�a de 30 a 70 �C. N�tese
que se requieren aproximadamente 2.5 m3 de rocas para almacenar la misma
cantidad de energ�a con los mismos incrementos de temperatura.
El agua es el medio ideal de almacenamiento para sistemas activos y pasivos,
debido a que tiene una gran capacidad calor�fica y por lo tanto mayor capacidad de
almacenamiento. Analizando los datos de la tabla 7.1 se desprende que el agua
puede almacenar casi cinco veces m�s energ�a (4.186 kJ/kg-�C) que la que puede
almacenar la misma masa de roca o piedra (0.88 kJ/kg-�C). Adem�s, el medio de
transporte de energ�a, hacia o de la unidad de almacenamiento, se hace a trav�s
de la misma agua. Esta tambi�n puede utilizarse en forma directa o mediante el uso
de cambiadores de calor y de manera continua a lo largo del d�a.
Algunas desventajas que se tienen al utilizar el agua como medio de
almacenamiento, es que se necesitan dep�sitos que generalmente son grandes y
caros, se oxidan si son de metal y hay grandes p�rdidas de calor por conducci�n
y convecci�n que tienen que ser evitadas utilizando aislantes. Otro aspecto es que
la energ�a es liberada a diferentes temperaturas.
Una de las aplicaciones m�s comunes se da en los calentadores solares de
agua para uso dom�stico. En la figura 7.3, se muestran dos sistemas activos de
este tipo donde se puede apreciar el tanque de almacenamiento.
Figura 7.3 Calentador solar de agua como medio de almacenamiento t�rmico. (a)
Sistema directo. (b) Sistema con intercambiador de calor.
Considerando que la capacidad de almacenamiento del agua sea de 300
kJ/�C-m2 de �rea de colecci�n, y conociendo su capacidad volum�trica t�rmica (Cv
= 4186 kJ/�C-m3), podemos encontrar cu�l debe ser el volumen del tanque de
almacenamiento por m2 de �rea de colecci�n, al dividir la capacidad de
almacenamiento entre la capacidad volum�trica t�rmica (300 kJ/�C-m2 / 4186
kJ/�C-m3 �rea colector), de manera que el volumen del tanque almac�n (V) es
igual a 0.075 m3/m2 de �rea de colector.
Una manera de conocer los cambios de temperatura dentro de un tanque de
almacenamiento que tiene diferentes entradas y salidas de energ�a, se hace
mediante un balance de energ�a del mismo, que se representa por la siguiente
ecuaci�n:
donde dTn/dt es el cambio de temperatura con respecto al tiempo, Qu el calor �til
ganado por el colector, L la carga o demanda de energ�a, U el coeficiente total de
p�rdidas de calor, A el �rea del tanque almac�n, Tn la temperatura al inicio de un
determinado intervalo de tiempo y Ta la temperatura ambiente.
Como la ecuaci�n anterior es funci�n del tiempo, se puede resolver por
diferencias finitas despu�s de transcurrido un intervalo de tiempo _t. As�,
conociendo la temperatura inicial Tn, encontramos que la temperatura al final del
intervalo de tiempo Tn+1 es igual a:
Las rocas o piedras tambi�n son un buen medio de almacenamiento. En sistemas
activos, generalmente se usa lechos de piedra bajo tierra o lechos empaquetados
(ver figura 7.2.b). Como ya se hab�a mencionado, el aire es el fluido de trabajo
que remueve o adiciona el calor de la unidad de almacenamiento. En este caso, el
calor por lo general no puede ser adicionado y removido al mismo tiempo.
Aunque las rocas o piedras no tienen un calor especifico alto, son buenos
como medio de almacenamiento debido a que tienen una gran densidad, son de bajo
costo, tienen conductividad t�rmica baja y no tienen problemas de corrosi�n.
7.5 ALMACENAMIENTO POR CALOR LATENTE O CAMBIO DE FASE.
La energ�a que una sustancia necesita para cambiar de fase, generalmente es
mayor que la que se ocupa para tener incrementos de temperatura peque�os en la
misma sustancia. Esto da la pauta para pensar que se puede aprovechar el cambio
de fase de algunas sustancias para utilizarlas como medios de almacenamiento de
energ�a solar. La idea es que la sustancia absorba la energ�a solar de forma
directa (sistema pasivo) o mediante un colector solar (sistema activo) y cambie de
fase. Al cambiar de fase la sustancia conserva en forma latente la energ�a
absorbida. Esta ser� cedida posteriormente, cuando la sustancia regrese a su
estado original.
Los cambios de fase pueden ser s�lido-l�quido, l�quido-vapor y s�lido-s�lido. El cambio de fase l�quido-vapor casi no se utiliza debido a que el vapor
genera grandes presiones y en muchos casos no resulta pr�ctico trabajar con este
tipo de sistemas debido a que este tiene que ser dise�ado para soportar presiones
altas y por lo tanto se hace m�s complicado y costoso. Por esta raz�n, lo que m�s
se aprovecha son los cambios de fase l�quido-s�lido y s�lido-s�lido, aunque en
esta parte s�lo hablaremos del cambio de fase s�lido-l�quido.
Las sustancias que pueden utilizarse como medios de almacenamiento por
cambio de fase s�lido-l�quido pueden ser muy variadas (hielo, sustancias
org�nicas, sales hidratadas, compuestos inorg�nicos y metales o aleaciones).
Algunas tienen puntos de fusi�n altos por lo que se har�a necesario utilizar
colectores concentradores para poder obtener altas temperaturas y provocar el
cambio de fase en la sustancia.
En la tabla 7.2 se presenta una lista de sustancias (sales hidratadas) que
tiene un alto calor de solidificaci�n<->fusi�n, bajo costo y donde la temperatura
para provocar el cambio de fase puede ser alcanzada f�cilmente mediante
colectores planos que utilizan la energ�a solar. La tabla muestra la temperatura de
fusi�n, la entalpia de fusi�n y la densidad.
El tener m�s capacidad de almacenamiento en las sustancias, reduce el
tama�o de los sistemas de almacenamiento. Por ejemplo, el agua l�quida tiene un
calor espec�fico igual a 4.186 kJ/kg-�C y su calor de solidificaci�n o fusi�n es
igual a 334.24 kJ/kg. En consecuencia el agua puede almacenar aproximadamente
80 veces m�s energ�a al cambiar de fase, que como l�quido al cambiar su
temperatura en 1�C. Otra ventaja de estos sistemas es que liberan la energ�a a
una temperatura casi constante.
Tabla 7.2 Datos de algunas sales hidratadas que se utilizan como medios de
almacenamiento de la energ�a solar.
Sal
Punto de fusi�n
Entalp�a de fusi�n,
KJ/Kg
Densidad,
Kg/m3
CaCl2.6H2O
29.39
174
1 637
Na2CO3.10H2O
32.36
246
1 445
Na2HPO4.12H2O
36
265
1 830
Ca(NO3)2.4H2O
39-42
139
1 557
Na2SO4.10H2O
31-32
251
1 557
Na2S2O3.5H2O
48-49
209
1 667
Algunos de los problemas que presentan este tipo de sales son los que
mencionamos a continuaci�n:
1. En algunos casos la sal presenta un sobreenfriamiento o falla de la sal para
solidificarse en la temperatura respectiva.
2. Segregaci�n de los componentes de la mezcla por efecto de la gravedad
mientras se encuentra en fase l�quida.
3. Degradaci�n de la sal despu�s de varios ciclos de uso.
4. Falla de los recipiente que contienen las sales debido a que estas son
corrosivas.
5. Area de contacto grandes entre la sustancia y el fluido de trabajo que
transporta la energ�a de y hacia el tanque almac�n, en caso de sistemas
activos.
Algunos de estos problemas han sido resueltos parcialmente. Por ejemplo, la
adici�n de borax (tetraborato de sodio decahidratado) a la sal de Glauber
(Na2SO4.10H2O) elimina el sobreenfriamiento provocando la cristalizaci�n entre los
28 y 29 �C, con su consecuente liberaci�n de energ�a. Por otro lado, existen
ciertos agentes qu�micos que resuelven el problema de la segregaci�n o separaci�n
de la sustancia. Estos agentes, forman una especie de matriz microsc�pica que
mantiene a los componentes en suspensi�n. Finalmente, el problema de la
corrosi�n en los tanques de almacenamiento se resuelve parcialmente mediante el
uso de tanques hechos de diversos pl�sticos.
El uso principal de este tipo de sistemas, que pueden ser pasivos o activos,
es en el acondicionamiento calor�fico de edificios y viviendas y en diversos
procesos industriales. La figura 7.4 muestra un recipiente con una sal utilizado
como almac�n de energ�a y que tiene una gran �rea de contacto para asegurar una
buena transferencia del calor.
Para calcular el calor latente (Ql) que una sustancia puede almacenar al
cambiar de fase , utilizamos la siguiente ecuaci�n:
donde _fus es el calor latente de fusi�n o entalpia de fusi�n y m la masa de la
sustancia que cambia de fase.
Esta ecuaci�n tambi�n puede quedar en funci�n de la capacidad volum�trica
t�rmica (Cv). En este caso �sta es igual a:
y por lo tanto:
donde V es el volumen de la sustancia que cambia de fase.
Un estanque com�n con agua es capaz de captar una gran cantidad de energ�a
solar a trav�s de todos los d�as del a�o. Sin embargo, la temperatura del agua
permanece baja debido a que tambi�n hay grandes p�rdidas de energ�a por
radiaci�n, convecci�n y evaporaci�n principalmente. Una manera de evitar esas
p�rdidas de calor es mediante el uso de estanques con agua salada. Debido al
aumento en la densidad del agua por efecto de las sales disueltas, no se da el
efecto de la convecci�n dentro del estanque y adem�s esto permite que se
desarrolle un gradiente de temperatura estable y positivo hacia abajo. De esta
forma, la temperatura del fondo es mayor que la que se tiene en la superficie y
por la tanto se evita la mayor parte de las p�rdidas de calor que se dan en la
superficie del l�quido.
Otros aspectos que ayudan a que esto suceda, es que el agua -con sales o
sin sales disueltas- no es buena conductora t�rmica y adem�s es opaca a la
radiaci�n infrarroja. Tambi�n, permite que la fracci�n visible y ultravioleta de la
radiaci�n solar penetre hasta el fondo del estanque y ah� se quede almacenada. La
captaci�n de energ�a solar se puede mejorar si el fondo y paredes est�n pintadas
de negro. La remoci�n del calor se hace mediante intercambiadores de calor
apropiados, para evitar que la soluci�n tenga movimiento y por lo tanto se pierda
el gradiente de temperatura positivo. Otro factor que puede contribuir a que se
pierda dicho gradiente es el viento que pega en la superficie del l�quido. Esto se
puede evitar colocando una cubierta transparente adecuada sobre el estanque
solar.
La absorci�n de la radiaci�n de longitud de onda larga debe tomarse en
cuenta debido a que el 27% de la radiaci�n en el espectro solar total es absorbida
en el primer cent�metro de la salmuera. La eficiencia de aprovechamiento, en
consecuencia, est� limitada a la absorci�n en la capa con gradientes. Puede
demostrarse que la fracci�n
de luz que resta despu�s de atravesar una distancia x de agua clara es
donde a = 0.73 y b = 0.08. La profundidad x se expresa en cent�metros.
Podemos decir que en un estanque solar con salmuera se distinguen tres
regiones distintas, aunque difusas: Una capa de agua pura en la superficie, una
intermedia donde ocurren los gradientes de densidad y una convectiva en el
fondo. Esta �ltima es lo que constituye en realidad el sistema de almacenamiento
de energ�a, dado que tiene las mayores temperatura y se encuentra aislada de la
atm�sfera por las capas superiores.
La energ�a solar tambi�n puede almacenarse por medio de reacciones qu�micas.
Estas deben ser reacciones endot�rmicas reversibles, que se invierten cuando se
requiere que la energ�a sea liberada. Para que una reacci�n sea utilizada en el
almacenamiento de la energ�a solar, se requiere que:
1. La reacci�n sea reversible.
2. Los reactivos puedan hacer uso de la energ�a del espectro solar, tanto como
sea posible.
3. La energ�a almacenada en la reacci�n sea grande. Al menos del orden de 600
W-h/kg.
4. Que los reactivos sean econ�micos.
En caso de que los productos de la reacci�n puedan separarse y usarse
como combustibles, no se necesita que la reacci�n sea reversible. Un ejemplo
t�pico es la producci�n de hidr�geno. Este puede ser obtenido mediante al menos 4
procesos donde se puede utilizar la energ�a solar: proceso t�rmico directo,
termoqu�mico, electrol�tico y fotol�tico.
El primero de ellos necesita de temperaturas muy altas (3000 �C) para
descomponer el agua en sus elementos hidr�geno y ox�geno, y por lo tanto se
har�a necesario el uso de colectores concentradores.
En el segundo proceso se llevan a cabo una serie de reacciones qu�micas de
diversas sustancias, generalmente tambi�n a temperaturas altas (700 - 800 �C),
para finalmente obtener el hidr�geno.
Si la energ�a solar primero se convierte en energ�a el�ctrica mediante el uso
de paneles fotovoltaicos, el agua puede ser electrolizada para producir hidr�geno.
En las reacciones fotol�ticas, los fotones de la radiaci�n solar pueden ser
absorbidos por el agua y cuando la energ�a absorbida alcanza un cierto nivel,
(285.9 kJ/mol de agua), se libera el hidr�geno.
La energ�a solar tambi�n puede emplearse en los procesos de fermentaci�n
anaer�bica de algas para la producci�n de metano (CH4). Este es estable a
temperatura ambiente y al reaccionar con el ox�geno mediante una combusti�n,
libera la energ�a almacenada para producir altas temperaturas.
