Energia Solar: Tipus, Avantatges i Inconvenients

Centrals solars: Al nucli del Sol, està formada per heli, hidrogen i carboni, i s'estan produint contínuament reaccions nuclears de fusió (dos àtoms d'hidrogen es fusionen per obtenir un àtom d'heli), que proporcionen una gran quantitat d'energia. Aquesta energia es transmet a l'exterior en forma de radiació. De la radiació, només una petita quantitat arriba a l'atmosfera terrestre, uns 1350 W/m², una part de la qual reflecteix cap a l'exterior i evita que n'arribin radiacions nocives. D'aquesta radiació, el 40% correspon a la radiació visible; el 57%, a la radiació infraroja, i el 3%, a la radiació ultraviolada. De la visible, en depèn la vida a la Terra; gràcies a la fotosíntesi s'obté l'oxigen i la biomassa. La infraroja genera una gran quantitat d'energia tèrmica que, emmagatzemada, és la que fa que la temperatura del planeta sigui adequada per a la vida i la que provoca els vents i el cicle de l'aigua.
Per tant, la major part de les fonts d'energia renovables i no renovables provenen de la radiació solar. En definitiva, tots els éssers vius que habitem la Terra rebem energia del Sol, directament o indirectament. L'energia solar arriba a la superfície de la Terra directament (radiació directa) o després de reflectir-se amb la pols i el vapor d'aigua que conté l'atmosfera (radiació difusa). Quan el cel està ennuvolat, la radiació difusa és l'única que ens arriba.

Inconvenients:

• 1. La radiació arriba de manera dispersa i inconstant a la superfície terrestre.
• 2. S'ha de transformar, en el moment que arriba, en energia tèrmica o elèctrica, ja que no es disposa de cap sistema d'emmagatzematge eficaç.
• 3. És necessària una inversió inicial elevada, atès que els sistemes de captació encara són relativament cars.

Sistemes d'aprofitament: Actualment, es disposa de dos sistemes d'aprofitament de l'energia solar: la via tèrmica, que consisteix en la transformació de la radiació solar en energia tèrmica; i la conversió fotovoltaica, en què la radiació es transforma directament en energia elèctrica. L'avantatge principal de l'aprofitament tèrmic és que s'aconsegueixen rendiments de fins al 65%. L'aprofitament tèrmic es pot realitzar mitjançant sistemes actius, captadors amb o sense concentració de la radiació i centrals termosolars per la producció d'energia elèctrica. També és possible l'aprofitament passiu de la radiació solar amb la construcció de cases amb disseny arquitectònic adaptat a l'entorn i al clima que les envolta. Els sistemes actius poden ser de temperatura baixa, mitjana i alta.

Centrals termosolars: L'obtenció d'energia elèctrica a través de l'energia tèrmica obtinguda de la radiació solar sempre segueix el mateix procés: la radiació solar es concentra sobre un fluid i es transforma en energia tèrmica; el fluid escalfat, en passar per un intercanviador, produeix el vapor que acciona un grup turboalternador, on s'obté l'energia elèctrica. Centrals amb col·lectors distribuïts (DCS): utilitzen els anomenats col·lectors de concentració, que concentren la radiació solar que reben en la superfície captadora d'un element receptor de superfície molt reduïda, la qual cosa permet obtenir, amb bons rendiments, temperatures de fins a 300 °C, que s'utilitza per generar electricitat o també en altres processos industrials. El principal inconvenient del col·lector de concentració és que només aprofiten la radiació directa; no són apropiats per a les zones climàtiques que, encara que tinguin una radiació solar acceptable, són relativament nuvoloses. Centrals solars de torre central (CRS): aprofiten l'energia solar a alta temperatura. El sistema de captació està format per una gran superfície coberta d'heliòstats, camp d'heliòstats, que concentra la radiació solar en un receptor instal·lat a l'extrem superior d'una torre. Els heliòstats són miralls amb sistema de seguiment de la trajectòria del Sol en els dos eixos, i com que són concentradors, només aprofiten la radiació directa. Centrals amb disc Stirling: està format per un concentrador parabòlic d'alta reflexió, per un receptor solar i per un motor Stirling que s'acobla a un alternador. El funcionament consisteix a escalfar un fluid localitzat en el receptor fins a una temperatura d'uns 750 °C. Aquesta energia és utilitzada per moure el motor que acciona un generador elèctric. Per a un funcionament òptim, el sistema incorpora un posicionament de doble eix per poder realitzar el seguiment de la trajectòria solar. Concentrador lineal Fresnel: El concentrador lineal Fresnel destaca per la senzillesa de construcció i pel baix cost. La tecnologia Fresnel utilitza miralls reflectors plans i aconsegueix un mirall corbat, per la variació individual de l'angle de cada fila de miralls en relació amb el tub absorbidor, on es concentra la radiació solar i per on circula l'aigua que cal escalfar. El tub absorbidor està separat del concentrador, a vuit metres, es manté fix i no té parts mòbils. Els concentradors s'instal·len a nivell de terra, redueixen la càrrega del vent i en faciliten el manteniment.

Conversió fotovoltaica: Un altre sistema per a l'aprofitament de la radiació solar és la conversió fotovoltaica, que consisteix a transformar la radiació solar directament en energia elèctrica, mitjançant captadors formats per cèl·lules solars o fotovoltaiques. Les cèl·lules fotovoltaiques estan constituïdes per una làmina de material semiconductor, normalment silici, que té la propietat de produir electricitat quan hi incideixen els fotons de les radiacions. Aquest fenomen s'anomena efecte fotovoltaic. Les aplicacions, deixant de banda la seva utilització en la indústria espacial, es poden classificar en dos grans grups: 1. Instal·lacions aïllades de la xarxa elèctrica comercial: electrificacions rurals, aplicacions agrícoles, senyalització i comunicacions. 2. Instal·lacions connectades a la xarxa elèctrica: centrals fotovoltaiques i sistemes integrats en edificis. Fotovoltaica de concentració CPV: El funcionament del sistema fotovoltaic de concentració es fonamenta en cèl·lules solars fabricades amb materials semiconductors compostos, que aprofiten la radiació solar amb una eficiència d'un 40%, el doble de les convencionals. Com que són materials molt cars, s'instal·len cèl·lules molt petites; per compensar aquestes dimensions tan reduïdes, s'utilitzen miralls que concentrin els raigs solars sobre les cèl·lules. Aquesta tecnologia s'utilitza en els panells dels satèl·lits i de les naus espacials, on es requereixen plaques que obtinguin el màxim d'energia solar en la mínima superfície possible.

Sistemes d'aprofitament d'energia solar de temperatura baixa: L'efecte d'hivernacle consisteix a col·locar un «parany» a la radiació infraroja que emet l'objecte escalfat, de manera que quedi retinguda dins l'espai tancat on és l'objecte, on la temperatura de l'espai augmenta. Aquest efecte s'aconsegueix tancant l'espai simplement amb un vidre. Recordem que un material qualsevol, en interaccionar amb una radiació rebuda determinada, es pot comportar de tres maneres diferents: transparent, reflectant i absorbent. El vidre es caracteritza pel fet de ser un material transparent a la radiació visible, però opac a la radiació infraroja, és a dir, que la reflecteix. Sistemes d'aprofitament: per satisfer les necessitats energètiques d'un habitatge genera estalvis econòmics importants que fan que les inversions realitzades tinguin una amortització relativament ràpida. Els aprofitaments es poden classificar en sistemes actius i sistemes passius.

Sistemes passius. Arquitectura bioclimàtica: busca l'obtenció del confort en els habitatges mitjançant la disposició millor d'un conjunt d'elements arquitectònics que permetin l'aprofitament màxim de l'energia solar rebuda i de les possibilitats de ventilació natural. Els seus principis es fonamenten en la utilització i la disposició de materials de característiques adequades, que formen part inseparable de l'estructura de l'edifici. Els elements bàsics utilitzats són: 1. Vidrieres. Capten l'energia solar i retenen la calor mitjançant l'efecte d'hivernacle. 2. Massa tèrmica. La seva finalitat és emmagatzemar la calor. Acostumen a ser elements estructurals: parets, murs, etc. 3. Elements de protecció. Com aïllaments, persianes, volades, teulades, etc. 4. Reflectors. Superfícies adequades per produir increments de radiació a l'hivern, que poden actuar com a elements de protecció a l'estiu. Sistemes actius: es basen en la captació de l'energia solar amb un conjunt de col·lectors plans i la seva transferència a un sistema d'emmagatzematge que abasta el consum quan és necessari. Subsistema de captació. Està format bàsicament pels captadors i la resta d'elements que enllacen amb l'emmagatzematge: canonades, vasos d'expansió,… Subsistema d'emmagatzematge. Actua d'intermediari entre la captació i el consum. Atès que en la majoria de casos el moment en què es produeix la màxima demanda energètica no coincideix amb els períodes de captació, és necessari emmagatzemar l'energia per tenir-la disponible quan es desitgi. En la majoria de casos és un dipòsit d'aigua convenientment aïllat. Quan el fluid de transport és l'aire, l'emmagatzematge s'efectua escalfant un dipòsit pla ple de pedres. Subsistema de consum. Està format per les canonades i elements que enllacen l'emmagatzematge amb els diferents punts de demanda, si es tracta d'aigua calenta sanitària; o bé radiadors i terra tèrmic, en cas de calefacció. Circuit obert o sistema directe. L'aigua que circula pels col·lectors és utilitzada directament per al consum. Aquest sistema presenta dos possibles inconvenients: hi ha aigües que poden originar incrustacions o corrosions i s'han de tractar. A més, s'hi han d'afegir anticongelants. Circuit tancat o sistema amb intercanviador. Consta de dos circuits independents. El primer conté l'aigua amb els additius contra la corrosió i la congelació. El secundari és el de consum pròpiament dit i rep l'energia del sistema primari en l'intercanviador.

El col·lector o captador: és l'element principal de la instal·lació, encarregat de captar l'energia de la radiació solar i transferir-la al fluid que s'ha d'escalfar. El seu funcionament es basa en l'efecte d'hivernacle. Els elements principals són: 1. La placa absorbent és l'element encarregat d'absorbir la radiació solar i cedir-la en forma de calor al fluid que circula pel seu interior. Formada per un conjunt de tubs per on circula el fluid i una superfície, normalment metàl·lica, de captació. 2. La coberta transparent té la finalitat de reduir les pèrdues, protegir la placa absorbent de la intempèrie i crear l'efecte d'hivernacle. El material més utilitzat és el vidre, que ha de complir dues condicions: ser trempat per aguantar possibles cops i tenir un baix contingut en òxids fèrrics. Les cobertes de plàstic transparent són menys fràgils, més lleugeres i econòmiques, però tenen problemes d'envelliment. 3. L'aïllament tèrmic redueix les pèrdues de calor a través del fons i de les parets laterals del captador. Els materials més utilitzats són la llana i el vidre, el poliestirè expandit i l'escuma de poliuretà. És convenient incorporar una làmina reflectant a la cara superior de l'aïllament per evitar el seu contacte i reflectir. 4. A la caixa contenidora s'allotgen tots els elements del col·lector. Ha de donar rigidesa i estanquitat al conjunt, a més de ser resistent a la intempèrie.

L'aprofitament dels residus sòlids urbans (RSU): es consideren residus sòlids urbans els generats per l'activitat domèstica en els nuclis de població. La concentració de la població en nuclis urbans, juntament amb el creixement demogràfic i l’augment del consum de productes envasats, i d’envelliment ràpid, es tradueix en residus sòlids urbans o escombraries. Procediments actuals per eliminar els RSU són: Abocament. Emmagatzemar els residus sobre el terreny i enterrar-los amb terra. És la pràctica més comuna a la majoria de països. No obstant això, això requereix grans superfícies de terreny, els emplaçaments tenen una vida limitada i l’emissió de gasos i els riscos de contaminació d'aqüífers són elevats. Compostatge. Separació de la matèria orgànica de la resta de residus i el seu tractament posterior mitjançant processos de fermentació aeròbics per obtenir-ne compost. Reciclatge. Separació de les fraccions dels RSU, que poden ser reincorporades als processos de producció i consum amb un valor de venda determinat. Incineració. L'eliminació dels residus mitjançant un procés de combustió i tractament dels gasos resultants.

Els ecoparcs: són instal·lacions que permeten obtenir energia i adob a partir dels RSU i de les restes de poda de parcs i jardins. Disposen de dues línies de tractament: 1. Tractament de la fracció orgànica procedent de la recollida selectiva, per obtenir-ne compost de qualitat. 2. Tractament de la fracció resta (on encara hi pot haver matèria orgànica) amb l'objectiu de: (Valorar la matèria orgànica de la resta per obtenir-ne, en uns grans digestors anaeròbics, biogàs i un material digerit amb el qual posteriorment també es farà compost. //Estabilitzar les característiques del rebuig abans de la seva disposició final. //Separar alguns materials susceptibles de ser valorats)

Recuperació de biogàs en els abocadors: El biogàs produït per la fermentació dels residus orgànics s'escampa pels abocadors i pot produir explosions i incendis; a més, a causa dels perills que provoca la seva emissió a l'atmosfera, es fa necessària la seva extracció controlada. Per extreure-ho, construeixen pous de desgasificació i extracció, que són perforacions repartides sobre la superfície de l'abocador, proveïdes de tubs amb reixetes que permeten enviar a la superfície els gasos de l'interior. Aquests pous s'uneixen per mitjà d'una xarxa de canonades que condueixen els gasos a centrals de bombament, sistemes de compressió i sistemes de tractament, per reduir o eliminar els elements que dificulten el seu aprofitament energètic.

Recuperació d'energia a les incineradores de residus: Tot i que de vegades ha sorgit controvèrsia sobre el seu impacte ambiental, la incineració de residus amb aprofitament energètic és un procés cada cop més utilitzat a Europa.
Una planta incineradora és una instal·lació on té lloc un procés de combustió controlada del rebuig dels residus, els quals són transformats en cendres, escòries i gasos. D'aquesta manera es redueix considerablement el volum de residus i s'aprofita l'energia que contenen per generar electricitat.
Les cendres i les escòries són objecte d'una disposició controlada i els fums i gasos són rentats i depurats.

La biomassa: tota la matèria viva existent en un moment determinat a la Terra. Des del punt de vista energètic, es considera biomassa la matèria orgànica d’origen vegetal o animal, obtinguda de manera natural o procedent de les seves transformacions artificials.
L’origen és la fotosíntesi vegetal, procés on les plantes verdes transformen l’energia solar en energia química, en forma de substàncies orgàniques. Hi ha tres parts: 1. Processos físics: Estan destinats a preparar la biomassa per a l'ús directe com a combustible o per a processos bioquímics o termoquímics posteriors: (Homogeneïtzació o refinament. Consisteix en l'adequació de la biomassa a unes condicions de granulometria, humitat o composició per mitjà de la trituració, l'estellatge, … //Densificació. Consisteix en la millora de les propietats de la biomassa amb la fabricació de briquetes i pal·lets per tal d’aconseguir-ne un pes específic més alt i millorar les seves possibilitats d'emmagatzematge i transport.) 2. Processos termoquímics: La biomassa es sotmet a diverses transformacions en determinades condicions de pressió i temperatura, per obtenir combustibles fòssils, líquids i gasosos. Mètodes més utilitzats: (Piròlisi o destil·lació seca: degradació tèrmica de la molècula de la biomassa en absència d’oxigen, mètode tradicional per l’obtenció del carboni vegetal. //Gasificació: De la combustió incompleta de biomassa en presència de l'oxigen s'obté un gas pobre format per CO, H, i CH₄, entre d'altres. El procés es realitza en instal·lacions anomenades gasògens.)