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Antecedentes

Las primeras aplicaciones que tuvo la energía solar tienen sus orígenes en las antiguas civilizaciones, desde tiempos muy remotos el hombre usaba la radiación solar para secar y preservar los alimentos que cazaba o cultivaba, incluso muchas de ellas lo consideraban como deidad. (Lovegrove, 2012). Fue con el paso del tiempo que se empezaron a desarrollar los conocimientos y herramientas que permitirían un mejor aprovechamiento del recurso y expandir su uso a otras áreas del conocimiento.

Es común que, al hablar de la radiación solar como fuente de energía para satisfacer una necesidad, la mayoría de las personas dudan de su capacidad y fiabilidad. Es por esto que demostraciones y algunos hechos históricos han servido para dar una imagen más clara sobre el potencial que pueden llegar a tener los sistemas de captación solar. Uno de ellos fue el incendio a la flota romana en las costas de Siracusa por Arquímedes por medio de la concentración de los rayos del sol alrededor del año 200 AC, existen criticas de esta historia ya que no existía la tecnología para fabricar espejos, además existen referencias de un libro escrito por Arquímedes, On Burning Mirrors, pero no copias sobrevivientes. Se cree según Vitelio que Arquímedes uso 24 espejos para converger los rayos del sol en un punto en común que creó un punto crítico de alta temperatura, historiadores creen que uso escudos de soldados para construir una parábola que concentró la radiación a un punto específico en los barcos, que concuerda con la época en la que el matemático Diocles describió las propiedades de la parábola. (Kalogirou, 2014; Lovegrove, 2012).

De esta forma en los  siglos posteriores, existieron cientificos que se encargaron de replicar el experimento de Arquímedes, como Proclus quien quemo una flota enemiga en Bizancio, Constantinopla o Anatasio Kircher que experimento intentando incendiar una pila de madera a distancia. Con esto se probó a la radiación solar como fuente útil de energía pudiendo ser utilizada tanto en forma directa como calor o transformarla en otro tipo de energía mecánica o eléctrica. (Kalogirou, 2014).

Se pensaría que el uso de la energía solar comenzaría con colectores planos y sistemas más sencillos, pero la realidad es que las primeras aplicaciones se dieron con el uso de concentradores solares, complejos en su diseño, construcción y uso. Durante el siglo XVIII se construyeron hornos solares con metales pulidos, lentes y espejos para fundir metales como acero y cobre, en Europa y Medio Este de Estados Unidos. Existen muchos ejemplos y referencias acerca estos hornos, de los cuales destaca el construido por el químico francés Lavoisier quien en 1774 alcanzó 1750°C con uno de sus modelos, para imponer este record de temperatura que duro más de 100 años, usó dos lentes uno 1.32 m y uno secundario de 0.2m. Otro ejemplo es el trabajo de Comte de Boufon, quien en 1746 desarrollaría el diseño de heliostatos en los que experimentaría posteriormente entre 1747 y 1748 describiéndolos como “espejos calientes que queman a gran distancia”. Más tarde en 1904 el sacerdote portugués Padre Himalaya, construyó un horno solar con una estructura más moderna, este estaba compuesto por un gran colector parabólico fuera de eje. (Kalogirou, 2014; Lovegrove & Wes, 2012).

La siguiente etapa en el desarrollo de concetradores solares estaria en la alimentación de motores de vapor durante el siglo XIX. Liderados por August Mouchot, ingenieros de todo el mundo comenzaron a aplicar la radiación solar concentrada para producir vapor a baja presión para diversas aplicaciones. Mouchout presentó un modelo en la International Exhibition en Paris, donde el reflector en forma de cono truncado concentraba la radiación solar para producir el vapor que alimentaba un motor adosado a una máquina de imprenta. Sin embargo, era demasiado costoso para ser factible económicamente, uno de sus modelos pesaba unos 1400kg. Más tarde en Estados Unidos, John Ericsson y Eneas se encargarían de construir sus propios modelos, Ericsson incluso llego a ocupar aire como fluido de trabajo y Eneas construyó una bomba potenciada por vapor. (Kalogirou, 2014). Otro representante importante fue Frank Shuman quien en 1912 en colaboración con CV. Boys construyeron la planta de bombeo más grande del mundo en Egipto, funcionando con colectores cilíndrico parabólicos, la potencia de la planta rondaba entre los 37 y 45 kW en un periodo de 5 horas, aunque fue todo un éxito fue cerrada en la primera guerra mundial debido al desplome de los precios del petróleo. (Kalogirou, 2014; Lovegrove, 2012).

La tecnología de la energía solar concentrada tuvo un desarrollo comercial importante durante la crisis del petróleo en los 80s y 90s, de ahí no fue hasta 2005 cuando se retomó la tecnología, sin embargo, hubo importantes avances en la investigación y en desarrollo tecnológico. Ejemplos importantes fueron la implementación de sistemas de concentración a gran escala para la generación eléctrica. Uno de ellos es el proyecto construido en California en 1984 conformado por nueve plantas de generación SEGS (Solar electric generating systems), compuestas por concentradores cilíndrico parabólicos en un área de 2,000,000 m2 y turbinas de vapor, usando aceite como fluido de transporte en los colectores, con una potencia neta de 354 MWe. Esta planta se mantiene operando a la fecha con lo que se demuestra la viabilidad de este tipo de proyectos a largo plazo (Lovegrove, 2012).

También en los últimos años se han usado sistemas de concentración solar con colectores centrales en los que heliostatos abarcan una gran extensión de terreno reflejando la radiación incidente a un punto en común en una torre receptora, donde se produce el vapor sobrecalentado a 673K para generar electricidad.

La primera planta se construyó en Albuquerque, Nuevo México. Consistía en 220 heliostatos y tenía una potencia de 5 MW. La segunda, Solar One, se construyó en Barstow, California y tenía una potencia de salida de 35MW. (Kalogirou, 2014).

Debido a las políticas que han surgido contra el efecto invernadero, desde 2005 resurgió el desarrollo de los sistemas de concentración solar, presentando ventajas como rápida mitigación de los gases y almacenamiento térmico de la energía (6 horas o más).

Como consecuencia, muchos países han anunciado o están construyendo proyectos de plantas generadoras por concentración solar, entre ellos se encuentran Argelia, Moroco, Egipto, Israel, china, india, Australia, Sudáfrica, Portugal, Italia, Grecia. Malta y Chipre. Ademas cabe destacar los proyectos de india cuyos objetivos alcanzan hasta 20MWe de sistemas híbridos fotovoltaicos y de concentración solar y China de 1GW. (Lovegrove, 2012).

Otra de las aplicaciones directas de la energía solar térmica se dio en el calentamiento de agua y calefacción dentro del hogar, en los años 30s y 40s ganó mucho interés, pero no fue hasta los años 60s que comenzó la manufactura de calentadores solares de agua, esta industria se expandió rápidamente alrededor de todo el mundo. (Kalogirou, 2014). Otras aplicaciones del uso de energía solar como calor de proceso se encuentran en la industria alimenticia y farmacéutica, además de otras necesidades vitales como plantas desalinizadoras de agua.

Marco Teórico

Radiación solar

Las características del sol determinan la naturaleza de la energía que irradia hacia el espacio. Se tomarán en cuenta solo la radiación entre .25 y 3.0 um de longitud de onda y que representa la mayor parte de la energía radiada por el sol. El conocimiento de la naturaleza de la radiación incidente, así como del entendimiento de la captación tomando en cuenta los efectos de la orientación (Duffie, 2013).  y las propiedades de los materiales involucrados son de vital importancia en el dimensionamiento de sistemas de concentración solar (Kalogirou, 2014).

Con una temperatura de cuerpo negro de 5777 K y considerando la distancia media entre el sol y la tierra y sus diámetros se puede obtener la constante solar, GSC (Duffie, 2013). Esta se define como la energía incidente desde el sol por unidad de tiempo sobre una superficie perpendicular a la dirección de la radiación fuera de la atmósfera (Duffie, 2013; Lovegrove, 2012). Las mediciones de esta constante se han hecho de acuerdo a la tecnología existente en la época con lo que, en 1954 Johnson obtuvo una constante de 1395 W/m2 (Duffie, 2013).  

Con el uso de globos aerostáticos, cohetes y astronaves, se han hecho mediciones más exactas. Actualmente el World Radiation Center (WRC) ha adoptado el valor de 1367 W/m2 con una incertidumbre del 1% (Duffie, 2013; Lovegrove, 2012), de mediciones hechas por vuelos de cohetes en 1982 reportadas por Duncan (Duffie, 2013). La máxima irradiación terrestre en cambio varia significativamente dependiendo la localización y el clima, frecuentemente se toma el valor de 1000 W/m2 (Lovegrove, 2012), algunos de los factores causantes de la atenuación de la radiación incidente son: el espesor de las capas de ozono, la cantidad de partículas en el aire como agua, polvo, dióxido de carbono y la extensión de la cubierta por nubes (Kalogirou, 2014).  

Ademas de la constante solar también es importante conocer que el espectro de radiación solar se distribuye sobre un rango de longitudes de onda. A la energía incidente sobre una unidad de área por unidad de tiempo sobre una banda particular se le conoce como espectro solar (Duffie, 2013; Guasomi, 2015), una tabla estandarizada es proveída por el WRC. (Duffie, 2013).

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Geometría solar

Las relaciones geométricas entre un plano y la radiación incidente pueden describirse con un conjunto de ángulos, estos son (Duffie, 2013; Lovegrove, 2012; Kalogirou, 2014):

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