Energía solar térmica

Introducción

La agrivoltaica es una práctica que se define como la ubicación conjunta de cultivos y pastoreo debajo y junto a paneles solares fotovoltaicos. El concepto de ubicación conjunta agrisolar va más allá de la energía solar fotovoltaica e incluye otras formas de producción de energía solar que no son fotovoltaicas, como la energía solar térmica. «Energía solar térmica» es un término que se utiliza para describir una tecnología —como un secador de cultivos o un calentador solar de agua— que convierte la energía del sol en energía térmica. Esta energía térmica se puede utilizar para calentar, secar y distribuir aire, agua o fluidos de transferencia de calor. Los principios de la energía solar térmica se pueden emplear en el secado, el procesamiento y el almacenamiento de cultivos, así como en operaciones que requieren un uso intensivo de agua, como las lecherías.

Además de los sistemas de producción de energía solar fotovoltaica, la producción de energía solar térmica es una excelente forma de captar y aprovechar la energía solar. En la producción de energía solar térmica concentrada ( CST), la energía del sol se concentra mediante espejos, lentes y platos o canales parabólicos que reflejan la energía térmica hacia un punto de captación llamado receptor. La energía acumulada se utiliza luego para impulsar un generador eléctrico. Los sistemas CST suelen asociarse con la generación eléctrica a escala industrial; sin embargo, la CST también tiene aplicaciones potenciales en el calentamiento de agua para uso comercial, la desalinización del agua y la industria manufacturera. En la agricultura, los sistemas solares térmicos a menor escala pueden utilizarse para el secado de cultivos y granos, el procesamiento y secado de alimentos, los invernaderos y para calentar el agua de proceso en las lecherías, como el sistema Winton Cone Optics que se muestra en la foto a continuación y que se describe más adelante en esta sección.

Sistema solar térmico de Winston Cone Optics. Foto: Winston Cone Optics

Descripción general del secado solar térmico de cultivos

Desde hace milenios, se ha utilizado el sol para secar los cultivos con el fin de conservarlos. Este proceso de secado natural consiste en exponer los productos agrícolas al sol y al viento, y sigue utilizándose en ciertas regiones para conservar los cultivos debido a su bajo costo y a su sencillez. Sin embargo, está limitado por las condiciones naturales que afectan al secado, como las horas de sol y la precipitación, lo que puede dar lugar a resultados inconsistentes y de baja calidad. Además, el secado al sol puede ser un proceso prolongado, lo que deja al cultivo expuesto a insectos, animales y aves.

El secado solar térmico es un método para deshidratar cultivos alimenticios y granos utilizando energía solar. Se trata de una técnica ecológica y energéticamente eficiente que aprovecha el calor del sol para eliminar la humedad de los productos agrícolas y conservarlos durante los períodos de almacenamiento. Los granos, las frutas, las verduras, las hierbas, la carne y el pescado son algunos de los productos agrícolas que se secan para preservar su calidad y para su uso en una variedad de productos de valor agregado.

Los secadores de cultivos se pueden clasificar según la fuente de energía que utilizan para funcionar. Existen tres tipos: los secadores a combustible fósil, los secadores eléctricos y los secadores de energía solar. Se requieren 2,4 megajulios de energía para evaporar 1 litro de agua, y la mayoría de los secadores operan con una eficiencia inferior al 50 %, lo que implica un gran consumo de energía (Dhumne et al., 2015). Debido al costo de operación de los secadores de cultivos que funcionan con combustibles fósiles y los eléctricos, los secadores solares han ganado atención como una alternativa económica. Los secadores solares a pequeña escala se han utilizado en todo el mundo, especialmente en áreas donde el combustible y la electricidad son escasos y existen condiciones solares y climáticas favorables. 

Los secadores solares se clasifican, a su vez, en pasivos (que utilizan la convección natural) o activos (que utilizan la convección motorizada). Dentro de estos dos tipos principales, existen tres diseños diferentes de secadores solares: directo, indirecto y de modo mixto. Todos estos sistemas cuentan con un colector solar, que suele estar hecho de vidrio o plástico, aunque también puede ser una superficie metálica pintada de negro para optimizar la captación de energía solar. El colector solar absorbe la luz solar y la convierte en energía térmica, la cual luego se transfiere a una cámara de secado donde los cultivos se distribuyen en una capa delgada para maximizar la exposición al aire caliente.

Una opción para el secado solar térmico directo de cultivos es un invernadero o una estructura tipo túnel alto con ventilación natural y mesas y estantes con malla en el interior para colocar el producto que se va a secar, como se muestra en la foto de abajo. Se recomienda agregar un ventilador que funcione con energía solar para forzar la circulación de aire a través del invernadero o del túnel alto.

Secado solar térmico directo de granos de café. Foto: NCAT

Un diseño básico de secador solar indirecto, como se muestra en la Figura 1, incluye una caja aislada con una ventana de vidrio que permite el ingreso de luz, una superficie oscura que absorbe la luz e irradia calor, una entrada de aire que permite el ingreso de aire frío y una salida de aire en un punto más elevado de la caja del secador que permite la salida del aire caliente, el cual asciende de manera natural (Muhammad K., 2003). El calor del sol, que se amplifica en el secador solar, y el movimiento natural del aire a través del secador actúan para deshidratar los cultivos colocados en la cámara del secador. Para evitar el moho, una buena práctica consiste en limpiar la cámara del secador y eliminar la condensación con regularidad. También se puede incorporar al diseño un ventilador que funcione con energía solar para reducir la condensación y aumentar la deshidratación.

Figura 1. Esquema de un secador solar de aire. Gráfico: NCAT

Una variante de este diseño incluye la incorporación de un ventilador, que puede funcionar con energía solar, y una cámara de secado con bandejas para cultivos que está separada del colector solar (Figura 2). 

Figura 2. Esquema de un secador solar de aire con cámara de secado independiente. Gráfico: NCAT

Secado de granos

Los granos como el arroz, la soya, el maíz y el trigo casi siempre se cosechan con un contenido de humedad demasiado alto para almacenar la cosecha de manera segura. Los altos niveles de humedad en el grano almacenado provocan el deterioro y la formación de aflatoxinas causadas por el moho, que pueden arruinar la cosecha y ser dañinas para los animales y los seres humanos (NTP, 2021). Para evitarlo, en ocasiones se seca el grano mediante secado natural al aire, en el que se hace pasar aire a través del fondo perforado de un silo y se impulsa hacia arriba a través del grano almacenado con un ventilador. Esto puede funcionar bien cuando las condiciones del aire ambiente son lo suficientemente secas como para permitir que se elimine la humedad del grano. Cuando las condiciones ambientales no permiten un secado natural al aire eficaz, se utiliza un calentador para ayudar a secar el grano. La mayor parte del grano almacenado en los EE. UU. se seca de esta manera.

Edificios con energía solar térmica y silos para granos

El techo y las paredes laterales metálicas de un edificio, ya sea nuevo o existente, pueden convertirse en un colector solar térmico. En esta aplicación, el metal existente en el lado sur del edificio se pinta de negro y se fijan correas de madera para colocar una segunda capa de metal o un recubrimiento transparente. Un recubrimiento metálico crea lo que se conoce como un colector solar de placa desnuda, mientras que un recubrimiento transparente crea un colector solar de placa cubierta (Figura 3).

Figura 3. Edificio con energía solar térmica

El aire calentado por energía solar se canaliza luego hacia un silo de grano adyacente. De manera similar, el silo donde se seca y almacena el grano puede convertirse en un colector solar térmico (Figura 4).

Figura 4. Silo de granos con energía solar térmica

Proceso solar térmico para el agua

En las operaciones agrícolas que requieren grandes cantidades de agua caliente, como las granjas lecheras, el calentamiento del agua puede representar hasta el 40 % de los costos de energía. En granjas como estas, se puede utilizar el calentamiento solar térmico del agua para reducir los costos de energía. Los calentadores solares de agua, al igual que los secadores de cultivos y granos descritos anteriormente, requieren un colector solar para capturar la energía del sol. Dependiendo del diseño, esta energía se transfiere directamente al agua que se está calentando o a un fluido caloportador, como el glicol, que se bombea a través de un intercambiador de calor para calentar el agua.

Los diseños de los sistemas solares de calentamiento de agua varían, pero los componentes básicos son un colector, un intercambiador de calor y un tanque de almacenamiento de agua caliente. Un esquema básico de un colector solar de agua caliente simple, que se muestra en la Figura 5 a continuación, ilustra los principios básicos de la captación y el almacenamiento de calor solar para agua caliente. Al igual que en los secadores solares, el calor del sol se transfiere a través de un medio transparente o semitransparente, como el vidrio, y los depósitos de agua situados detrás de ese medio recogen y almacenan el calor solar. Esta agua caliente se utiliza luego en los procesos agrícolas.

Figura 5. Sistema solar térmico sencillo para el calentamiento de agua (Departamento de Energía de EE. UU., 2024)

Como se muestra en la Figura 5, los sistemas solares térmicos para agua suelen incluir un colector de placa plana. En este tipo de sistema, una placa metálica plana está conectada a tubos metálicos, los cuales contienen un fluido caloportador que se utiliza para calentar el agua en un tanque de almacenamiento.  Este tipo de sistemas funciona mejor con agua que no necesite calentarse a más de 200°F (Administración de Información Energética de EE. UU., 2024). Los componentes principales de un colector solar de placa plana son:

1. Una superficie negra u oscura que absorbe la energía solar.
2. Una cubierta transparente que deja pasar la radiación solar hacia la superficie oscura, pero evita la pérdida de calor de dicha superficie.
3. Tubos que contienen un fluido caloportador conectados a la superficie oscura. A menudo se les llama «tubos de vacío» porque están diseñados como un conjunto de dos tubos de vidrio, de los que se ha extraído el aire, es decir, se ha creado un vacío. Este vacío se crea para reducir la pérdida de calor. 

Es común construir una estructura de soporte con aislamiento alrededor de la placa y los tubos. La figura 6 es un esquema de un sistema básico de placa plana. 

FIGURA 6. Esquema de un colector solar de placa plana con medio de transporte líquido. Gráfico: NCAT

En el caso de Winston Cone Optics, los tubos al vacío se combinan con reflectores solares, como se muestra en la foto de abajo. En la Figura 7 se presenta un esquema de su proceso. Con este sistema, pueden calentar agua, generar vapor y proporcionar calor de proceso de hasta 350 °F.

Reflectores solares y tubos de vacío de Winston Cone Optics. Foto: Winston Cone Optics

Figura 7. Esquema de Winston Cone Optics. Imagen: Winston Cone Optics

La foto de abajo muestra un conjunto de colectores solares térmicos planos acoplados a un túnel alto. En este sistema, los colectores proporcionan calor para un sistema de calefacción hidrónica enterrado en un túnel de 30 por 96 pies de altura. Dentro del túnel alto, un tanque de almacenamiento solar aislado de 500 galones, instalado en el suelo, se calienta con el fluido de transferencia de calor que circula a través de los paneles colectores. El agua que circula por tuberías PEX enterradas bajo los lechos de cultivo se calienta desde el tanque de almacenamiento a través de un intercambiador de calor que transmite el calor a la zona radicular de los cultivos. Se utiliza un calentador de respaldo para calentar el agua en los días nublados, cuando no se puede utilizar la energía solar.

Colectores solares térmicos planos que calientan un túnel alto. Foto: NCAT

La energía solar térmica ofrece la oportunidad de aprovechar la luz solar y utilizar esa energía para el secado, el procesamiento y el almacenamiento de los cultivos. La energía solar térmica funciona al captar la luz solar, convertirla en calor y transferir ese calor mediante corrientes de aire o fluidos caloportadores. Los proyectos pueden ser tan simples como un secador solar de aire o tan complejos como un sistema de calefacción solar concentrada para una lechería. Al aprovechar la energía del sol, la energía térmica puede ayudar a que los procesos agrícolas sean más eficientes y respetuosos con el medio ambiente, al tiempo que se logran ahorros significativos en los costos de energía.

Conclusión

La energía solar térmica ofrece la oportunidad de captar la luz solar y utilizar esa energía para el secado, el procesamiento y el almacenamiento de cultivos. La energía solar térmica funciona mediante la captación de la luz solar, su conversión en calor y la transferencia de ese calor a través de corrientes de aire o fluidos caloportadores. Los proyectos pueden ser tan sencillos como un secador solar de aire o tan complejos como un sistema de calentamiento solar concentrado para una lechería. Al aprovechar la energía solar, la energía térmica puede ayudar a que los procesos agrícolas sean más eficientes y respetuosos con el medio ambiente, al tiempo que se logran ahorros significativos en los costos de energía.

Referencias

Dhumne, L.R., V.H. Bipte y Y.M. Jibhkate. 2015. Secadores solares para el secado de productos agrícolas. International Journal of Engineering Research. Vol. 3, n.º 2. (PDF) Secadores solares para el secado de productos agrícolas (researchgate.net)

Muhammad, Kamran. 2023. Fundamentos de los sistemas de redes inteligentes. Academic Press. doi.org/10.1016/C2021-0-02193-3

Programa Nacional de Toxicología (NTP). 2021. Informe sobre carcinógenos, decimoquinta edición. Departamento de Salud y Servicios Humanos de EE. UU., Servicio de Salud Pública. Research Triangle Park, Carolina del Norte. 

Administración de Información Energética de EE. UU. 2024. Colectores solares térmicos. Administración de Información Energética de EE. UU., Washington, D.C.

Departamento de Energía de EE. UU. 2024. Calentadores solares de agua. energy.gov/energysaver/solar-water-heaters