Energía solar térmica

La agrivoltaica es una práctica que se define como la ubicación conjunta de cultivos y pastos bajo 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 utilizado para describir una tecnología, como un secador de cultivos o un calentador de agua solar, que convierte la energía del sol en energía térmica. Esta energía térmica puede utilizarse para calentar, secar y distribuir aire, agua o fluidos de transferencia de calor. Los principios de la energía solar térmica pueden emplearse en el secado, procesamiento y almacenamiento de cultivos, así como en operaciones que requieren un uso intensivo de agua, como las explotaciones lecheras.

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 denominado receptor. La energía acumulada se utiliza posteriormente para accionar un generador eléctrico. Los sistemas CST suelen asociarse con la producción eléctrica a gran escala; sin embargo, la CST también tiene aplicaciones potenciales en el calentamiento de agua para uso comercial, la desalinización de agua y la industria manufacturera. En la agricultura, los sistemas solares térmicos a menor escala pueden utilizarse para el secado de cultivos y cereales, el procesamiento y secado de alimentos, los invernaderos y para calentar el agua de proceso en las explotaciones lecheras, como el sistema Winton Cone Optics que se muestra en la foto de abajo y que se describe más adelante en esta sección.

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

Resumen sobre el secado solar térmico de cultivos

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

El secado solar térmico es un método para deshidratar cultivos alimentarios y cereales utilizando energía solar. Se trata de una técnica respetuosa con el medio ambiente y energéticamente eficiente que aprovecha el calor del sol para eliminar la humedad de los productos agrícolas y conservarlos durante su almacenamiento. Los cereales, 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 añadido.

Los secadores de cultivos se pueden clasificar según la fuente de energía que utilizan para su funcionamiento. Existen tres tipos: los secadores de combustibles fósiles, los secadores eléctricos y los secadores de energía solar. Se necesitan 2,4 megajulios de energía para evaporar 1 litro de agua y la mayoría de los secadores funcionan con una eficiencia inferior al 50 %, por lo que requieren un gran aporte de energía (Dhumne et al., 2015). Debido al coste de funcionamiento de los secadores de cultivos que funcionan con combustibles fósiles y los eléctricos, los secadores solares han ganado atención como alternativa económica. Los secadores solares a pequeña escala se han utilizado en todo el mundo, especialmente en zonas donde escasean el combustible y la electricidad y donde las condiciones solares y meteorológicas son favorables. 

Los secadores solares se clasifican, a su vez, en pasivos (que utilizan la convección natural) o activos (que utilizan la convección asistida). Dentro de estos dos tipos principales, existen tres diseños diferentes de secadores solares: de modo directo, indirecto y mixto. Todos estos sistemas cuentan con un colector solar, a menudo fabricado en vidrio o plástico, aunque también puede tratarse de 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, que luego se transfiere a una cámara de secado donde los alimentos se extienden en una capa fina para maximizar la exposición al aire caliente.

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

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

Un diseño básico de secador solar indirecto, que se muestra en la figura 1, incluye una caja aislada con una ventana de cristal que deja pasar la luz, una superficie oscura que absorbe la luz e irradia calor, una entrada de aire que permite la entrada de aire frío y una salida de aire situada en un punto más elevado de la caja del secador que permite la salida del aire caliente, que asciende de forma natural (Muhammad K., 2003). El calor del sol, que se magnifica en el secador solar, y el movimiento natural del aire a través del secador actúan para deshidratar los cultivos colocados en la cámara de secado. Para evitar el moho, una buena práctica consiste en limpiar la cámara de secado y eliminar la condensación con regularidad. También se puede incorporar al diseño un ventilador alimentado 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 separada del colector solar (Figura 2). 

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

Secado de cereales

Los cereales como el arroz, la soja, el maíz y el trigo casi siempre se cosechan con un contenido de humedad demasiado elevado para garantizar un almacenamiento seguro de la cosecha. Los altos niveles de humedad en el grano almacenado provocan el deterioro y la aparición de aflatoxinas generadas por el moho, que pueden arruinar la cosecha y resultar perjudiciales para los animales y las personas (NTP, 2021). Para evitarlo, a veces se seca el grano mediante secado natural al aire, en el que se impulsa aire a través del fondo perforado de un silo y lo se hace pasar por el grano almacenado mediante 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 EE. UU. se seca de esta manera.

Edificios con energía solar térmica y silos de grano

El tejado metálico y las paredes laterales de un edificio nuevo o ya existente pueden transformarse en un colector solar térmico. En esta aplicación, el metal existente en la fachada orientada al sur del edificio se pinta de negro y se fijan correas de madera para colocar una segunda capa de metal o un revestimiento transparente. Un recubrimiento metálico crea lo que se denomina un colector solar de placa desnuda, mientras que un recubrimiento transparente crea un colector solar de placa cubierta (Figura 3). A continuación, el aire calentado por energía solar se canaliza 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 3. Edificio con energía solar térmica

Figura 4. Silo de grano con energía solar térmica

Energía solar térmica para agua de proceso

En las explotaciones agrícolas que requieren grandes cantidades de agua caliente, como las granjas lecheras, el calentamiento del agua puede suponer hasta un 40 % de los costes energéticos. En granjas como estas, el calentamiento solar térmico del agua puede utilizarse para reducir los costes energéticos. Los calentadores de agua solares, al igual que los secadores de cultivos y cereales descritos anteriormente, requieren un colector solar para captar 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 depósito de almacenamiento de agua caliente. El esquema básico de un colector solar de agua caliente sencillo 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 dicho medio recogen y almacenan el calor solar. Posteriormente, esta agua caliente se utiliza 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 unos tubos metálicos que contienen un fluido caloportador que se utiliza para calentar el agua en un depósito de almacenamiento.  Este tipo de sistemas funciona mejor con agua que no necesita 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 fluido caloportador conectados a la superficie oscura. A menudo se les denomina «tubos de vacío», ya que están diseñados como un conjunto de dos tubos de vidrio entre los que se ha eliminado el aire, es decir, se ha creado un vacío. Este vacío se crea para reducir la pérdida de calor. 

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

FIGURA 6. Esquema de un colector solar plano con fluido caloportador. Gráfico: NCAT

En el caso de Winston Cone Optics, los tubos de vacío se combinan con reflectores solares, tal y como se muestra en la foto de abajo. En la figura 7 se muestra un esquema de su proceso. Con este sistema, pueden calentar agua, generar vapor y suministrar calor de proceso a temperaturas 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

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

La foto de arriba muestra un conjunto de colectores solares térmicos de placa plana acoplado a un túnel alto. En este sistema, los colectores proporcionan calor para un sistema de calefacción hidrónica subterránea en un túnel de 9 x 29 metros. En el interior del túnel alto, un depósito de almacenamiento solar subterráneo aislado de 500 galones se calienta con el fluido caloportador que circula por los paneles colectores. El agua que circula por los tubos PEX enterrados bajo los bancales de cultivo se calienta desde el depósito 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 reserva para calentar el agua en los días nublados, cuando no se puede utilizar la energía solar.

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 captando la luz solar, convirtiéndola en calor y transfiriendo ese calor mediante 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 calefacción solar concentrada para una granja lechera. Al aprovechar la energía solar, la energía térmica puede contribuir a que los procesos agrícolas sean más eficientes y respetuosos con el medio ambiente, al tiempo que se consigue un ahorro significativo en los costes energéticos.

CONCLUSIÓN

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 los Estados Unidos, 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 de agua solares. energy.gov/energysaver/solar-water-heaters