Resumen de Desarrollo de un prototipo mecatrónico de seguidor solar parabólico para la edificación
La producción de energía desde la Revolución Industrial se ha centrado en el empleo de combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural). De otra parte, las potencias emergentes (China, India y Brasil), deseosos de incrementar sus economías y replicando el modelo de crecimiento de países industrializados, son igualmente intensivos en el consumo de las anteriores materias primas. Ello genera indefectiblemente dos graves problemas: • El progresivo agotamiento de yacimientos petrolíferos y de gas natural (vida estimada en 50 años) y de carbón (150 años).
• Las desaforadas emisiones de gases de efecto invernadero (CO2 y CH4) que van emparejadas a la quema de combustibles (partículas presentes en la atmósfera en concentraciones de 413 ppm, responsables ya de un incremento de 1ºC en la temperatura atmosférica). Es el tristemente conocido como cambio climático.
Son muchísimas las actividades que el ser humano desarrolla, que generan esta insostenible contaminación medioambiental: amén de la producción energética “clásica”, son también responsables el transporte, fabricación de bienes de consumo, minería, telecomunicaciones, industrias alimenticias… y edificación. En efecto, se estima que en España es responsable del 33% de consumo de la energía anual generada (imputando la necesaria para fabricar materiales de construcción precisos para el sector y energía térmica y eléctrica empleada por hogares y edificio). Y dicho sector es responsable, con el actual “mix” energético nacional, del 30% de emisiones nocivas. A resultas de lo anterior parece imprescindible que las sociedades avanzadas inicien una transición hacia un modelo económico de crecimiento basado en el desarrollo sostenible, donde los dos pilares sean la eficiencia energética y las energías renovables. En añadidura, están apareciendo nuevos actores que cambiarán en las próximas décadas el paradigma energético a escala mundial: generación distribuida, edificios inteligentes, viviendas de consumo casi nulo y procesado masivo de datos. Un apasionante desafío para el futuro.
De entre las tecnologías renovables, la energía solar en todas sus vertientes de aprovechamiento (térmica, fotovoltaica y de concentración), parte como una de las mejores candidatas para liderar el anterior desafío. Afortunadamente, las dos primeras ya son familiares en el sector edificación. La primera para producción de ACS, apoyo a calefacción, climatización de piscinas y frío solar por absorción. La segunda bien para generación de electricidad para autoconsumo, bien para inyección a red. Sin embargo, la solar de concentración hasta la fecha ha tenido una presencia poco significativa en viviendas y construcciones. Así, aun existiendo una base instalada de 50 plantas industriales termosolares ya operativas y elevada potencia (totalizando 2,3 GW en España) no hay casi dispositivos basados en energía solar de concentración adaptados a las necesidades energéticas de nuevas edificaciones. En añadidura, las actuales bases de datos de irradiancia solar se obtienen mediante radiómetros superficiales distribuidos por todo el país, junto a medidas indirectas de radiación reflejada sobre la superficie terrestre, integradas en algoritmos de interpolación de datos: aun siendo válidos, hay margen de mejora para confeccionar tablas de valores ad hoc.
Al igual que los proyectos de investigación en robótica medioambiental existentes y de la confluencia de lo anterior, la presente Tesis Doctoral pretende diseñar, simular, fabricar, validar y experimentar con un prototipo mecatrónico de seguidor termosolar paraboloidal y cilindro-parabólico basado en Arduino, capaz de capturar y almacenar variables operativas y meteorológicas. En paralelo, se construirá una estación meteorológica ex profeso que servirá para establecer patrones de medida para las magnitudes que el primero mesure. Será necesario tener presente el estado actual de la tecnología en energía solar de concentración, el aprovechamiento de las propiedades ópticas de cónicas y cuádricas, la trigonometría esférica, los fundamentos de concentración solar y el seguimiento de trayectorias a uno y dos ejes. Todo ello con el objetivo específico de analizar la validez del prototipo como herramienta de adquisición de datos útiles para Técnicos e Ingenieros, tanto para mejorar las tablas de valores meteorológicos como para ser empleada como material formativo. Como objetivo general se puede fijar uno ambicioso: servir de modesta aportación a la comunidad científico-técnica de forma que se agilice la transferencia de conocimiento de la energía termosolar de concentración, desde las actuales plantas industriales al sector Edificación.
