Energía solar térmica

paneles termosolaresDos colectores solares planos, instalados en un tejado.©SolarCoordinates

La energía solar térmica o energía termosolar consiste en el aprovechamiento de la energía del Sol para producir calor que puede aprovecharse para cocinar alimentos o para la producción de agua caliente destinada al consumo de agua doméstico, ya sea agua caliente sanitaria, calefacción, o para producción de energía mecánica y, a partir de ella, de energía eléctrica. Adicionalmente puede emplearse para alimentar una máquina de refrigeración por absorción, que emplea calor en lugar de electricidad para producir frío con el que se puede acondicionar el aire de los locales.
Los colectores de energía solar térmica están clasificados como colectores de baja, media y alta temperatura. Los colectores de baja temperatura generalmente son placas planas usadas para calentar agua. Los colectores de temperatura media también usualmente son placas planas usadas para calentar agua o aire para usos residenciales o comerciales. Los colectores de alta temperatura concentran la luz solar usando espejos o lentes y generalmente son usados para la producción de energía eléctrica. La energía solar térmica es diferente y mucho más eficiente que la energía solar fotovoltaica, la que convierte la energía solar directamente en electricidad. Mientras que las instalaciones generadoras proporcionan solo 600 megavatios de energía solar térmica a nivel mundial a octubre de 2009, otras centrales están bajo construcción por otros 400 megavatios y se están desarrollando otros proyectos de energía termosolar de concentración por un total de 14 gigavatios

Agua caliente sanitaria (ACS)

En cuanto a la generación de agua caliente para usos sanitarios (también llamada «agua de manos»), hay dos tipos de instalaciones de los comúnmente llamados calentadores: las de circuito abierto y las de circuito cerrado. En las primeras, el agua de consumo pasa directamente por los colectores solares. Este sistema reduce costos y es más eficiente (energéticamente hablando), pero presenta problemas en zonas con temperaturas por debajo del punto de congelación del agua, así como en zonas con alta concentración de sales que acaban obstruyendo los conductos de los paneles. En las instalaciones de circuito cerrado se distinguen dos sistemas: flujo por termosifón y flujo forzado. Los paneles solares térmicos tienen un muy bajo impacto ambiental.

Calefacción y frío solar

La energía solar térmica puede utilizarse para dar apoyo al sistema convencional de calefacción (caldera de gas o eléctrica), apoyo que consiste entre el 10 % y el 20 % de la demanda energética de la calefacción. Para ello, la instalación o caldera ha de contar con intercambiador de placas (funciona de forma similar al baño María, ya que el circuito de la caldera es cerrado) y un regulador (que dé prioridad en el uso del agua caliente para ser empleada en agua de manos).

esquema funcionamiento energia solar termicaGeneración de agua caliente con una instalación de circuito cerrado.©Inkwibbna

Componentes de la instalación

Una instalación Solar Térmica está formada por captadores solares, un circuito primario y secundario, intercambiador de calor, acumulador, vaso de expansión y tuberías. Si el sistema funciona por termosifón será la diferencia de densidad por cambio de temperatura la que moverá el líquido. Si el sistema es forzado entonces necesitaremos además: bombas y un panel de control principal.

Captadores solares

Los captadores solares son los elementos que capturan la radiación solar y la convierten en energía térmica, en calor. Como captadores solares se conocen los de placa plana, los de tubos de vacío y los captadores absorbedores sin protección ni aislamiento. Los sistemas de captación planes (o de placa plana) con cubierta de vidrio son los comunes mayoritariamente en la producción de agua caliente sanitaria ACS. El vidrio deja pasar los rayos del Sol, estos calientan unos tubos metálicos que transmiten el calor al líquido de dentro. Los tubos son de color oscuro, ya que las superficies oscuras calientan más.
El vidrio que cubre el captador no solo protege la instalación sino que también permite conservar el calor produciendo un efecto invernadero que mejora el rendimiento del captador.
Están formados de una carcasa de aluminio cerrada y resistente a ambientes marinos, un marco de aluminio eloxat, una junta perimetral libre de siliconas, aislante térmico respetuoso con el medio ambiente de lana de roca, cubierta de vidrio solar de alta transparencia , y finalmente por tubos soldados ultrasónicos.
Los colectores solares se componen de los siguientes elementos:
• Cubierta: Es transparente, puede estar presente o no. Generalmente es de vidrio aunque también se utilizan de plástico ya que es menos caro y manejable, pero debe ser un plástico especial. Su función es minimizar las pérdidas por convección y radiación y por eso debe tener una transmitancia solar lo más alta posible.
• Canal de aire: Es un espacio (vacío o no) que separa la cubierta de la placa absorbente. Su espesor se calculará teniendo en cuenta para equilibrar las pérdidas por convección y las altas temperaturas que se pueden producir si es demasiado estrecho.
• Placa absorbente: La placa absorbente es el elemento que absorbe la energía solar y la transmite al líquido que circula por las tuberías. La principal característica de la placa es que tiene que tener una gran absorción solar y una emisión térmica reducida. Como los materiales comunes no cumplen con este requisito, se utilizan materiales combinados para obtener la mejor relación absorción / emisión.
• Tubos o conductos: Los tubos están tocando (a veces soldadas) la placa absorbente para que el intercambio de energía sea lo más grande posible. Por los tubos circula el líquido que se calentará e irá hacia el tanque de acumulación.
• Capa aislante: La finalidad de la capa aislante es recubrir el sistema para evitar y minimizar pérdidas. Para que el aislamiento sea el mejor posible, el material aislante deberá tener una baja conductividad térmica.

Captadores solares de placa plana

El alma del sistema es una verja vertical de tubos metálicos, para simplificar, que conducen el agua fría en paralelo, conectados por abajo por un tubo horizontal en la toma de agua fría y por arriba por otro similar al retorno.
La parrilla viene encajada en una cubierta, como la descrita más arriba, normalmente con doble vidrio para arriba y aislante por detrás.
En algunos modelos, los tubos verticales están soldados a una placa metálica para aprovechar la insolación entre tubo y tubo.

Captadores solares de tubos de vacío "todo vidrio", sin tubo de cobre

En este sistema los tubos metálicos del sistema precedente se sustituyen por tubos de vidrio, introducidos, de uno en uno, en otro tubo de vidrio entre los que se hace el vacío como aislamiento. Las grandes ventajas que presentan estos tipos de captadores son su alto rendimiento (196 % más eficientes que las placas planas) y que, en caso de que uno de los tubos se estropeara, no hay que cambiar todo el panel por uno nuevo, sino que solo hay que cambiar el tubo afectado. Además son más baratos en su fabricación, ya que los nuevos tubos son 100 % cristal borosilicato y no utilizan tubo de cobre, lo que reduce los costes anteriormente mencionados.

Captadores solares de tubos de vacío con «tubos de calor» por cambio de fase, con tubo de cobre

Este sistema aprovecha el cambio de fase de vapor a líquido dentro de cada tubo, para entregar energía a un segundo circuito de líquido de transporte.
Los elementos son tubos cerrados, normalmente de cobre, que contienen el líquido que, al calentarse por el sol, hierve y se convierte en vapor que sube a la parte superior donde hay un cabezal más ancho (zona de condensación), que en la parte exterior está en contacto con el líquido transportador, el cual siendo más frío que el vapor del tubo, capta el calor y provoca que el vapor se condense y caiga en la parte baja del tubo para volver a empezar el ciclo.
El líquido del tubo puede ser agua, a la que se le ha reducido la presión hasta un vacío parcial, tendrá un punto de ebullición bajo, lo que permite trabajar incluso con la insolación de los rayos infrarrojos en caso de presencia de nubes.
El tubo de calor (o tubo de cobre) se puede envolver con una chaqueta de materiales especiales para minimizar las pérdidas por irradiación.
El tubo de calor se cierra dentro de otro tubo de vidrio entre los que se hace el vacío como aislamiento. Se suelen emplear tubos de vidrio resistente, para reducir los daños en caso de pequeñas granizadas.
Son hasta un 163 % más eficientes que las placas planas con serpentín e igualmente más baratos en su fabricación con respecto a las placas planas, pues el precio del cristal es más bajo que el cobre del serpentín que contiene la placa plana.

Circuito primario

El circuito primario, es circuito cerrado, transporta el calor desde el captador hasta el acumulador (sistema que almacena calor). El líquido calentado (agua o una mezcla de sustancias que puedan transportar el calor) lleva el calor hasta el acumulador. Una vez enfriado, vuelve al colector para volver a calentar, y así sucesivamente.

Intercambiador de calor

El intercambiador de calor calienta el agua de consumo a través del calor captado de la radiación solar. Se sitúa en el circuito primario, en su extremo. Tiene forma de serpentín, ya que así se consigue aumentar la superficie de contacto y por lo tanto, la eficiencia.

El agua que entra en el acumulador, siempre que esté más fría que el serpentín, se calentará. Esta agua, calentada en horas de sol, nos quedará disponible para el consumo posterior.

energia solar termicaUn sistema de paneles solares de tubos de vacío.©GreenSolarVacuum

Circuito secundario

El circuito secundario o de consumo, (circuito abierto), entra agua fría de suministro y por el otro extremo del agua calentada se consume (ducha, lavabo...). El agua fría pasa por el acumulador primeramente, donde calienta el agua hasta llegar a una cierta temperatura. Las tuberías de agua caliente del exterior, deben estar cubiertas por aislantes.
Si nuestro consumo incluye calefacción, el sistema emisor de calor (radiadores (60 °C), fan-coil(45 °C), suelo radiante(30 °C), zócalo radiante, muro radiante...) que es más conveniente utilizar es el de baja temperatura (<=50 °C), de esta manera el sistema solar de calefacción tiene mayor rendimiento.
No obstante, se pueden instalar sistemas que no son de baja temperatura, para así emplear radiadores convencionales.

Bombas

Las bombas, en caso de que la instalación sea de circulación forzada, son de tipo recirculación (suele haber dos por circuito), trabajando una la mitad del día, y la pareja, la mitad del tiempo restante. La instalación consta de los relojes que llevan el funcionamiento del sistema, hacen el intercambio de las bombas, para que una trabaje las 12 horas primeras y la otra las 12 horas restantes. Si hay dos bombas en funcionamiento, hay la ventaja que en caso de que una deje de funcionar, está la sustituta, de modo que así no se puede parar el proceso ante el fallo de una de estas. El otro motivo a considerar, es que gracias a este intercambio la bomba no sufre tanto, sino que se la deja descansar, enfriar, y cuando vuelve a estar en buen estado (después de las 12 horas) se vuelve a poner en marcha. Esto ocasiona que las bombas puedan alargar durante más el tiempo de funcionamiento sin tener que hacer ningún tipo de mantenimiento previo.
En total y tal como se define anteriormente, suele haber 4 bombas, dos en cada circuito. Dos en el circuito primario que bombean el agua de los colectores y las otras dos en el circuito secundario que bombean el agua de los acumuladores, en el caso de una instalación de tipo circulación forzada.

Vaso de expansión

El vaso de expansión absorbe variaciones de volumen del fluido caloportador, el cual circula por los conductos del captador, manteniendo la presión adecuada y evitando pérdidas de la masa del fluido. Es un recipiente con una cámara de gas separada de la de líquidos y con una presión inicial en función de la altura de la instalación.
Lo que más se utiliza es con vaso de expansión cerrado con membrana, sin transferencia de masa en el exterior del circuito.

Tuberías

Las tuberías de la instalación se encuentran recubiertas de un aislante térmico para evitar pérdidas de calor con el entorno. Antiguamente se utilizaban tuberías de cobre. Luego se utilizó tubos PEX-AL-PEX, consistentes en tres capas plástico-aluminio-plástico, mucho más baratos y con mayor vida útil que la tubería de cobre tradicional. Al pasar los años de uso del equipo y por la acumulación de radiación solar, se encontró que el PEX se cristalizaba destruyéndose por presión. Actualmente, se utiliza para circuito cerrado cañerías de acero inoxidable BPDN aislada con espuma elastomérica y rodeada de una mica de EPDM que da aislamiento térmico y proporciona durabilidad al proteger contra la radiación, y fallas por ruptura de uniones y soldaduras.

Panel de control

Se dispone también de un panel principal de control en la instalación, donde se muestran las temperaturas en cada instante (un regulador térmico), de manera que pueda controlarse el funcionamiento del sistema en cualquier momento. Aparecen también los relojes encargados del intercambio de bombas.
Durante el verano, se pueden cubrir las placas, a fin de evitar que se estropeen por las altas temperaturas o bien se pueden utilizar para producir frío solar (aire acondicionado frío).

energia solar termicaCalefón solar termosifónico compacto de Agua Caliente Sanitaria.©Cachogaray

Equipos

Especialmente populares son los equipos domésticos compactos, compuestos típicamente por un depósito de unos 150 litros de capacidad y un colector de unos 2 m². Estos equipos, disponibles tanto con circuito abierto como cerrado, pueden suministrar el 90 % de las necesidades de agua caliente anual para una familia de 4 personas, dependiendo de la radiación y el uso. Estos sistemas evitan la emisión de hasta 4,5 toneladas de gases nocivos para la atmósfera. El tiempo aproximado de retorno energético (tiempo necesario para ahorrar la energía empleada en fabricar el aparato) es de un año y medio aproximadamente. La vida útil de algunos equipos puede superar los 25 años con un mantenimiento mínimo, dependiendo de factores como la calidad del agua.

Estos equipos pueden distinguirse entre:
Equipos de Circulación forzada: Compuesto básicamente de captadores, un acumulador solar, un grupo hidráulico, una regulación y un vaso de expansión.
Equipos por Termosifón: Cuya mayor característica es que el acumulador se sitúa en la cubierta, encima del captador.
Equipos con Sistema Drain-Back: Un sistema compacto y seguro, muy apropiado para viviendas unifamiliares.
Es habitual encontrarse con instalaciones en las que el acumulador contiene una resistencia eléctrica de apoyo, que actúa en caso de que el sistema no sea capaz de alcanzar la temperatura de uso (normalmente 40 °C); en España esta opción ha quedado prohibida tras la aprobación del CTE (Código Técnico de la Edificación) ya que el calor de la resistencia puede, si el panel esta más frío que el acumulador integrado, calentar el panel y perder calor, y por lo tanto energía, a través de él. En algunos países se comercializan equipos que utilizan el gas como apoyo.
Las características constructivas de los colectores responden a la minimización de las pérdidas de energía una vez calentado el fluido que transcurre por los tubos, por lo que se encuentran aislamientos a la conducción(vacío u otros) y a la rerradiación de baja temperatura.
Además de su uso como agua caliente sanitaria, calefacción y refrigeración (mediante máquina de absorción), el uso de placas solares térmicas (generalmente de materiales baratos como el polipropileno) ha proliferado para el calentamiento de piscinas exteriores residenciales, en países donde la legislación impide el uso de energías de otro tipo para este fin.

Amortización

En muchos países hay subvenciones para el uso doméstico de energía solar, en cuyos casos una instalación doméstica puede amortizarse en unos 5 o 6 años. El 29 de septiembre de 2006 entró en vigor en España el Código Técnico de la Edificación, que establece la obligatoriedad de implantar sistemas de agua caliente sanitaria (ACS) con energía solar en todas las nuevas edificaciones, con el objetivo de cumplir con el protocolo de Kioto, pero que olvida la calefacción, que se recoge en las ordenanzas solares de los ayuntamientos.

Colectores de baja temperatura

El colector solar plano es el aparato más representativo de la tecnología solar fototérmica. Su principal aplicación es en el calentamiento de agua para baño y albercas, aunque también se utiliza para secar productos agropecuarios mediante el calentamiento de aire y para destilar agua en comunidades rurales principalmente.
Está constituido básicamente por:
• Marco de aluminio anodizado.
• Cubierta de vidrio templado, bajo contenido en hierro.
• Placa absorbedora. Enrejado con aletas de cobre.
• Cabezales de alimentación y descarga de agua.
• Aislante, usualmente poliestireno, o unicel.
• Caja del colector, galvanizada.
Para la mayoría de los colectores solares se tienen dimensiones características. En términos generales la unidad básica consiste de un colector plano de 1,8 a 2,1 m² de superficie, conectado a un termotanque de almacenamiento de 150 a 200 litros de capacidad; a este sistema frecuentemente se le añaden algunos dispositivos termostáticos de control a fin de evitar congelamientos y pérdidas de calor durante la noche. Las unidades domésticas funcionan mediante el mecanismo de termosifón, es decir, mediante la circulación que se establece en el sistema debido a la diferencia de temperatura de las capas de líquido estratificadas en el tanque de almacenamiento. Para instalaciones industriales se emplean varios módulos conectados en arreglos serie-paralelo, según el caso, y se emplean bombas para establecer la circulación forzada.

Calor para procesos

Los sistemas de calefacción solar para procesos están diseñados para proporcionar grandes cantidades de agua caliente o calefacción de espacios para edificios de uso no residencial.
Las piscinas de evaporación son piscinas de baja profundidad que concentran sólidos disueltos a través de la evaporación. El uso de piscinas de evaporación para obtener sal del agua salada es una de las aplicaciones más antiguas de la energía solar. Los usos modernos incluyen la concentración de soluciones de salmueras usadas en la minería por lixiviación y la remoción de sólidos disueltos de los flujos de desechos. En conjunto, las piscinas de evaporación representan una de las aplicaciones comerciales más grandes de la energía solar actualmente en uso.
Los colectores transpirados sin vidrios (en inglés: Unglazed Transpired Collectors, UTC) son muros perforados que enfrentan al sol usados para precalentar el aire de ventilación. Los UTC pueden aumentar la temperatura del aire hasta 22 °C y son capaces de entregar temperaturas de salida entre 45-60 °C. El corto período de amortización de los colectores transpirados (entre 3 a 12 años) los hacen una alternativa más costo-efectiva que los sistemas de recolección vidriados.

energia termosolarPiscinas de evaporación solar en el Desierto de Atacama.©NASA Earth Observatory

Colectores de temperatura media

Las instalaciones de temperatura media pueden usar varios diseños, los diseños más comunes son: glicol a presión, drenaje trasero, sistemas de lote y sistemas más nuevos de baja presión tolerantes al congelamiento que usan tuberías de polímero que contienen agua con bombeo fotovoltaico. Los estándares europeos e internacionales están siendo revisados para incluir las innovaciones en diseño y la operación de colectores de temperatura media. Las innovaciones operacionales incluyen la operación de "colectores permanentemente húmedos". Esta técnica reduce o incluso elimina la ocurrencia de tensiones de no flujo de alta temperatura conocidas como estancamiento, las que reducen la vida esperada de estos colectores.

Secado solar

La energía térmica solar puede ser útil para el secado de madera para la construcción y de madera para combustible tales como chips de madera para la combustión. También es usada para secar alimentos tales como frutas, granos y pescados. El secado de cultivos por medio de la energía solar térmica es ambientalmente amigable así como económica mientras que mejora la calidad del resultado. Las tecnologías en secado solar son variadas. Los más simples utilizan una malla tendida al sol, mientras que los de tipo industrial utilizan colectores de aire vidriados que conducen el aire caliente a una cámara de secado. La energía térmica solar también es útil en el proceso de secado de productos tales como chips de madera y otras formas de biomasa elevando la temperatura mientras que permiten que el aire pase a través de ella y saquen la humedad.

Cocción mediante energía solar térmica

Las cocinas solares usan la luz del sol para cocinar, secar y pasteurización. La cocina solar reduce el consumo de combustible, ya sea combustibles fósiles o leña, y mejora la calidad del aire reduciendo o removiendo la fuente de humo.
La forma más simple de cocina solar es la caja de cocción que fue construida por primera vez por Horace-Bénédict de Saussure en el año 1767. Una caja de cocción básica consiste de un contenedor aislado con una tapa transparente. Estas cocinas pueden ser usadas efectivamente con cielos parcialmente cubiertos y normalmente alcanzan temperaturas de entre 50-100 °C.Las cocinas solares de concentración usan reflectores para concentrar la energía solar en un contenedor de cocción. Las geometrías de reflector más comunes son las placas planas, de disco y cilíndrico-parabólicas. Estos diseños cocinan más rápido y a temperaturas más altas (hasta los 350 °C) pero requieren de luz solar directa para funcionar en forma adecuada.

La Cocina Solar en Auroville, India usa una tecnología de concentración única conocida como el tazón solar. Al contrario de los sistemas de convencionales de receptores fijos o de reflectores de seguimiento, el tazón solar usa un reflector esférico fijo con un receptor que sigue el foco de luz a medida de que el sol cruza el cielo. El receptor del tazón solar alcanza temperaturas de 150 °C que es usado para producir vapor que ayuda a la cocción de 2000 raciones diarias.
Muchas otras cocinas solares en India usan otra tecnología de concentración única conocida como el reflector Scheffler. Está tecnología fue desarrollada por primera vez por Wolfgang Scheffler en el año 1986. Un reflector Scheffler es un disco parabólico que usa un solo eje de seguimiento para perseguir el curso diario del sol. Estos reflectores tienen una superficie reflectante flexible que es capaz de cambiar su curvatura para ajustarse a las variaciones estacionales en el ángulo de incidencia de la luz solar. Los reflectores Scheffler tienen la ventaja de tener un punto focal fijo lo que mejora la facilidad de cocción y son capaces de alcanzar temperaturas de entre 450 a 650 °C. En el año 1999 en Abu Road, Rajasthan, India se construyó el sistema de reflectores Scheffler más grande del mundo, este es capaz de cocinar hasta 35 000 raciones diarias. A principios del año 2008 han sido fabricadas sobre 2000 grandes cocinas, que usan el diseño Scheffler, a nivel mundial.

solar termicoEl tazón solar sobre la cocina solar en Auroville, India concentra la luz del sol en un receptor móvil para producir vapor que será usado en tareas de cocción de alimentos.©Mrshaba

Destilación

Los destiladores solares pueden ser usado para procesar agua potable en áreas donde el agua limpia no es común. La energía solar calienta el agua en el contenedor, luego el agua se evapora y se condensa en el fondo de la cubierta de vidrio.

horno solarEl horno solar ubicado en Odeillo en los Pirineos Orientales franceses puede alcanzar temperaturas de hasta 3.800 grados celsius.©Wikipedia.org

Colectores de alta temperatura

Las temperaturas inferiores a 95 grados celsius son suficientes para calefacción de espacios, en ese caso generalmente se usan colectores planos del tipo no concentradores. Debido a las relativamente altas pérdidas de calor a través del cristal, los colectores planos no logran alcanzar mucho más de 200 °C incluso cuando el fluido de transferencia está estancado. Tales temperaturas son demasiado bajas para ser usadas en la conversión eficiente en electricidad.
La eficiencia de los motores térmicos se incrementa con la temperatura de la fuente de calor. Para lograr esto en las plantas de energía termal, la radiación solar es concentrada por medio de espejos o lentes para lograr altas temperaturas mediante una tecnología llamada energía termosolar de concentración (en inglés: Concentrated Solar Power, CSP). El efecto práctico de las mayores eficiencias es la reducción del tamaño de los colectores de la planta y del uso de terreno por unidad de energía generada, reduciendo el impacto ambiental de una central de potencia así como su costo.

A medida de que la temperatura aumenta, diferentes formas de conversión se vuelven prácticas. Hasta 600 °C, las turbinas de vapor, la tecnología estándar, tienen una eficiencia de hasta 41 %, Por sobre los 600 °C, las turbinas de gas pueden ser más eficientes. Las temperaturas más altas son problemáticas y se necesitan diferentes materiales y técnicas. Uno propuesta para temperaturas muy altas es usar sales de fluoruro líquidas operando a temperaturas de entre 700 °C a 800 °C, que utilizan sistemas de turbinas de etapas múltiples para lograr eficiencias termales de 50 % o más. Las temperaturas más altas de operación le permiten a la planta usar intercambiadores de calor secos de alta temperatura para su escape termal, reduciendo el uso de agua de la planta, siendo esto crítico para que las centrales ubicadas en desiertos sean prácticas. También las altas temperaturas hacen que el almacenamiento de calor sea más eficiente, ya que se almacenan más watts-horas por unidad de fluido.
Dado que una planta de energía termosolar de concentración (CSP) primero genera calor, puede almacenar dicho calor antes de convertirlo en electricidad. Con la actual tecnología, el almacenamiento de calor es mucho más barato que el almacenamiento de electricidad. De esta forma, una planta CSP pude producir electricidad durante el día y la noche. Si la ubicación de la planta CSP tiene una radiación solar predecible, entonces la planta se convierte en una central confiable de generación de energía. La confiabilidad puede ser mejorada aún más al instalar un sistema de respaldo que use un sistema de combustión interna. Este sistema de respaldo puede usar la mayor parte de las instalaciones de la planta CSP, lo que hace disminuir el costo del sistema de respaldo.
Superados los temas de confiabilidad, con desiertos desocupados, sin problemas de polución y sin costos asociados al uso de los combustible fósiles, los principales obstáculos para el despliegue a gran escala de las centrales CSP son los costos, la contaminación estética, el uso del suelo y factores similares para las líneas de transmisión eléctrica de alta tensión. Aunque solo se necesita un pequeño porcentaje de los desiertos para abastecer los requerimientos globales de electricidad, aún esto es un gran superficie cubierta con espejos o lentes que se necesitan para obtener una cantidad significativa de energía.
Los sistemas tipo canal parabólico usan reflectores parabólicos en una configuración de canal para enfocar la radiación solar directa sobre un tubo largo que corre a lo largo de su foco y que conduce al fluido de trabajo, el cual pude alcanzar temperaturas hasta de 500 °C.

La generación fototérmica de electricidad es actualmente una de las aplicaciones más extensas de la energía solar en el mundo. Existen más de 2,5 millones de m² de concentradores solares instalados en 9 plantas Solar Energy Generation System (SEGS) de la Compañía Luz de Israel, que representan 354 MW y más del 85 % de la electricidad producida con energía solar. La compañía Luz salió del mercado en 1991 a causa de la reducción que se dio paralelamente en los costos de los energéticos convencionales y en los subsidios a los energéticos renovables en los Estados Unidos. Sus plantas usan aceite sintético como medio de transferencia de calor en el campo de concentradores; como circuito primario, el calor recogido por el aceite se intercambia posteriormente con agua donde se lleva a cabo la generación de vapor, el cual a su vez se expande para completar un ciclo Rankine. Durante los periodos de baja insolación, o bien para nivelar la oferta, se asisten con gas natural.

panel solarPlanta de energía solar concentrada que usa un diseño parabólico de paso.©ArseniureDeGallium

Actualmente se ha introducido el ciclo combinado para mejorar la eficiencia termodinámica de estos sistemas y se estudia la posibilidad de generar directamente el vapor en el campo de concentradores. Con esto se espera lograr llevar los precios de generación a niveles competitivos con las plantas termoeléctricas convencionales.
Existen otros sistemas, no comerciales aún, como los de torre central que usan helióstatos (espejos altamente reflejantes) para enfocar la luz solar, con la ayuda de una computadora y un servomecanísmo, en un receptor central. Los sistemas parabólicos de plato usan estos reflectores para concentrar la luz del sol en un receptor montado arriba del plato, en su punto focal.
Durante el día y el año, el sol cambia su posición respecto a un punto en la superficie del planeta. Para los sistemas de baja temperatura el seguimiento del sol se puede evitar (o limitar a unas pocas posiciones por año) si se usa óptica no visual. Sin embargo, para temperaturas más altas, si los espejos o lentes no se mueven, el foco de estos cambia, provocando que los ángulos de aceptación sean poco eficientes, aunque se compensa en parte por el uso de ópticas no visuales. Por consiguiente es necesario implementar un sistema para seguir la posición del sol, la desventaja de esto es que incrementa el costo y la complejidad de la planta. Se han ideado diferentes diseñados para solucionar este problema y que se pueden distinguir en cómo ellos concentran la luz solar y siguen la posición del sol.

Diseños cilíndrico-parabólicos

Las plantas de energía cilíndrico-parabólicos usan un espejo cilíndrico curvado para reflejar la radiación solar directa sobre un tubo de vidrio que contiene un fluido (también llamado receptor, absorbedor o colector) ubicado a lo largo del cilindro, posicionado en el punto focal de los reflectores. El cilindro es parabólico a lo largo de un eje y lineal en el eje ortogonal. El cambio durante el día de la posición del sol perpendicular al receptor, es seguido inclinando el cilindro de este a oeste de tal forma que la radiación directa permanece enfocada en el receptor. Sin embargo, los cambios estacionales en el ángulo de incidencia de la luz solar paralelo al cilindro no requieren ajustar los espejos, dado que simplemente la radiación solar es concentrada en otra parte del receptor, de esta forma el diseño no requiere hacer el seguimiento en un segundo eje.
El receptor puede estar encerrado en una cámara al vacío de vidrio. El vacío reduce significativamente la pérdida de calor por convección.
Un fluido, también llamado fluido de transferencia de calor, pasa a través del receptor y se calienta muy fuertemente. Los fluidos más comunes son aceite sintético, sal fundida y vapor presurizado. El fluido que contiene el calor es transportado a un motor térmico donde aproximadamente un tercio del calor es transformado en electricidad.
Andasol 1 en Guadix, España usa el diseño cilíndrico-parabólico, el cual consiste de largas filas paralelas de colectores solares modulares. Estos siguen al Sol desde el este al oeste rotando sobre su eje, los paneles reflectores de alta precisión concentran la radiación solar sobre una tubería absorbente localizada a lo largo del eje focal de la línea de colectores. Un medio de transferencia de calor, un aceite sintético, como en los motores de los automóviles, es hecho circular a través de las tuberías de absorción a una temperatura de hasta 400 °C y genera vapor bajo presión para propulsar un generador de turbina de vapor en un bloque de energía convencional.
Los sistemas cilíndrico-parabólico a escala total consisten de muchos de tales cilindros dispuestos en paralelo sobre una gran área de terreno.

torre solar termicaEspejos planos enfocan la radiación solar en la parte superior de la torre. Las superficies blancas en la parte inferior del receptor son usadas para calibrar las posiciones de los espejos.©Kjkolb

Diseños con torres

Las torres de energía (también conocidas como central solar de 'torre central' o centrales de 'helióstatos') captura y enfocan la energía termal del sol con miles de espejos que siguen al sol (llamados helioestatos) ubicados en un terreno adyacente a la torre. Un torre está ubicada en el centro del terreno ocupado por los helióstatos. Los helióstatos concentran la luz del sol en un receptor que está ubicado en la parte superior de la torre. En el receptor la radiación solar concentrada calienta una sal fundida a sobre 538 °C. Posteriormente la sal fundida se envía a un tanque de almacenamiento termal donde se acumula, con una eficiencia termal del 98 %, finalmente es bombeada hacia un generador de vapor. El vapor impulsa una turbina la que genera electricidad. Este proceso, que también es conocido como Ciclo de Rankine, es similar al que usa una planta que usa combustibles fósiles (carbón, gas natural, petróleo, etc), excepto que la fuente de energía en este caso es la radiación solar limpia.
La ventaja de este diseño en comparación al diseño cilíndrico-parabólico es que logra alcanzar temperaturas más altas. La energía termal a temperaturas más altas puede ser convertida en electricidad con mayor eficiencia y es más barato el almacenamiento para ser usada posteriormente. Adicionalmente, el terreno adyacente no necesita ser tan plano. En principio una torre de energía podría ser construida en la ladera de una colina. Los espejos pueden ser planos y las tuberías están concentradas en la torre. La desventaja es que cada espejo debe tener su propio control en dos ejes, mientras que en el diseño cilíndrico-parabólico el control de seguimiento de un eje puede ser compartido por un conjunto más grande de espejos.

Diseños de disco

Un sistema de disco Stirling usa un gran disco reflector parabólico (similar a la forma que tiene un disco de televisión satelital). Este enfoca toda la radiación solar que llega al disco sobre un solo punto en la parte superior del disco, donde un receptor captura el calor y lo transforma en algo que se pueda usar. Normalmente el disco está acoplado a un motor Stirling, lo que se conoce como un Sistema Disco-Stirling, pero algunas veces se utiliza un motor de vapor. Estos motores crean energía cinética rotacional que puede ser convertida en electricidad usando un generador eléctrico.
La ventaja de un sistema de disco es que puede alcanzar temperaturas muchas más altas debido a una concentración mayor de luz (de manera similar que en los diseños de torre). Las temperaturas más altas permiten una mejor conversión a electricidad y los sistemas de disco son muy eficientes en este aspecto. Sin embargo, también hay algunas desventajas. La conversión de calor a electricidad requiere partes que se mueven y eso resulta en mayores requerimientos de mantenimiento. En general, una aproximación centralizada de este proceso de conversión es mejor que uno descentralizado en el diseño de disco. Segundo, el motor, que es pesado, es parte de la estructura que se mueve, lo que requiere una estructura rígida y un sistema de seguimiento resistente. Adicionalmente, se usan espejos parabólicos en vez de espejos planos lo que significa que el seguimiento debe ser realizado en dos ejes.

espejos parabolicos energia solar concentracionUn disco solar parabólico que concentra la radiación solar sobre un elemento calefactor de un motor Stirling. Toda la unidad actúa como un seguidor solar.©ecologiaverde.com

Reflectores Fresnel

Una central solar con reflectores Fresnel lineales usa una serie de espejos largos, estrechos, de baja curvatura (o incluso planos) para enfocar la luz en uno o más receptores lineales localizados sobre los espejos. En la parte superior del receptor un pequeño espejo parabólico puede estar posicionado para apoyar el enfoque sobre el receptor. La idea de estos sistemas es ofrecer bajos costos totales al compartir un receptor entre varios espejos (cuando se le compara con los conceptos cilíndricos y de disco), mientras que usan la simple geometría de enfoque lineal con un eje de seguimiento. Esto es similar al diseño de cilindro (y diferente de los diseños de torre central y de discos con doble eje). El receptor es estacionario y por lo tanto no necesita de acoples de fluidos (como es el caso en los diseños de cilindro y de discos). También los espejos no necesitan sostener al receptor, así que son estructuralmente más simples. Cuando se usan estrategias de puntería adecuadas (espejos apuntados a diferentes receptores a diferentes horas del día), se puede permitir una densidad mayor de espejos en el terreno disponible.
También ha sido desarrollado un concepto con la idea de reflectores Fresnel con enfoque puntual llamado Multi-Tower Solar Array (MTSA), en castellano: Arreglo Solar de Torres Múltiples. pero aún no ha sido construido un prototipo. En este concepto los espejos de posiciones alternas apuntan a torres diferentes como sus blancos, logrando de esta forma minimizar el bloqueo entre espejos y permiten una agrupación más densa de estos. En la torre la radiación solar sería recibida por un divisor de haz curvado, construido de cuarzo revestido, este divisor separaría la porción verde y roja del espectro visible y la porción del infrarrojo cercano y las enviaría a un receptor fotovoltaico, ya que estas partes del espectro electromagnético son las más eficientes para ser usadas con la generación fotovoltaica de electricidad. El resto de las longitudes de onda serían enviadas al receptor termal y la turbina, proceso que utiliza la energía de la radiación y no a las longitudes de onda. Este concepto ganó un financiamiento por el Australian Research Council para construir un prototipo de una sola torre en Australia y que pueda generar aproximadamente unos 150 kW(e) y que usará una microturbina combinada y un receptor fotovoltaico.

reflectores fresnelLos sistemas solares compuestos de reflectores Fresnel lineales usan inclinaciones alternas para los espejos para reducir el espacio requerido y prevenir el bloqueo del sol por parte de otros espejos.©solar-energia.net

Tecnologías de reflectores lineales Fresnel

Otras tecnologías de seguimiento de un solo eje incluyen a las relativamente nueva de reflector lineal Fresnel (en inglés: Linear Fresnel Reflector, LFR) y de LFR-Compacto (en inglés: Compact-LFR, CLFR). La LFR difiere de la de cilindro parabólico en que el absorbedor se encuentra fijo en el espacio sobre el campo de espejos. También, el reflector está compuesto de muchos segmentos de fila bajos, que se enfocan colectivamente sobre una larga torre receptora elevada que corre paralela al eje de rotación de los reflectores.
Este sistema ofrece una solución de bajo costo ya que la fila del absorbedor es compartida con varias filas de espejos. Sin embargo, una dificultad fundamental con la tecnología LFR es evitar el obscurecimiento de la radiación solar incidente y el bloqueo de la radiación solar reflejada por los reflectores adyacentes. El bloqueo y el obscurecimiento puede ser reducidos al usar torres más altas o incrementando el tamaño del absorbedor, lo que permite incrementar el espaciamiento entre los reflectores más alejados del absorbedor. Ambas soluciones tienen costos extras asociados, ya que se requiere una mayor superficie de terreno.
El CLFR ofrece una solución alternativa al problema del LFR. El LFR clásico tiene solo un absorbedor lineal instalado en una sola torre lineal. Esto impide cualquier opción en la dirección de la orientación de un reflector específico. Dado que esta tecnología sería introducida en un gran campo, uno puede asumir de que existirán mucho absorbedores lineales en el sistema. Por lo tanto, si los absorbedores están lo suficientemente cercanos, los reflectores individuales tendrán la opción de dirigir la radiación solar reflejada hacia al menos dos absorbedores. Este factor adicional permite el potencial para arreglos con una alta densidad, dado que los patrones de inclinaciones de reflectores alternadas pueden ser hechos de tal forma que los reflectores instalados con una alta densidad no se bloquean o ensombrecen mutuamente.
Las centrales solares CLFR ofrecen reducción de costos en todos los elementos del arreglo solar. Esta reducción de costos alentan el avance de esta tecnología. Las características que inciden en la reducción de costos de este sistema comparadas a las de la tecnología cilíndrica-parabólica incluyen costos estructurales minimizados, pérdidas por bombeo parásito minimizadas y mantenimiento reducido. La disminución de los costos estructurales se atribuyen a uso de reflectores de vidrio planos o curvados elásticamente en vez de costosos reflectores de vidrio hundido montados cerca del suelo. También, el ciclo de transferencia de calor está separado del campo de reflectores, evitando el costo de las tuberías flexibles de alta presión que se requieren para los sistemas cilíndricos. La disminución de las pérdidas de bombeo parásito se deben al uso de agua para el fluido de transferencia de calor con ebullición directa pasiva. El uso de tubos de vidrio evacuados asegura bajas pérdidas por radiación y son baratos. Estudios existentes para las centrales CLFR han mostrado una eficiencia entre el haz de radiación recibido y la electricidad generada de un 19 % en una base anual como un precalentamiento.

Lentes Fresnel

Se han construido prototipos de concentradores de lentes de Fresnel para la recuperación de energía termal por la empresa International Automated Systems. No se conocen de sistemas termales que usen lentes de Fresnel en operación a plena escala, aunque ya se encuentran disponibles algunos productos que incorporan lentes de Fresnel en conjunto con células fotovoltaicas.
La ventaja de este diseño es que los lentes son más baratos que los espejos. Adicionalmente, si se escoge un material flexible, entonces se requiere de una estructura de soporte de menor rigidez para resistir la carga generada por el viento. En el proyecto Desert Blooms se puede ver un nuevo concepto de tecnología para concentradores solares livianos y 'no disruptivos' que usa lentes de Fresnel asimétricos que ocupan un área de superficie de terreno mínima y que permite mayores cantidades de energía solar concentrada por cada concentrador, aunque todavía no se construye un prototipo.

Cilíndrico parabólico cerrado

El sistema solar termal cilíndrico parabólico cerrado encapsula los componentes al interior de un recinto de vidrio tipo invernadero. El recinto protege los componentes de los elementos que pueden impactar negativamente la confiabilidad y eficiencia del sistema. Espejos reflectores solares curvados livianos se encuentran suspendidos desde el techo del recinto de vidrio sostenidos por cables. Un sistema de seguimiento de un solo eje posiciona los espejos para recuperar la cantidad óptima de radiación solar. Los espejos concentran la radiación solar y la enfocan en una red de tuberías de acero estacionarias, también suspendidas de la estructura del recinto de vidrio. Se bombea agua a través de las tuberías y esta es hervida para generar vapor usando la radiación solar concentrada. A continuación el vapor es usado como calor de proceso. Al proteger los espejos del viento permite lograr temperaturas más altas y previene que se acumule polvo sobre estos como un resultado de ser expuestos a la humedad ambiente.

Hornos solares

Los hornos solares son reflectores parabólicos o lentes construidas con precisión para enfocar la radiación solar en superficies pequeñas y de este modo poder calentar "blancos" a altos niveles de temperatura. La temperatura que puede obtenerse con un horno solar está determinada por el segundo principio de la termodinámica y es equivalente a la temperatura de la superficie del sol, esto es 6000 °C, y por la consideración de las propiedades ópticas de un sistema de horno que limitan la temperatura máxima disponible. Se han usado hornos solares para estudios experimentales que han alcanzado hasta 3500 °C y se han publicado temperaturas superiores a 4000 °C. Las muestras pueden calentarse en atmósferas controladas y en ausencia de campos eléctricos o de otro tipo si así se desea.
El reflector parabólico tiene la propiedad de concentrar en un punto focal los rayos que entran en el reflector paralelamente al eje. Como el sol abarca un ángulo de 32', aproximadamente, los haces de rayos no son paralelos y la imagen en el foco del receptor tiene una magnitud finita. Como regla empírica, el diámetro de la imagen es aproximadamente la razón de longitud focal dividido por 111. La longitud focal determina el tamaño de la imagen y la abertura del reflector la cantidad de energía que pasa por el área focal para una velocidad dada en incidencia de radiación directa. El cociente entre la abertura y la longitud focal es, pues, una medida de flujo de energía disponible en el área focal y con arreglo a este flujo se puede calcular una temperatura de cuerpo negro.
La utilidad de los hornos solares aumenta con el uso de helióstatos, o espejo plano móvil, para llevar la radiación solar al reflector parabólico. Esto permite el montaje estacionario de una parábola de ordinario en posición vertical, con lo cual se pueden colocar aparatos para atmósfera controlada y movimiento de muestras, soportes de blancos, y otros, sin necesidad de mover todo el equipo. El poder de reflexión del helióstato varia de 85 a 95 % según su construcción, por lo que resulta una pérdida de flujo del 5 al 15 % para el horno, y la disminución correspondiente a las temperaturas que se puedan alcanzar.
Se construyen hornos solares de hasta 3 metros de diámetro con espejos de una sola pieza de aluminio, cobre o de otros elementos y se han construido hornos más grandes de múltiples reflectores curvos.
El reflector o blanco usado en los hornos solares puede ser de varias formas. Las sustancias pueden fundirse en sí mismas en cavidades de cuerpo negro, encerrarse en envoltura de vidrio o de otra materia transparente para atmósferas controladas, o introducirse en un recipiente rotatorio "centrífugo". La medición de las temperaturas del blanco en los hornos solares se hace por fusión de sustancias de punto de fusión conocidos y por medios pirométricos ópticos o de radiación.
Se usan hornos solares en gran variedad de estudios experimentales, entre ellos, la fusión de materiales refractarios, la realización de reacciones químicas e investigación de las relaciones de fase en sistemas de alto punto de fusión como sílice alúmina.

horno solarHorno solar industrial.©energiasolartermica.biz

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