Energía termosolar de concentración

energia solar españaSolúcar PS10 es una planta solar termoeléctrica por tecnología de torre, la primera en el mundo explotada comercialmente.©afloresm

La energía termosolar de concentración —también conocida como CSP, del inglés: Concentrated Solar Power— es un tipo de energía solar térmica que utiliza espejos o lentes para concentrar una gran cantidad de luz solar sobre una superficie pequeña. La energía eléctrica es producida cuando la luz concentrada es convertida en calor, que impulsa un motor térmico —usualmente una turbina de vapor— conectado a un generador de electricidad.
El mercado de CSP ha aumentado de forma notable su comercialización y capacidad de generación desde el año 2007, situándose la potencia total instalada en el mundo en 4.940 MW a finales de 2015, cuando se añadieron más de 400 MW de potencia. Aun así, este crecimiento se encuentra muy por debajo del protagonizado por la energía solar fotovoltaica, que en las mismas fechas contaba ya con más de 230 GW instalados a nivel global.
Se espera no obstante que el crecimiento de la CSP continúe a paso rápido durante los próximos años. España tiene una capacidad instalada de 2362 MW a comienzos de 2016, convirtiendo a este país en líder mundial en CSP. Actualmente existe un interés notable por la CSP en el Norte de África y el Medio Oriente, así como en India y China. El mercado global ha sido dominado por las centrales cilíndrico-parabólicas, que constituyen el 90 % de las centrales termosolares que se construyen actualmente.
La CSP no debe ser confundida con la electricidad fotovoltaica de concentración —también conocida como CPV, del inglés: Concentrated Photovoltaics—. En la CSP, la luz solar concentrada es convertida en calor y luego el calor es convertido en electricidad. En cambio en la CPV la luz solar concentrada es convertida directamente en electricidad mediante el efecto fotoeléctrico.

torre solarTorre de concentración de la planta solar Ivanpah, una de las mayores plantas termosolares del mundo, situada en el desierto de Mojave (California, Estados Unidos).©Aioannides

Historia

Una leyenda dice que Arquímedes usó un "vidrio ardiente" para concentrar la luz del solar sobre la flota invasora romana y los repelió de Siracusa. En el año 1973 un científico griego, el Dr. Ioannis Sakkas, curioso acerca de si Arquímedes podría haber realmente destruido la flota romana en el año 212 A.C, alineó cerca de 60 marinos griegos, cada uno sosteniendo un espejo oblongo inclinado para capturar los rayos del sol e hizo que los dirigieran hacia una silueta de madera cubierta con alquitrán a una distancia de 49 metros. Las estructuras se incendiaron después de unos pocos minutos; sin embargo, los historiadores continúan dudando de esta historia acerca de Arquímedes.
En 1866, Augustin Mouchot usó un cilindro parabólico para producir vapor en el primer motor de vapor solar. La primera patente para un colector solar fue obtenida por el italiano Alessandro Battaglia en Génova, Italia, en el año 1886. En los siguientes años, inventores tales como John Ericsson y Frank Shuman desarrollaron dispositivos energizados por electricidad solar de concentración para irrigación, refrigeración y locomoción. En el año 1913 Shuman finalizó un central de energía solar térmica de 55 HP en Maadi, Egipto para ser usada en irrigación. El primer sistema de energía solar usó un espejo en forma de disco fue construido por Dr. R.H. Goddard, quien ya era bien conocido por su investigación en cohetes de combustible líquido y escribió un artículo en el año 1929 en el que él afirmaba que todos los obstáculos previos habían sido resueltos.
El profesor Giovanni Francia (1911–1980) diseñó y construyó la primera central solar de concentración, la que entró en operación en Sant'Ilario, cerca de Génova, Italia en el año 1968. Esta central tenía la misma arquitectura de las actuales centrales solares de concentración con un receptor solar en el centro de un campo de colectores solares. La central fue capaz de producir 1 MW con vapor supercalentado a 100 bar y 500 grados Celsius. La central Solar One de 10 MW fue desarrollada en el sur de California en el año 1981, pero la tecnología cilíndrico-parabólica del proyecto cercano Solar Energy Generating Systems (SEGS), que se inició en el año 1984, era más práctico. El SEGS de 354 MW aún es la segunda central solar más grande en el mundo, tras el proyecto Ivanpah Solar.

cilindro parabolico espejoEspejo parabólico experimental para el aprovechamiento de la energía solar térmica, en Los Ángeles, Estados Unidos (año 1901).©The World´s Work: p. 601

Tecnología actual

La CSP es usada para producir electricidad (algunas veces llamada termoelectricidad solar, usualmente generada mediante vapor). Los sistemas tecnológicos de concentración solar usando espejos o lentes con sistemas de seguimiento del sol para enfocar una gran área de incidencia de radiación solar sobre una pequeña superficie. Luego la luz concentrada es usada como fuente de calor para una central de energía eléctrica. Los concentradores solares usados en los sistemas CSP a menudo pueden ser usados para proporcionar refrigeración o calefacción industrial.
Las tecnologías de concentración existen en cuatro formas comunes, cilíndrico parabólico, discos Stirling, reflector fresnel lineal compacto y torre de energía solar. Aunque simples, estos concentradores solares están lejos de la capacidad de concentración máxima. Por ejemplo, la concentración cilíndrico parabólica logra 1/3 del máximo teórico para el ángulo de aceptación de diseño, esto es, para la misma tolerancia total para ese sistema. Se puede lograr una aproximación al máximo teórico usando concentradores más elaborados basados en óptica no formadora de imágenes.
Diferentes tipos de concentradores producen diferentes temperaturas máximas con sus correspondientes eficiencias termodinámicas, debido a las diferencias en la forma en que ellos siguen al sol y enfocan la luz. Nuevas innovaciones en la tecnología CSP están llevando a que los sistemas sean más y más costo-efectivos.

Concentrador solar cilíndrico parabólico

Un concentrador solar cilíndrico parabólico consiste en un reflector parabólico lineal que concentra la luz sobre un receptor posicionado a lo largo de la línea focal del reflector. El receptor es un tubo posicionado directamente sobre el medio del espejo parabólico y está relleno con un fluido de trabajo. El reflector sigue al sol durante la horas diurnas en un solo eje. Un fluido de trabajo (por ejemplo, sal fundida) es calentado a una temperatura entre 150–350 °C cuando fluye a través del receptor y luego este es usado como fuente de calor para ser usado en un sistema generador. Los sistemas cilíndricos es la tecnología CSP más desarrollada. Las centrales Solar Energy Generating Systems (SEGS) en California, las primeras centrales cilíndrico parabólicas del mundo, Nevada Solar One de la empresa Acciona localizada cerca de Boulder City, Nevada y Andasol, la primera central cilíndrico parabólica de Europa, son típicas, junto con las instalaciones de pruebas de la SSPS-DCS Plataforma Solar de Tabernas localizada en España.

Cilindro cerrado

Los sistemas de cilindros cerrados son usados para producir calefacción para procesos. El diseño encapsula el sistema termal solar al interior de un edificio de vidrio como un invernadero. El edificio crea un ambiente protegido que puede resistir el embate de los elementos que pueden afectar negativamente la confiabilidad y eficiencia del sistema termal solar. Espejos curvados ligeros que reflejan el sol son suspendidos usando cables desde el techo del edificio de vidrio. Un sistema de seguimiento de un solo eje posiciona los espejos para recuperar la cantidad óptima de luz solar. Los espejos concentran la luz solar y la enfocan sobre una red fija de tuberías de acero, que también se encuentran suspendidas de la estructura del edificio de vidrio. El agua es transportada a través de las tuberías donde es llevada al punto de ebullición y generar vapor usando la radiación solar concentrada por los espejos. La protección de los espejos del viento permite que estos logren temperaturas más altas e impide que se acumule polvo sobre los espejos
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termosolarConcentrador cilíndrico parabólico en una planta solar cerca de Harper Lake, California.©Z22

energia termica solarInterior de un cilindro parabólico.©glasspoint.com

Reflectores Fresnel

Los reflectores Fresnel están fabricados con muchas tiras de espejos delgados y planos que concentran la luz del sol sobre tubos dentro de los cuales se bombea el líquido de trabajo. Los espejos planos permiten mayor superficie reflectante en la misma cantidad de espacio que la de un reflector parabólico, capturando de esta forma más de la luz solar disponible, y son más baratos que los reflectores parabólicos. Los reflectores Fresnel pueden ser usados en CSP de variados tamaños.

Disco Stirling

Un disco Stirling o sistema de motor de disco consiste en un reflector parabólico único que concentra la luz en un receptor posicionado en el punto focal del reflector. El reflector sigue al Sol en dos ejes. El fluido de trabajo en el receptor es calentado entre 250 y 700 °C y luego es usado por un motor Stirling para generar electricidad. Los sistemas de disco parabólico son los que proporcionan la más alta eficiencia entre las tecnologías de CSP, entre 31% a 32%, y su naturaleza modular les proporciona escalabilidad. Las compañías Stirling Energy Systems (SES) y Science Applications International Corporation (SAIC) poseen discos en la Universidad de Nevada, Las Vegas (UNLV) y en la Universidad Nacional Australiana (el Big Dish en Canberra, Australia) y son ejemplos de esta tecnología. El récord mundial para eficiencia de conversión a electricidad fue establecido en el año 2008 con un 31,25% por los discos SES en el National Solar Thermal Test Facility (en castellano: Instalaciones Nacionales de Ensayos Solares Termales). Las instalaciones SES en Maricopa, Arizona eran las instalaciones de disco Stirling más grandes del mundo hasta que fueron vendidas a la compañía United Sun Systems, que está moviendo grandes partes de las instalaciones a China como parte del esfuerzo para llenar las enormes necesidades de energía de este país.

Central solar de torre central

Una central solar de torre central consiste de un conjunto de reflectores (helióstatos) con capacidad de seguimiento en dos ejes, los que concentran la luz del sol sobre un receptor central instalado en una torre; el receptor contiene un fluido almacenado en un depósito, el que puede ser agua de mar. Este fluido de trabajo contenido en el receptor es calentado a entre 500–1000 °C y luego es usado como una fuente de calor para la generación de energía o para un sistema de almacenamiento de calor. El desarrollo de las centrales solares de torre central está menos avanzado que los sistemas cilíndricos, pero ellas ofrecen una eficiencia más alta y una mejor capacidad de almacenamiento de energía. El proyecto Solar Dos localizado en Daggett, California y el CESA-1 localizado en Plataforma Solar de Almería, Almería, España, son las centrales de demostración más típicas de esta tecnología. La central Planta Solar 10 (PS10) localizada en Sanlúcar la Mayor, España, es la primera central solar de torre central con propósito comercial del mundo. La central Sierra SunTower de 5 MW de la empresa eSolar, localizada en Lancaster, California, es la única instalación de torre central que opera en Norteamérica. La National Solar Thermal Test Facility localizada en Albuquerque, Nuevo México, es una central solar termal experimental con una superficie instalada de helióstatos capaz de producir 6 MW.

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