ENERGÍA SOLAR
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ENERGÍA SOLAR
INTRODUCCION E HISTORIA DE LA ENERGIA SOLAR
La energía solar es, sin duda, la fuente de vida en el planeta ya que es la
responsable de todos los ciclos de la naturaleza: del clima, del movimiento del
viento, del agua y del crecimiento de las plantas.
Desde los comienzos de la humanidad el sol ha sido una de las más importantes
divinidades que regían los designios de las diferentes culturas que han surgido a lo
largo de la historia del hombre. Tal es el caso de Ra para los egipcios. Tonatiuh
para los aztecas. Amaterasu en la mitología Japonesa, entre otras.
Las civilizaciones antiguas también utilizaban el sol como medio de
aprovechamiento energético, ín timamente ligado a las necesidades básicas de-
abrigo, seguridad y alimento.
Las primeras utilizaciones de la energía solar fueron la evaporación de agua de
mar para obtener sal y el secado de determinados productos.
Las primeras nociones que se tienen de lo que en la actualidad se llama suelo
radiante datan de aproximadamente 3.000 años de antigüedad, pero fueron los
romanos en el siglo I a. C. los que importaron esta técnica desde Turquía.
Esta téc nica fue mejorada por los árabes durante su época de estancia en
España para dar calor a sus baños públicos al igual que en las termas romanas.
ha finales del siglo XVII y principios del XVIII se volvería a utilizar el sol como
fuente de recurso energético, por ejemplo tanto en Francia como en Inglaterra se
utilizó el vidrio como colector solar en invernaderos.
DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR QUE LLEGA A LA TIERRA
COMPONENTES DE LA RADIACIÓN SOLAR
Radiación directa: Es la radiación que incide sobre los objetivos iluminados por el
sol sin haber interaccionado con nada y sin cambiar de dirección (es la más
importante en un día soleado).
Radiación difusa: Es una radiación que incide indirectamente, como reflejo de la
radiación solar que es absorbida por el polvo y el aire (es la radiación típica de los
días nublados).
La difusión se produce al desviarse los rayos solares, debido a las partículas
sólidas y las moléculas, como el vapor de agua, que existen en la atmósfera.
Radiación reflejada o albedo: Es la radiación procedente de la reflexión de la
radiación directa en los elementos del entorno (es importante cerca del mar y de
las zonas con nieve).
La energía del Sol que llega a la tierra
La potencia recibida en la parte superior de la atmósfera sobre una superficie
perpendi cular al rayo de sol, en el caso de una distancia al Sol promedio, se
denomina constante solar, cuyo valor aproximado es de 1.367 kW/m2. Esta cantidad
se reduce hasta aproximada mente 900 W/m2 cuando atraviesa la atmósfera y llega
al suelo.
La distribución de la energía solar que llega a la Tierra no es uniforme. En la
caracteriza ción de la radiación solar incidente en la Tierra, con el objeto de estimar
el potencial solar, intervienen diversos factores. Entre estos factores pueden
señalarse:
• Las condiciones climatológicas, que influyen en el grado de nubosidad, la
turbidez at mosférica, viento predominante, etc.
• Época del año.
• La latitud del lugar.
• Orientación de la superficie receptora.
MEDIDAS
Pura muchas aplicaciones prácticas, no basta con calcular la radiación teórica
que incide sobre un lugar o sobre un equipo solar determinado. Es necesario
hacer las mediciones, para tener los valores efectivos de energía disponible o
incidente sobre un colector.
Para medir la radiación solar que llega en cada momento a un lugar determinado
se utili zan diversos aparatos. Entre ellos se pueden señalar los piranómetros,
que miden la radiación global (directa más difusa) (W./m2) y los piroheliómetros
que miden la radia ción directa.
A diferencia del piranómetro, que suele instalarse Fijo, el piroheliómctro debe
contar con un sistema de movimiento de relojería para seguir al sol con gran
precisión.
piranómetros
piroheliómetros
Tecnologías para aprovechar la energía solar
ENERGÍA SOLAR térmica
La tecnología solar térmica absorbe la energía solar y la
transforma directamente en calor o indirectamente en
energía eléctrica, mediante el uso de una máquina
termodinámica.
La energía solar térmica captada puede utilizarse de forma:
• pasiva
•activa.
ENERGÍA SOLAR PASIVA
•No necesitan ningún dispositivo para captar la energía solar.
• el aprovechamiento se logra aplicando distintos elementos
arquitectónicos.
•Aquí, se introduce el concepto de arquitectura bioclimática con el
diseño de edificios (materiales, ventanales, colores, tipos de
cubiertas, etc) para disminuir el consumo de energía convencional
sin renunciar a los niveles de confort demandados.
ARQUITECTURA SOLAR
ENERGÍA SOLAR ACTIVA
captan la radiación solar por medio de un elemento de determinadas
características, llamados colectores o concentradores; según sea éste
se puede llevar a cabo una conversión térmica aprovechando el calor
contenido en la radiación solar (a baja, media o alta temperatura), o
bien una conversión eléctrica, aprovechando la energía luminosa de
la radiación solar para generar directamente energía eléctrica por
medio del llamado efecto fotovoltaico.
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA ACTIVA
•Baja temperatura (T <90°C)
•Media temperatura (90°C <T <400°C)
•Alta temperatura (T >400 °C)
TECNOLOGÍA SOLAR TÉRMICA DE BAJA TEMPERATURA
La tecnología solar térmica de baja temperatura se suele destinar al
calentamiento de agua, por debajo de su punto de ebullición, para uso
como agua caliente sanitaria. Los subsistemas empleados en esta
tecnología dependen del tipo de instalación, pero en general, pueden
señalarse los siguientes.
•Subsistema de captación.
•Subsistema de acumulación.
•Subsistema intercambiador.
•Subsistema auxiliar.
Elementos de un colector solar
PISCINAS
• Al aire libre: el agua pasa directamente por el captador solar
• Cubiertas: doble circuito para calefacción y agua caliente
TIPOS DE CIRCUITO DE AGUA CALIENTE SANITARIA
Instalaciones de circuito abierto.
En estas instalaciones existe un único cir cuito de agua. Éste utiliza cómo
fluido el agua de la red, la cual se la hace pasar por el colector solar para
calentarla y después se almacena a la espera de su uso. Por tanto, no
requiere subsistema intercambiador.
Instalaciones de un círculo cerrado
Instalaciones de circuito cerrado. En este tipo de instalación existen dos
circuitos interconectados por un subsistema intercambiador. El circuito
primario, compuesto por el colector solar, cede el calor al circuito secundario,
compuesto por el subsistema acumulador, en el intercambiador térmico.
CIRCUITO ABIERTO
CIRCUITO CERRADO
TIPO DE CIRCULACIÓN AGUA CALIENTE SANITARIA
instalaciones solares térmicas de circulación forzada: van equipadas
con dispositivos (bombas) que provocan la circulación forzada del fluido
de trabajo. Permiten integrar bien los captadores en la cubierta de los
edificios, así como poner el acumulador, en el interior de la vivienda. Solo
válidas en determinadas circunstancias de calidad del agua y sin riesgo de
hela das. Son algo más caras.
Instalaciones solares térmicas de circulación natural (termosifón): el
fluido de trabajo circula por convección natural. Tiene menos elementos y
es más barata. El acumulador dificulta la integración en la cubierta de los
edificios. Solo válida en determinadas circunstancias de calidad del agua y
sin riesgo de heladas.
La tecnología solar térmica de media temperatura se apoya en los
colectores cilíndrico parabólicos (ccp).
La tecnología solar térmica de media temperatura suele tener dos
aplicaciones diferentes:
Producción de calor en procesos industriales: Por ejemplo, vapor a
temperaturas superiores a los 150 °C.
Generación de electricidad: mediante la conexión del fluido caliente
(hasta 400°C) utilizado por los colectores a un sistema convencional de
producción de electricidad a partir de un ciclo térmico.
B.TECNOLOGÍA SOLAR TÉRMICA DE MEDIA TEMPERATURA
Generación de electricidad en centrales solares de media temperatura
SUBSISTEMAS EMPLEADOS EN TECNOLOGÍA SOLAR
TÉRMICA DE MEDIA TEMPERATURA
•Subsistema de captación.
•Subsistema intercambiador de tanques de aceite.
•Subsistema de evaporación de gases.
•Subsistema de aplicación.
subsistema de captación
El subsistema de captación está constituido, por los denominados colectores de
concentración. Estos colectores concentran la radiación solar que recibe la
superficie captadora en un elemento receptor de superficie muy reducida,
siendo capaces de proporcionar temperaturas de hasta 400 °C con buenos
rendimientos. Con estos colectores se logra que la radiación solar caliente a
media temperatura un fluido primario o fluido caloportador.
Los componentes o elementos principales de un CCP son:
El reflector cilindro parabólico.
El tubo absorbente.
El sistema de seguimiento del sol.
La estructura metálica
Subsistema de captación
El reflector cilindro-parabólico
Es un espejo curvado con forma de parábola cuya misión es reflejar y
concentrar sobre el tubo absorbente la radiación solar directa que incide sobre
su superficie.
Se consigue su superficie especular a base de películas de plata o aluminio
depositadas sobre un soporte para la película reflectante que le da la suficiente
rigidez.
En la actualidad se utilizan diferentes medios soportes como:
• Chapas metálicas (aluminio)
•Vidrio
•Plástico
El tubo absorbente
El tubo absorbente, es uno de los elementos fundamentales de todo CCP, de él
depende en gran medida el rendimiento global del colector.
puede constar de un tubo o, más frecuentemente, de dos tubos concéntricos. En
este último caso, el tubo interior, por el que circula el fluido que se calienta, es
metálico y el exterior de cristal.
El tubo metálico lleva un recubrimiento selectivo que posee una elevada
absortividad (>90%) y una baja emisividad en el espectro infrarrojo (<30%), lo
que le proporciona un elevado rendimiento térmico.
tubo absorbente típico
El tipo de fluido que se utiliza en los CCP depende de la temperatura máxima
de operación.
Si las temperaturas que se desean son moderadas (< 200 °C), se puede utilizar
agua desmineralizada, o una mezcla con etileno-glicol.
Si las temperaturas son más altas (200 < °CT < 450 °C) se utiliza aceite
sintético.
si el fluido de trabajo es agua, para temperaturas altas las tuberías estarían
sometidas a elevadas presiones para evitar que se evapore el agua.
El poder trabajar a menores presiones posibilita el uso de materiales más
económicos y menores elementos de seguridad.
Sistema de seguimiento del sol
Como cualquier sistema solar de concentración, un CCP solo puede aprovechar
la radiación solar directa y esto exige que el colector vaya provisto de un
mecanismo de seguimiento solar que lo mueva a lo largo del día conforme el sol
describe su trayectoria diaria en el cielo.
El sistema de seguimiento solar más común consiste en un dispositivo que gira
los reflectores cilindro parabólicos del colector alrededor de un eje.
Un colector CCP completo está formado por varios módulos concentradores
cilindro parabólicos que están unidos rígidamente en serie y movidos por un
mismo mecanismo de seguimiento solar. La rotación del colector requiere un
mecanismo de accionamiento, eléctrico o hidráulico que mueva al colector de
acuerdo con la posición del sol.
La estructura metálica
Los colectores CCP actuales usan estructuras metálicas, que en algunos
casos son del tipo espacial, como la del CCP modelo Eurotrough y en otros
casos están fabricadas con perfiles llenos.
La misión de la estructura del colector es la de dar rigidez al conjunto de
elementos que lo componen, a la vez que actúa de interface con la
cimentación del colector.
A diferencia de los colectores empleados en la tecnología solar de baja temperatura, los colectores de concentración captan la radiación directa, pero desaprovechan la radiación solar difusa, por lo tanto no resultan apropiados en zonas de cierta nubosidad. Esta tecnología es la más madura dentro del mercado de la solar termoeléctrica. La potencia típica de estas centrales está entre 50 MW y 200 MW.
En el presente la planta tradicional se apoya en el calentamiento de aceite HTF. Su principio de funcionamiento consiste en: El campo solar calienta aceite .Con el aceite se genera vapor.Con el vapor se genera electricidad.
Los componentes básicos son: Campo de colectores solares.Sistema de apoyo.BOP (Bloque de Potencia).
ESQUEMAS DE UNA PLANTA SOLAR TERMOELÉCTRICA DE HTF
La tecnología solar térmica de alta temperatura se fundamenta en la
concentración de la radiación en un foco puntual. Con esta tecnología se
consiguen factores de concentración muy superiores a los
concentradores de media temperatura, asi como tambien menores
perdidas.
La tecnología de alta temperatura tiene fundamentalmente las siguientes
aplicaciones:
•Centrales de torre
•Centrales de discos parabólicos
•Hornos solares
C. TECNOLOGÍA SOLAR TÉRMICA DE ALTA TEMPERATURA
CENTRALES DE TORRE
CONSISTEN EN UNA SERIE DE ESPEJOS ORIENTADOS, DENOMINADOS HELIÓSTATOS QUE REFLEJAN LA RADIACIÓN SOBRE UNA CALDERA SITUADA EN UNA TORRE CENTRAL.
LA PRIMERA CENTRAL COMERCIAL DE ESTE TIPO SE TERMINÓ EN JUNIO DE 2007 EN ESPAÑA. LA PS10 DE 10 MW. LA PS10 FUE LA PRIMERA TORRE COMERCIAL DEL MUNDO: 624 HELIÓSTATOS DE 120 M2 CADA UNO.24,3 GWH/AÑO QUE ALIMENTARÁN A 5.500 HOGARES.6.700 TN. DE CO2 AHORRADOS ANUALMENTE.TORRE DE 100 M.PS10: POSIBILIDAD DE 12-15% DE GAS NATURAL.
PS20: 20 MWse Sanlúcar la Mayor (Sevilla). Helióstato propio Sanlúcar 120.44.2 GWh/año que alimentarán a alrededor de 10.000 hogares. 12.200 Tn. de CO2, ahorrados anualmente.Torre de 160 m. Ocupación del terreno: 90 Ha. Posibilidad de 12-15% de gas natural. Mayor torre comercial del mundo.
Componentes principales de un sistema de receptor central
Los principales componentes de un sistema de receptor central son:
•El sistema colector o campo de helióstatos, formado por helióstatos.
•La torre, si existe.
•El receptor.
•El sistema de control.
El helióstato
El helióstato, cuya función es captar la radiación solar y redirigirla hacia el
receptor, es, junto con el receptor, el componente más característico de un CETS
de receptor central, y representa hasta el 60% del coste de la parte solar.
Un helióstato está compuesto básicamente por una superficie reflectante, una
estructura soporte, mecanismos de movimiento y un sistema de control.
Las superficies reflectantes más empleadas hasta hoy son a base de espejos de
vidrio, de características similares a los descritos para los colectores cilindro-
parabólicos. También se emplea superficies reflectantes a base de películas
poliméricas de alta reflectividad.
El mayor inconveniente para la introducción de esta tecnología es su menor
durabilidad.
La superficie reflexiva por helióstato ha ido evolucionando hacia tamaños
cada vez mayores, partiendo de unos 40-50 m2 para los helióstatos de las
primeras plantas hasta llegar a los 150 m2 de algunos desarrollos recientes.
Recientemente se vuelve a mirar hacia helióstatos de pequeño tamaño, por
su potencial de aprovechamiento de economías de escala y, sobre todo, de
simplificación y abaratamiento de los procesos de transporte, instalación y
puesta en servicio.
La torre
La torre tiene la función de servir de soporte al receptor, que normalmente
debe situarse a una cierta altura sobre el nivel del campo de helióstatos
para reducir las sombras y bloqueos entre éstos, y a diversos elementos
auxiliares. Hasta hoy, las torres construidas han sido de estructuras
metálicas o de hormigón.
El receptor
El dispositivo donde se produce la conversión de la radiación solar concentrada en
energía térmica (donde se aloja el fluido caloportador) es el llamado receptor de
una central. A lo largo de la breve historia de esta tecnología, se han propuesto y
ensayado un gran número de receptores de diversas características geométricas y
operativas con distintos fluidos de trabajo:
Desde el punto de vista de la geometría del receptor podemos distinguir entre receptores de cavidad y externos. A su vez, éstos últimos pueden clasificarse en planos, cilíndricos y semicilíndricos.
Por el mecanismo de transferencia de calor, podemos distinguir entre receptores
de absorción directa (DAR) y de absorción indirecta, contando entre éstos con los
tubulares, los de placa (RAS) y los volumétricos, ya sean atmosféricos (TSA) o
presurizados (REFOS).
En cuanto al fluido de trabajo, se han propuesto y ensayado receptores de agua-
vapor, ya sea con evaporación y sobrecalentamiento o solo con evaporación,
aire, sales fundidas, sodio fundido, partículas sólidas, etc.
Los experimentos y estudios realizados hasta la fecha no han conseguido
demostrar la superioridad de una tecnología sobre las demás, entre otras
causas porque la elección de una u otra está condicionada no solo por
factores técnicos, sino también de política industrial.
Así, mientras la industria estadounidense apuesta por la tecnología de sales
fundidas (Solar Two), la europea aparece más inclinada hacia los receptores
volumétricos de aire, ya sean atmosféricos o presurizados o los receptores de
vapor de agua.
Centrales solares de chimenea
Las centrales solares de chimenea son una tecnología de torre.
En estos sistemas la radiación del sol calienta el aire que se encuentra debajo
de una gran cubierta de cristal abierta en su contorno. Esta cubierta y el
terreno forman un gran colector de aire caliente.
En el centro de la cubierta se sitúa una gran chimenea con amplias entradas
de aire en su base. El aire caliente, que es más ligero que el frío, asciende por
la chimenea.
La succión provoca que el aire caliente bajo la cubierta de cristal siga entrando
a la chimenea, y el aire frío exterior entre por el perímetro de la cubierta. La
energía contenida en el flujo de aire se transforma en energía mecánica
mediante unas turbinas colocadas en la base de la chimenea y en eléctrica
mediante generadores convencionales.
CENTRALES DE DISCOS PARABÓLICOS
TAMBIÉN SE LE CONOCE COMO DISCO STIRLING; CONSTITUIDOS POR
ESPEJOS PARABÓLICOS DE REVOLUCIÓN EN CUYO FOCO SE UBICA
EL RECEPTOR QUE ES UN motore Stirling con potencias de 7-25 kW.
Los sistemas de disco-Stirling presentan una alta eficiencia en la conversión de la
radiación solar en energía eléctrica, entre 25-30%, en condiciones nominales de
operación.
Además, se pueden conseguir relaciones de concentración superiores a 3.000, lo
que permite alcanzar temperaturas entre 650 °C y 800 °C y eficiencias nominales
en los motores Stirling entre 30-40%.
Se están alcanzando logros que hacen prever unos costes de generación
inferiores a 0,12-0,17 e/kWh a corto plazo.
Posee un enorme potencial a largo plazo de esta tecnología, debido asus
elevadas eficiencias y su modularidad.
Su potencia unitaria (inferior a 25 kW) obstaculiza muchas aplicaciones que
pretenden la producción eléctrica a gran escala.
Así, tienen su aplicación más obvia en la producción de electricidad para
autoconsumo en lugares aislados donde no llegue la red eléctrica. (bombeo
de agua en pozos, suministro de electricidad a núcleos de viviendas rurales,
etc.), donde cabe esperar que puedan competir con sistemas ya comerciales
como los generadores diésel o los fotovoltáicos.
Componentes de un sistema de discos parabólicos
Los componentes de un sistema de discos parabólicos son:
•concentrador
•receptor
•sistema de generación
•estructura soporte y mecanismos
Concentrador
La forma de la superficie reflexiva en un sistema de este tipo es la de un paraboloide de revolución.
El tamaño del concentrador dependerá tanto de la potencia nominal como de la energía a generar en un período de tiempo para unas determinadas condiciones de radiación solar y rendimientos asociados de los elementos que constituyen el sistema.
La superficie reflexiva se consigue a base de espejos de vidrio o de películas reflectantes.
Existen distintos tipos de concentradores, sus diámetros de apertura oscilan entre los 7 m de los sistemas más antiguos y los 17 m de los desarrollos más recientes, aunque se han construido discos de tamaño mayor.
Las relaciones de concentración llegan a alcanzar el valor de 3.000.
Estructura y sistema de seguimiento
Los sistemas de disco parabólico deben disponer también de una estructura
soporte y un mecanismo de seguimiento al sol en dos ejes, con objeto de seguir
la posición del sol en todo momento.
Los dos tipos de montaje empleados son:
Seguimiento en acimut-elevación, en el que el movimiento se realiza según dos
ejes, vertical y horizontal (construcción más simple).
Seguimiento polar, en el que el movimiento en un eje es muy lento, pues sólo
debe seguir las variaciones estacionales del sol, y el movimiento en el otro eje es
a velocidad constante (más fácil de controlar).
Receptor
Las dos funciones fundamentales del receptor de un sistema de discos
parabólicos son: Absorber la radiación solar reflejada por el concentrador.
Transferir la energía absorbida al fluido de trabajo de la máquina térmica
asociada.
El receptor constituye la interfaz entre el concentrador y la máquina térmica.
Los receptores empleados en los DP son receptores de cavidad en los que
la radiación concentrada entra por una apertura (situada en el foco del
paraboloide) incidiendo posteriormente sobre el absorbedor. De esta forma
se consigue disminuir las pérdidas radiativas y convectivas, así como
homogeneizar flujo radiante incidente sobre el absorbedor y reducir su valor
máximo.
Hasta la fecha se han empleado fundamentalmente dos tipos de receptores para
los sistemas de discos parabólicos:
Receptores de tubos directamente iluminados, que permiten una adaptación
directa del calentador de los motores Stirling convencionales. En estos
receptores el absorbedor está formado por un haz de tubos por donde circula el
fluido de trabajo del motor. La radiación incide directamente sobre estos tubos y
es transformada en energía térmica y transmitida al fluido de trabajo.
Las altas temperaturas de trabajo de estos absorbedores (del orden de 800 oC)
dificultan el empleo de recubrimientos selectivos por el gran solape de la
radiación emitida y absorbida.
Un inconveniente de estos receptores es la falta de uniformidad en el flujo de
radiación incidente en el absorbedor, lo cual trae como consecuencia el que la
temperatura en los tubos absorbedores presente picos, limitando por tanto la
máxima temperatura del fluido de trabajo para evitar sobrepasar la máxima
temperatura permitida en los materiales.
Receptores de reflujo. Este tipo de receptores emplea un fluido intermedio para la
transmisión del calor, un metal líquido (normalmente sodio), mediante su
evaporación en la superficie del absorbedor y su condensación en los tubos por
donde circula el fluido de trabajo. Al condensar el metal líquido, por gravedad
regresa a la superficie del absorbedor.
Sistema generador
El sistema generador está constituido por un ciclo termodinámico de potencia o
máquina térmica y el generador propiamente dicho, que transforma la energía
mecánica en electricidad.
El desarrollo de los sistemas de discos parabólicos ha estado muy ligado a los
motores Stirling.
En 1984, con un sistema de disco parabólico y un motor Stirling se consiguió el
que sigue siendo el mayor rendimiento de conversión solar-eléctrico (29,4%)
con un sistema de 25 kW eléctricos con hidrógeno como fluido de trabajo a 200
bar y una temperatura máxima del ciclo de 720 oC. El rendimiento térmico del
motor Stirling fue del 41%.
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