La radiación solar que alcanza la Tierra puede aprovecharse por medio del calor que produce y también a través de la absorción de la radiación, por ejemplo en dispositivos ópticos o de otro tipo. Es una de las llamadas energías renovables, particularmente del grupo no contaminante, conocido como energía limpia o energía verde.

La radiación es aprovechable en sus componentes directa y difusa, o en la suma de ambas. La radiación directa es la que llega directamente del foco solar, sin reflexiones o refracciones intermedias. La difusa es la emitida por la bóveda celeste diurna gracias a los múltiples fenómenos de reflexión y refracción solar en la atmósfera, en las nubes y el resto de elementos atmosféricos y terrestres. La radiación directa puede reflejarse y concentrarse para su utilización, mientras que no es posible concentrar la luz difusa que proviene de todas las direcciones.

 

¿Qué es la energía termosolar?

En general, la tecnología termosolar, solar termoeléctrica o solar térmica está basada en el concepto de la concentración de la radiación solar para producir vapor o aire caliente, que puede posteriormente ser usado para accionar plantas eléctricas convencionales. La captación de energía solar, que tiene una densidad relativamente baja, es uno de los mayores retos en el desarrollo de plantas termosolares.

Constructivamente, es necesario concentrar la radiación solar para que se puedan alcanzar temperaturas elevadas, de 300 º C hasta 1000 º C, y obtener así un rendimiento aceptable en el ciclo termodinámico, que no se podría obtener con temperaturas más bajas. La captación y concentración de los rayos solares se hacen por medio de espejos con orientación automática que apuntan a una torre central donde se calienta el fluido, o con mecanismos más pequeños de geometría parabólica. El conjunto de la superficie reflectante y su dispositivo de orientación se denomina heliostato.

La concentración puntual y lineal puede aprovechar solamente la radiación directa, y no la difusa debido a que esta última no puede ser concentrada. La concentración lineal es más fácil de instalar al tener menos grados de libertad, pero tiene un factor de concentración menor y por lo tanto puede alcanzar menores temperaturas que la tecnología de concentración puntual.

 

Las tecnologías

Dentro de termosolar existen diferentes tipos de tecnologías, siendo las más conocidas, la tecnología cilindro parabólica, la tecnología dish Stirling, la tecnología de torre y la torre solar de aire ascendente.

 

Tecnología cilindro parabólica

La tecnología cilindro parabólica es una tecnología limpia, madura y con un extenso historial que demuestra estar preparada para la instalación a gran escala. La tecnología lleva siendo instalada desde los años 80 a nivel comercial con un excepcional comportamiento. Desde entonces, la tecnología ha experimentado importantes mejoras a nivel de costes y rendimientos. Actualmente hay 300 MWs en operación, 400 en construcción y alrededor de 6 GWs en promoción a nivel mundial.

La tecnología cilindro parabólica basa su funcionamiento en seguimiento solar y en la concentración de los rayos solares en unos tubos receptores de alta eficiencia térmica localizados en la línea focal de los cilindros.

En estos tubos, un fluido transmisor de calor, tal como aceite sintético es calentado a aproximadamente 400 ºC por los rayos solares concentrados. Este aceite es bombeado a través de una serie de intercambiadores de calor para producir vapor sobrecalentado. El calor presente en este vapor, se convierte en energía eléctrica en una turbina de vapor convencional.

En tecnología de cilindro parabólica, se puede incorporar el almacenamiento de energía. A partir de este almacenamiento el sistema puede proporcionar energía aun en condiciones de nubosidad o de noche. Actualmente la solución más utilizada es el uso de un tanque de sales fundidas que acumula la energía para ser distribuida en otro momento. Consecuentemente la planta necesita ser sobredimensionada. Otra aplicación utilizada en tecnología de cilindro parabólica es la hibridación.

Los componentes principales del campo solar de la tecnología cilindro parabólico son:

– El reflector cilindro parabólico: La misión del receptor cilindro parabólico es reflejar y concentrar sobre el tubo absorbente la radiación solar directa que incide sobre la superficie. La superficie especular se consigue a través de películas de plata o aluminio depositadas sobre un soporte que le da la suficiente rigidez. En la actualidad los medios soporte más utilizados son la chapa metálica, el vidrio y el plástico.

– El tubo absorbedor: El tubo absorbedor consta de dos tubos concéntricos separados por una capa de vacío. El interior, por el que circula el fluido que se calienta es metálico y el exterior de cristal.

El fluido de trabajo que circula por el tubo interior es diferente según la tecnología. Para bajas temperaturas (< 200 ºC) se suele utilizar agua desmineralizada con Etileno-Glicol mientras que para mayores temperaturas (200º C < T < 450 º C) se utiliza aceite sintético. Las últimas tecnologías permiten la generación directa de vapor sometiendo a alta presión a los tubos y la utilización de sales como fluido caloportante.

– El sistema de seguimiento del sol: El sistema seguidor más común consiste en un dispositivo que gira los reflectores cilindro parabólicos del colector alrededor de un eje.

– La estructura metálica: La misión de la estructura del colector es la de da rigidez al conjunto de elementos que lo componen.

Los principales beneficios de esta tecnología frente a otras es que se la considera como una tecnología madura y preparada para ser instalada a nivel comercial. Las primeras plantas CCP llevan instaladas en EEUU desde principios de los 80.

En la tecnología termosolar existe una serie de variables que deben ser analizadas a la hora de plantear una instalación. Los requerimientos más importantes en una planta termosolar son:

– La orografía: Terreno extremadamente llano.

– El clima.

– Disponibilidad de agua.

– Conexión cercana a una subestación eléctrica

 

Tecnología disco Stirling

Un sistema de concentrador disco Stirling (dish Stirling) está compuesto por un concentrador solar de alta reflectividad, por un receptor solar de cavidad, y por un motor Stirling o una microturbina que se acopla a un alternador. El funcionamiento consiste en el calentamiento de un fluido localizado en el receptor hasta una temperatura entorno a los 750º C. Esta energía es utilizada para la generación de energía por el motor o la microturbina. Para óptimo funcionamiento, el sistema debe estar provisto de los mecanismos necesarios para poder realizar un seguimiento de la posición del sol en dos ejes.

Los sistemas dish Stirling son adecuados para la generación descentralizada de energía eléctrica a partir de la energía solar y generalmente tienen una capacidad de 10 a 50 kW cada uno.

Los principales componentes de un Sistema disco Stirling son el concentrador parabólico, el motor Stirling y el sistema de seguimiento solar.

Al igual que todos los sistemas de producción de energía eléctrica a partir de las energías renovables, el coste de la inversión inicial en el sistema disco Stirling es fuerte. Sin embargo, los costes de operación son relativamente bajos porque no existe consumo de combustible.

 

Tecnología de torre

Una central de torre o sistema de receptor central, está compuesta por un sistema concentrador o campo de heliostatos, que capta y concentra la componente directa de la radiación solar sobre un receptor (donde se produce la conversión de la energía radiante en energía térmica) que suele instalarse en la parte superior de una torre. El fluido de trabajo puede ser, entre otros, aire, vapor de agua, sodio fundido o sales fundidas, según la tecnología escogida. En las de vapor de agua, este mueve directamente una turbina. En los otros, el fluido transporta el calor a un generador de vapor de agua, con el que se hace funcionar una turbina que mueve al generador eléctrico.

En los sistemas de torre, un campo de helióstatos o espejos móviles que se orientan según la posición del sol, reflejan la radiación solar para concentrarla hasta 600 veces sobre un receptor que se sitúa en la parte superior de una torre. Este calor se transmite a un fluido con el objeto de generar vapor que se expande en una turbina acoplada a un generador para la producción de electricidad.

El funcionamiento de la tecnología de torre se basa en tres elementos característicos: los helióstatos, el receptor y la torre.

– Los helióstatos tienen la función de captar la radiación solar y dirigirla hacia al receptor. Están compuestos por una superficie reflectante, una estructura que le sirve de soporte, y mecanismos que permiten orientarlo para ir siguiendo el movimiento del sol (lo que implica tanto los sistemas necesarios para el movimiento del helióstato como los sistemas de control). Las superficies reflectantes más empleadas actualmente son de espejos de vidrio.

– El receptor, que transfiere el calor recibido a un fluido de trabajo (que puede ser agua, sales fundidas, etc.). Este fluido es el encargado de transmitir el calor a la otra parte de la central termosolar, generalmente a un depósito de agua, obteniéndose vapor a alta temperatura para producción de electricidad mediante el movimiento de una turbina. Los últimos avances e investigaciones se centran en la obtención de torres de alta temperatura con fluidos caloportantes tales como aire, sales…

– La torre sirve de soporte al receptor, que debe situarse a cierta altura sobre el nivel de los helióstatos con el fin de evitar, o al menos reducir, las sombras y los bloqueos.

Las altas temperaturas (superiores a 1000º C) que se pueden alcanzar con esta tecnología permiten aspirar a elevados rendimientos en la generación de electricidad, incluso por encima del 25 % en la transformación de radiación solar a electricidad.

En tecnología de torre, se puede incorporar el almacenamiento de energía. A partir de este almacenamiento el sistema puede proporcionar energía aun en condiciones de nubosidad o de noche. Actualmente la solución más utilizada es el uso de un tanque de almacenamiento de agua/vapor o sales fundidas que acumula la energía para ser distribuida en otro momento. Consecuentemente la planta necesita ser sobredimensionada. Otra aplicación utilizada en tecnología de torre es la hibridación.

Para la instalación de plantas de tecnología de torre, existen ciertos requerimientos como:

– El clima. La viabilidad económica depende de la radiación de la ubicación de la torre.

– La orografía: Una superficie plana facilita las labores de diseño y construcción del campo solar.

– Disponibilidad de agua.

– Disponibilidad de conexión eléctrica a la red.

 

Torre Solar de Aire Ascendente

La Torre Solar de Aire Ascendente o Central eléctrica solar de chimenea es una central termosolar a gran escala (30-200 MW) idónea para los países del llamado “cinturón solar” de la Tierra. Las Torres de Aire Ascendente generan energía eléctrica a partir de la radiación solar. Se calienta el aire bajo un gran techo colector transparente. Debido a la diferencia de densidades entre el aire caliente del interior del colector y el aire frío del ambiente, el aire del interior fluye hacia el centro del techo colector donde asciende a través de una chimenea impulsando turbinas de fases de presión que generan energía eléctrica.

Al principio de los años ochenta y durante varios años operó con éxito una planta prototipo con una torre de 200 m y un colector de una superficie de 44.000 m2 en Manzanares, España.

Los principales componentes de la Torre Solar de Aire Ascendente son el colector de aire, las turbinas y la torre.

– El colector es como un invernadero. La radiación solar penetra a través del vidrio, plástico o lámina del techo y calienta el aire bajo el colector. El aire caliente más ligero asciende a través de la torre.

– Las turbinas, que se parecen mucho a las bien conocidas hidroturbinas, se desarrollaron en estrecha colaboración con los fabricantes de hidroturbinas. Las turbinas son impulsadas por el aire que se ha calentado en el colector según va subiendo por la torre.

– La torre de una planta solar de aire ascendente puede tener hasta 1000 m de altura. Técnicamente, las torres de aire ascendente no son más que torres de refrigeración de ciclo abierto de gran diámetro. El grosor del muro disminuye desde aproximadamente 1 m justamente por encima de las cimentaciones de los muros hasta 30 cm a media altura, y continuando igual hasta arriba.

El coste de la inversión de la central de torre de aire ascendente es mucho mayor que la de las centrales convencionales de combustible fósil, sin embargo los costes de operación son mucho menores porque no existe ningún gasto de combustible.

 

Fuentes: Abengoa Solar – Wikipedia – SBP – Iberdrola renovables

 

 

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