Energía solar térmica

Tipos de tecnologías

Las fuentes térmicas de origen solar se pueden dividir en dos tecnologías principales:

• Energía solar térmica: aprovechar la radiación solar mediante placas o captadores para calentar fluidos, para almacenarlos o consumirlos.
• Energía solar termoeléctrica: se basa en concentrar la radiación solar con colectores (cilindros parabólicos, reflectores Fresnel, torres, etc.) en un foco por donde circula un fluido caloportador que describe un ciclo termodinámico y genera energía eléctrica.

Conceptos básicos

Solar térmica: calentar agua en casa.

Solar termoeléctrica: calentar un líquido que circula por tuberías y produce energía (eléctrica).

Funcionamiento de la solar térmica

Produce calor que se transfiere a algún glicol (anticongelante) en un circuito primario, el cual calienta un circuito secundario de agua caliente sanitaria, un acumulador o cualquier otro fluido.

Componentes de un sistema de E.S.T. (Energía Solar Térmica)

• Captador solar: por él pasa un conducto que baja el fluido hasta el acumulador y vuelve a subirlo para pasar por el mismo; este conducto es el circuito primario.
• Acumulador: es donde se almacena el agua y por donde pasa el circuito primario, el cual llega con el fluido recién calentado en el captador y calienta el agua disponible en el acumulador. Al acumulador va unido un sistema auxiliar que apoya al captador en caso de que sea necesario.
• Control: se encarga de gestionar el trasiego del fluido caloportador desde los captadores hasta el punto de acumulación.

Cuando se instalan sistemas de más de 150 °C (media temperatura: baja <150 °C).

Se instalan generalmente colectores cilindro-parabólicos.

Energía solar termoeléctrica (CSP)

Es una tecnología generadora de electricidad a gran escala (potencias típicas 50–250 MW). Su objetivo es captar y concentrar la radiación solar, transformarla en energía térmica, transferirla a un fluido para producir vapor de agua, inyectar dicho vapor en una turbina y obtener energía mecánica de rotación; acoplar un alternador a dicha turbina y producir electricidad.

Tipos más extendidos

• Centrales con colectores cilindro-parabólicos.
• Centrales con lentes Fresnel.

Ambos están basados en el ciclo Rankine, que consta en la generación de vapor de agua a alta presión; al expandir dicho vapor se mueve una turbina que genera electricidad. Al salir de la turbina, el fluido pasa por un condensador que lo transforma en agua líquida.

Existen en la actualidad colectores que transfieren directamente la energía solar al … que pasa por su interior, el cual es inyectado a su vez en las estancias para calefactarlas. (Fácil de instalar y precisa menos mantenimiento.)

Procedimiento de calefacción por aire

El aire (fluido) entra al colector, es calentado y movido por convección libre (diferencia de densidades) o gracias a un ventilador (convección forzada) alimentado eléctricamente (panel fotovoltaico).

Producir frío a través de la térmica

La alimentación con agua caliente se lleva a cabo a temperaturas comprendidas entre 70–90 °C. La energía necesaria para alcanzar tales temperaturas procede del campo de captadores; cuando el sol no es suficiente para el aporte térmico necesario, se emplea una bomba de calor reversible o una caldera como apoyo.

Energía solar pasiva

Aprovechar el clima y las condiciones específicas del entorno con el objeto de conseguir una situación de óptima iluminación y confort térmico (frío o calor) de una vivienda.

Energía solar activa

Se recurre a dispositivos eléctricos, electrónicos e incluso mecánicos para captar, transformar o distribuir la energía solar.

Componentes de control y regulación

• Regulador de control: captura la diferencia de temperatura entre el fluido caloportador en los captadores y el depósito de acumulación.
• Sonda: mide un valor variable de control del estado del circuito (temperatura).
• Electrocirculador: suministra presión al circuito (en oposición a la presión gravitatoria).
• Actuador: regula el funcionamiento de los dispositivos a los que están vinculados (abre o cierra válvulas, paro o marcha de bombas).

Sistemas según rango de temperatura

Sistemas solares térmicos de baja temperatura (35–150 °C): sin acumulador específico, con aplicaciones de apoyo en calefacción, climatización y refrigeración.

Sistemas solares térmicos de media temperatura (150–400 °C): objetivo industrial; se logran con captadores cilíndrico-parabólicos o reflectores lineales Fresnel. Aplicaciones: generación de vapor, aire caliente y aceites térmicos.

Centrales solares de media temperatura son capaces de producir varias decenas de MW. Generan energía eléctrica como las centrales convencionales mediante las siguientes etapas:

1. Concentración: focaliza y redirige la radiación solar sobre el receptor (colectores cilindro-parabólicos, discos, torre central).
2. Recepción: la radiación recibida del concentrador es absorbida y convertida en energía térmica.
3. Almacenamiento y transporte: almacena y transporta la energía térmica capturada y la distribuye a zonas donde será transformada en energía eléctrica.
4. Conversión de potencia: dispositivo eléctrico-termodinámico que transforma la energía térmica en eléctrica.

Tanto la media como la alta temperatura generan electricidad gracias al empleo de un motor térmico (transforma el calor en energía mecánica).

Centrales colectoras

Cilindro parabólico

En el foco se coloca un conducto¹ por donde pasa un fluido, como aceite o salmuera. Dependiendo de la longitud de exposición, el área de captación solar y la irradiancia, dicho fluido puede calentarse incluso por encima del punto de ebullición del agua, llegando a temperaturas alrededor de 300 °C. Una vez caliente, el fluido pasa a una caldera donde calienta agua y la convierte en vapor. La energía contenida en el vapor puede ser utilizada para generar electricidad si se pasa por una turbina que haga girar a un generador.

Colector 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 así más luz solar disponible, y son más baratos que los reflectores parabólicos. Los reflectores Fresnel pueden ser usados en sistemas CSP de variados tamaños.

Centrales solares térmicas de alta temperatura

Temperaturas típicas: 650–800 °C.

Centrales de torre central (Gemasolar, 17 MW) están constituidas por un enorme campo de espejos con seguimiento solar bidimensional, que proyectan la luz solar sobre un único receptor en una torre de elevada altura. Pueden incorporar sistemas de almacenamiento con sales fundidas, pudiendo mantener una producción eléctrica continua.

Bomba de calor reversible (genera frío y calor)

Explicación de atenuaciones de la radiación solar:

• Disminución energética por atmósfera: la energía del sol se reduce al atravesar la atmósfera.
• Dispersión: la radiación electromagnética choca con las moléculas de vapor de agua, otros vapores y partículas en suspensión (arena), dispersándose.
• Absorción: parte de la radiación es absorbida por gases de efecto invernadero, principalmente ozono y dióxido de carbono.
• Atenuación: energía causada por la propia masa de aire atmosférica que actúa como filtro.

Motores Stirling

Usados a escala de pocos kW.

Pueden funcionar con diversas fuentes de energía.

• Algunos utilizan como fuente de calor energías renovables como energía solar o biomasa; otros funcionan con gas o gasóleo.
• Necesitan calor aplicado desde la parte externa del dispositivo; el movimiento de los pistones acciona un alternador que genera electricidad. A su vez, el agua que se utiliza para refrigerar el sistema aprovecha el agua caliente que se obtiene del aparato.
• Tiene la virtud de ser reversible.
• Si recibe energía de manera externa puede generar calor y electricidad, y si se le suministra electricidad puede producir frío o calor (funcionamiento reversible).

¹ Conducto en el foco del colector por donde circula el fluido de intercambio térmico.