La energía solar térmica ( STE ) es una forma de energía y una tecnología para aprovechar la energía solar para generar energía térmica para su uso en la industria y en los sectores residencial y comercial.
Los colectores solares térmicos están clasificados por la Administración de Información Energética de los Estados Unidos como colectores de temperatura baja, media o alta. Los colectores de baja temperatura generalmente no están vidriados y se utilizan para calentar piscinas o calentar aire de ventilación. Los colectores de media temperatura también suelen ser placas planas, pero se utilizan para calentar agua o aire para uso residencial y comercial.
Los colectores de alta temperatura concentran la luz solar mediante espejos o lentes y se utilizan generalmente para satisfacer las necesidades de calor de hasta 300 grados C / 20 bar de presión en las industrias y para la producción de energía eléctrica. Dos categorías incluyen la concentración solar térmica (CST) para satisfacer los requisitos de calor en las industrias, y la concentración solar térmica (CSP) cuando el calor recolectado se utiliza para generar energía eléctrica. CST y CSP no son reemplazables en términos de aplicación.
Las instalaciones más grandes están ubicadas en el desierto americano de Mojave en California y Nevada. Estas plantas emplean una variedad de tecnologías diferentes. Los ejemplos más importantes incluyen la central solar de Ouarzazate en Marruecos (510 MW), la instalación de energía solar Ivanpah (377 MW), la instalación de sistemas de generación de energía solar (354 MW) y Crescent Dunes (110 MW). España es el otro gran promotor de centrales termosolares. Los ejemplos más grandes incluyen la central solar Solnova (150 MW), la central solar Andasol (150 MW) y la central solar Extresol (100 MW).
Augustin Mouchot demostró un colector solar con motor de refrigeración para hacer helado en la Exposición Universal de París de 1878 . La primera instalación de equipos de energía solar térmica se produjo en el Sahara aproximadamente en 1910 por Frank Shuman cuando una máquina de vapor funcionaba con vapor producido por la luz solar. Debido a que se desarrollaron motores de combustible líquido y se consideraron más convenientes, el proyecto Sahara fue abandonado, para ser revisado varias décadas después. [1]
Los sistemas para utilizar energía solar térmica de baja temperatura incluyen medios para captar calor; normalmente almacenamiento de calor, ya sea a corto plazo o entre estaciones; y distribución dentro de una estructura o red de calefacción urbana. En algunos casos, una sola característica puede hacer más de una de estas cosas (por ejemplo, algunos tipos de colectores solares también almacenan calor). Algunos sistemas son pasivos, otros son activos (requieren otra energía externa para funcionar). [2]
La calefacción es la aplicación más obvia, pero la refrigeración solar se puede lograr para un edificio o para refrigeración urbana mediante el uso de un enfriador de absorción o adsorción impulsado por calor (bomba de calor). Existe una coincidencia productiva: cuanto mayor es el calor generado por la insolación, mayor es la potencia de refrigeración. En 1878, Auguste Mouchout fue pionero en el enfriamiento solar al fabricar hielo utilizando una máquina de vapor solar conectada a un dispositivo de refrigeración. [3]
En Estados Unidos, los sistemas de calefacción , ventilación y aire acondicionado ( HVAC ) representan más del 25% (4,75 EJ) de la energía utilizada en edificios comerciales (50% en las ciudades del norte) y casi la mitad (10,1 EJ) de la energía utilizada. en edificios residenciales. [4] [5] Las tecnologías de calefacción, refrigeración y ventilación solares se pueden utilizar para compensar una parte de esta energía. La tecnología de calefacción solar más popular para calentar edificios es el sistema integrado de recolección de aire solar transpirado que se conecta al equipo HVAC del edificio. Según la Asociación de Industrias de Energía Solar, más de 500.000 m 2 (5.000.000 de pies cuadrados) de estos paneles están en funcionamiento en América del Norte en 2015.
En Europa, desde mediados de la década de 1990 se han construido alrededor de 125 grandes plantas de calefacción urbana termosolar, cada una con más de 500 m 2 (5400 pies 2 ) de colectores solares. Los más grandes tienen una superficie de unos 10.000 m 2 , con capacidades de 7 MW térmicos y el calor solar cuesta alrededor de 4 céntimos de euro/kWh sin subvenciones. [6] 40 de ellos tienen capacidades nominales de 1 MW térmico o más. El programa de calefacción urbana solar (SDH) cuenta con la participación de 14 países europeos y la Comisión Europea, trabaja para el desarrollo técnico y de mercado y celebra conferencias anuales. [7]
Los colectores solares acristalados están diseñados principalmente para calefacción de espacios. Hacen circular el aire del edificio a través de un panel de aire solar donde el aire se calienta y luego se dirige de regreso al edificio. Estos sistemas solares de calefacción de espacios requieren al menos dos penetraciones en el edificio y solo funcionan cuando el aire en el colector solar está más caliente que la temperatura ambiente del edificio. La mayoría de los colectores acristalados se utilizan en el sector residencial.
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Los colectores solares sin vidriar se utilizan principalmente para precalentar el aire de ventilación de reposición en edificios comerciales, industriales e institucionales con una alta carga de ventilación. Convierten las paredes o secciones de paredes de un edificio en colectores solares sin vidriar de bajo coste y alto rendimiento. También llamados "paneles solares transpirados" o " pared solar ", emplean un absorbente de calor solar de metal perforado pintado que también sirve como superficie de la pared exterior del edificio. La transferencia de calor al aire se produce en la superficie del absorbente, a través del absorbente metálico y detrás del absorbente. La capa límite de aire calentado por el sol es aspirada hacia una perforación cercana antes de que el calor pueda escapar por convección al aire exterior. A continuación, el aire calentado se aspira desde detrás de la placa absorbente al sistema de ventilación del edificio.
Un muro Trombe es un sistema pasivo de calefacción y ventilación solar que consta de un canal de aire intercalado entre una ventana y una masa térmica orientada al sol. Durante el ciclo de ventilación, la luz solar almacena calor en la masa térmica y calienta el canal de aire provocando la circulación a través de las rejillas de ventilación en la parte superior e inferior de la pared. Durante el ciclo de calentamiento, la pared Trombe irradia calor almacenado. [8]
Harold Hay desarrolló estanques de techo solar para calefacción y refrigeración solar en la década de 1960. Un sistema básico consta de una vejiga de agua montada en el techo con una cubierta aislante móvil. Este sistema puede controlar el intercambio de calor entre ambientes interiores y exteriores cubriendo y descubriendo la vejiga entre la noche y el día. Cuando la calefacción es una preocupación, la vejiga se descubre durante el día, lo que permite que la luz del sol caliente la vejiga de agua y almacene calor para su uso nocturno. Cuando el enfriamiento es una preocupación, la vejiga cubierta extrae calor del interior del edificio durante el día y se descubre por la noche para irradiar calor a la atmósfera más fresca. La casa Skytherm en Atascadero, California, utiliza un prototipo de estanque en el techo para calefacción y refrigeración. [9]
La calefacción solar de espacios con colectores solares de calor del aire es más popular en EE. UU. y Canadá que la calefacción con colectores solares de líquido, ya que la mayoría de los edificios ya cuentan con un sistema de ventilación para calefacción y refrigeración. Los dos tipos principales de paneles solares de aire son acristalados y sin esmaltar.
De los 21.000.000 de pies cuadrados (2.000.000 m 2 ) de colectores solares térmicos producidos en los Estados Unidos en 2007, 16.000.000 de pies cuadrados (1.500.000 m 2 ) eran de baja temperatura. [10] Los colectores de baja temperatura se instalan generalmente para calentar piscinas, aunque también pueden utilizarse para calentar espacios. Los colectores pueden utilizar aire o agua como medio para transferir el calor a su destino.
Un conjunto de tecnologías maduras llamadas almacenamiento de energía térmica estacional (STES, por sus siglas en inglés) es capaz de almacenar calor durante meses seguidos, por lo que el calor solar recolectado principalmente en verano se puede utilizar para calefacción durante todo el año. La tecnología STES alimentada por energía solar se ha avanzado principalmente en Dinamarca, [11] Alemania, [12] y Canadá, [13] y las aplicaciones incluyen edificios individuales y redes de calefacción urbana. Drake Landing Solar Community en Alberta, Canadá, tiene un pequeño sistema de distrito y en 2012 logró un récord mundial al satisfacer el 97% de las necesidades de calefacción de espacios de la comunidad durante todo el año a partir del sol. [14] Los medios de almacenamiento térmico STES incluyen acuíferos profundos; roca nativa que rodea grupos de pozos de pequeño diámetro equipados con intercambiadores de calor; pozos grandes, poco profundos y revestidos, llenos de grava y aislados en la parte superior; y tanques de agua superficiales grandes, aislados y enterrados.
La calefacción urbana centralizada las 24 horas del día también es posible con una planta de almacenamiento de energía solar térmica concentrada (CST). [15]
Almacenamiento interestacional. El calor solar (o el calor de otras fuentes) puede almacenarse eficazmente entre estaciones opuestas en acuíferos , estratos geológicos subterráneos, grandes pozos especialmente construidos y grandes tanques aislados y cubiertos con tierra.
Almacenamiento a corto plazo. Los materiales de masa térmica almacenan energía solar durante el día y liberan esta energía durante los períodos más fríos. Los materiales de masa térmica comunes incluyen piedra, hormigón y agua. La proporción y ubicación de la masa térmica deben considerar varios factores como el clima, la iluminación natural y las condiciones de sombra. Cuando se incorpora adecuadamente, la masa térmica puede mantener pasivamente temperaturas confortables y al mismo tiempo reducir el consumo de energía.
En todo el mundo, en 2011 había alrededor de 750 sistemas de refrigeración con bombas de calor impulsadas por energía solar, y el crecimiento anual del mercado fue del 40 al 70% con respecto a los siete años anteriores. Es un nicho de mercado porque la economía es desafiante y el número anual de horas de enfriamiento es un factor limitante. Respectivamente, las horas de enfriamiento anuales son de aproximadamente 1.000 en el Mediterráneo, 2.500 en el Sudeste Asiático y sólo de 50 a 200 en Europa Central. Sin embargo, los costos de construcción del sistema cayeron aproximadamente un 50% entre 2007 y 2011. Los grupos de trabajo del programa de calefacción y refrigeración solar (IEA-SHC) de la Agencia Internacional de Energía (AIE) trabajan en un mayor desarrollo de las tecnologías involucradas. [dieciséis]
Una chimenea solar (o chimenea térmica) es un sistema de ventilación solar pasiva compuesto por una masa térmica hueca que conecta el interior y el exterior de un edificio. A medida que la chimenea se calienta, el aire del interior se calienta provocando una corriente ascendente que empuja el aire a través del edificio. Estos sistemas se han utilizado desde la época romana y siguen siendo comunes en Oriente Medio.
Los sistemas de calefacción de proceso solar están diseñados para proporcionar grandes cantidades de agua caliente o calefacción de espacios para edificios no residenciales. [17]
Los estanques de evaporación son estanques poco profundos que concentran sólidos disueltos mediante la evaporación . El uso de estanques de evaporación para obtener sal del agua de mar es una de las aplicaciones más antiguas de la energía solar. Los usos modernos incluyen la concentración de soluciones de salmuera utilizadas en la minería de lixiviación y la eliminación de sólidos disueltos de las corrientes de desechos. En conjunto, los estanques de evaporación representan una de las mayores aplicaciones comerciales de energía solar que se utilizan en la actualidad. [18]
Los colectores de ventilación no vidriados son paredes perforadas orientadas al sol que se utilizan para precalentar el aire de ventilación. Los colectores transpirados también se pueden montar en el techo para su uso durante todo el año y pueden elevar la temperatura del aire entrante hasta 22 °C y ofrecer temperaturas de salida de 45-60 °C. El corto período de recuperación de la inversión de los captadores (de 3 a 12 años) los convierte en una alternativa más rentable a los sistemas de captación acristalados. Hasta 2015, se habían instalado en todo el mundo más de 4.000 sistemas con una superficie combinada de colectores de 500.000 m 2 . Los representantes incluyen un recolector de 860 m 2 en Costa Rica utilizado para secar granos de café y un recolector de 1300 m 2 en Coimbatore, India, utilizado para secar caléndulas. [19] [20]
Una instalación de procesamiento de alimentos en Modesto, California, utiliza cilindros parabólicos para producir el vapor utilizado en el proceso de fabricación. Se espera que el área del colector de 5.000 m 2 proporcione 15 TJ por año. [21]
Estos colectores podrían usarse para producir aproximadamente el 50% o más del agua caliente necesaria para uso residencial y comercial en los Estados Unidos. [22] En los Estados Unidos, un sistema típico cuesta entre $4000 y $6000 al por menor ($1400 a $2200 al por mayor para los materiales) y el 30% del sistema califica para un crédito fiscal federal + existe un crédito estatal adicional en aproximadamente la mitad de los estados. La mano de obra para un sistema simple de circuito abierto en climas del sur puede tardar entre 3 y 5 horas para la instalación y entre 4 y 6 horas en las zonas del norte. El sistema Northern requiere más área de colector y tuberías más complejas para proteger el colector del congelamiento. Con este incentivo, el tiempo de recuperación para un hogar típico es de cuatro a nueve años, dependiendo del estado. Existen subsidios similares en algunas partes de Europa. Un equipo de un plomero solar y dos asistentes con una formación mínima pueden instalar un sistema por día. La instalación de termosifón tiene costos de mantenimiento insignificantes (los costos aumentan si se utiliza anticongelante y energía eléctrica para la circulación) y en los EE. UU. reduce los costos operativos de los hogares en $6 por persona por mes. El calentamiento solar de agua puede reducir las emisiones de CO 2 de una familia de cuatro personas en 1 tonelada/año (si reemplaza el gas natural) o 3 toneladas/año (si reemplaza la electricidad). [23] Las instalaciones de temperatura media pueden utilizar cualquiera de varios diseños: los diseños comunes son glicol presurizado, drenaje, sistemas por lotes y sistemas más nuevos tolerantes a la congelación de baja presión que utilizan tuberías de polímero que contienen agua con bombeo fotovoltaico. Se están revisando las normas europeas e internacionales para dar cabida a las innovaciones en el diseño y funcionamiento de colectores de temperatura media. Las innovaciones operativas incluyen la operación de "colector humedecido permanentemente". Esta innovación reduce o incluso elimina la aparición de tensiones de alta temperatura sin flujo llamadas estancamiento que, de otro modo, reducirían la esperanza de vida de los colectores.
La energía solar térmica puede ser útil para secar madera para la construcción y combustibles de madera, como astillas de madera, para combustión. La energía solar también se utiliza para productos alimenticios como frutas, cereales y pescado. El secado de cultivos por medios solares es respetuoso con el medio ambiente y rentable, al tiempo que mejora la calidad. Cuanto menos dinero se necesita para fabricar un producto, menos se puede vender, complaciendo tanto a los compradores como a los vendedores. Las tecnologías en secado solar incluyen colectores de aire transpirado bombeados de placas de ultra bajo costo basados en telas negras. La energía solar térmica es útil en el proceso de secado de productos como astillas de madera y otras formas de biomasa al elevar la temperatura y al mismo tiempo permitir el paso del aire y eliminar la humedad. [24]
Las cocinas solares utilizan la luz solar para cocinar, secar y pasteurizar . La cocina solar compensa los costos de combustible, reduce la demanda de combustible o leña y mejora la calidad del aire al reducir o eliminar una fuente de humo.
El tipo más simple de cocina solar es la cocina de caja construida por primera vez por Horace de Saussure en 1767. Una cocina de caja básica consiste en un recipiente aislado con una tapa transparente. Estas cocinas se pueden utilizar eficazmente con cielos parcialmente nublados y normalmente alcanzan temperaturas de 50 a 100 °C. [25] [26]
Las cocinas solares de concentración utilizan reflectores para concentrar la energía solar en un recipiente para cocinar. Las geometrías de reflector más comunes son de placa plana, de disco y de cilindro-parabólico. Estos diseños cocinan más rápido y a temperaturas más altas (hasta 350 °C), pero requieren luz directa para funcionar correctamente.
La Cocina Solar en Auroville , India , utiliza una tecnología de concentración única conocida como cuenco solar . A diferencia de los sistemas convencionales de reflector de seguimiento/receptor fijo, la taza solar utiliza un reflector esférico fijo con un receptor que sigue el foco de luz a medida que el Sol se mueve por el cielo. El receptor del recipiente solar alcanza una temperatura de 150 °C que se utiliza para producir vapor que ayuda a cocinar 2.000 comidas diarias. [27]
Muchas otras cocinas solares en la India utilizan otra tecnología de concentración única conocida como reflector Scheffler. Esta tecnología fue desarrollada por primera vez por Wolfgang Scheffler en 1986. Un reflector Scheffler es un plato parabólico que utiliza seguimiento de un solo eje para seguir el curso diario del Sol. Estos reflectores tienen una superficie reflectante flexible que puede cambiar su curvatura para adaptarse 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 que mejora la facilidad de cocción y son capaces de alcanzar temperaturas de 450-650 °C. [28] Construido en 1999 por Brahma Kumaris , el sistema reflector Scheffler más grande del mundo en Abu Road, Rajasthan India es capaz de cocinar hasta 35.000 comidas al día. [29] A principios de 2008 se habían construido en todo el mundo más de 2.000 grandes cocinas del diseño Scheffler.
Los destiladores solares se pueden utilizar para producir agua potable en zonas donde el agua limpia no es común. La destilación solar es necesaria en estas situaciones para proporcionar a las personas agua purificada. La energía solar calienta el agua del alambique. Luego, el agua se evapora y se condensa en el fondo del cubreobjetos. [24]
Cuando son suficientes temperaturas inferiores a unos 95 °C, como para la calefacción de espacios, generalmente se utilizan colectores de placa plana del tipo no concentrador. Debido a las pérdidas de calor relativamente altas a través del acristalamiento, los colectores de placa plana no alcanzarán temperaturas muy superiores a 200 °C incluso cuando el fluido de transferencia de calor esté estancado. Estas temperaturas son demasiado bajas para una conversión eficiente en electricidad.
La eficiencia de los motores térmicos aumenta con la temperatura de la fuente de calor. Para lograrlo, en las plantas de energía solar térmica, la radiación solar se concentra mediante espejos o lentes para obtener temperaturas más altas, una técnica llamada Energía Solar Concentrada (CSP). El efecto práctico de las altas eficiencias es reducir el tamaño del colector de la planta y el uso total de la tierra por unidad de energía generada, reduciendo los impactos ambientales de una planta de energía, así como sus gastos.
A medida que aumenta la temperatura, se vuelven prácticas diferentes formas de conversión. Hasta 600 °C, las turbinas de vapor , de tecnología estándar, tienen una eficiencia de hasta el 41%. Por encima de los 600 °C, las turbinas de gas pueden ser más eficientes. Las temperaturas más altas son problemáticas porque se necesitan diferentes materiales y técnicas. Una propuesta para temperaturas muy altas es utilizar sales de fluoruro líquidas que funcionen entre 700 °C y 800 °C, utilizando sistemas de turbinas de múltiples etapas para lograr eficiencias térmicas del 50 % o más. [30] Las temperaturas de funcionamiento más altas permiten que la planta utilice intercambiadores de calor secos de mayor temperatura para su escape térmico, reduciendo el uso de agua de la planta, algo crítico en los desiertos donde las grandes plantas solares son prácticas. Las altas temperaturas también hacen que el almacenamiento de calor sea más eficiente, porque se almacenan más vatios-hora por unidad de fluido.
Las plantas comerciales de energía termosolar por concentración (CSP) se desarrollaron por primera vez en la década de 1980. Las plantas de energía termosolar más grandes del mundo son ahora la instalación de energía solar Ivanpah de 370 MW , puesta en servicio en 2014, y la instalación SEGS CSP de 354 MW, ambas ubicadas en el desierto de Mojave de California, donde también se han realizado varios otros proyectos solares .
La principal ventaja de la CSP es la capacidad de agregar almacenamiento térmico de manera eficiente, lo que permite el despacho de electricidad durante un período de hasta 24 horas. Dado que la demanda máxima de electricidad suele producirse entre las 4 y las 8 p. m., [31] muchas plantas de energía CSP utilizan de 3 a 5 horas de almacenamiento térmico. Con la tecnología actual, el almacenamiento de calor es mucho más barato y eficiente que el almacenamiento de electricidad. De esta forma, la planta CSP puede producir electricidad día y noche. Si el emplazamiento de CSP tiene una radiación solar predecible, entonces la planta de CSP se convierte en una central eléctrica fiable. La confiabilidad se puede mejorar aún más instalando un sistema de combustión de respaldo. El sistema de respaldo puede utilizar la mayor parte de la planta CSP, lo que reduce el costo del sistema de respaldo.
Con confiabilidad, desierto no utilizado, ausencia de contaminación y costos de combustible, los obstáculos para un gran despliegue de CSP son el costo, la estética, el uso del suelo y factores similares para las necesarias líneas de conexión de alta tensión. Aunque sólo es necesario un pequeño porcentaje del desierto para satisfacer la demanda mundial de electricidad, todavía es necesario cubrir una gran superficie con espejos o lentes para obtener una cantidad significativa de energía. Una forma importante de reducir costos es el uso de un diseño simple.
Al considerar los impactos del uso de la tierra asociados con la exploración y extracción hasta el transporte y la conversión de combustibles fósiles , que se utilizan para la mayor parte de nuestra energía eléctrica, la energía solar a escala de servicios públicos se compara como uno de los recursos energéticos disponibles más eficientes en términos de tierra: [32 ]
El gobierno federal ha dedicado casi 2.000 veces más superficie a arrendamientos de petróleo y gas que al desarrollo solar. En 2010, la Oficina de Gestión de Tierras aprobó nueve proyectos solares a gran escala, con una capacidad de generación total de 3.682 megavatios, lo que representa aproximadamente 40.000 acres. Por el contrario, en 2010, la Oficina de Gestión de Tierras procesó más de 5.200 solicitudes de arrendamiento de gas y petróleo y emitió 1.308 arrendamientos, por un total de 3,2 millones de acres. Actualmente, 38,2 millones de acres de tierras públicas terrestres y 36,9 millones de acres adicionales de exploración costa afuera en el Golfo de México están arrendados para el desarrollo, la exploración y la producción de petróleo y gas. [32] [ verificación fallida ]
Durante el día el sol tiene diferentes posiciones. Para sistemas de baja concentración (y bajas temperaturas), el seguimiento puede evitarse (o limitarse a unas pocas posiciones por año) si se utilizan ópticas sin imágenes . [33] [34] Sin embargo, para concentraciones más altas, si los espejos o lentes no se mueven, entonces el enfoque de los espejos o lentes cambia. Se requiere un sistema de seguimiento que siga la posición del sol. El sistema de seguimiento aumenta el coste y la complejidad. Teniendo esto en cuenta, se pueden distinguir diferentes diseños en cómo concentran la luz y siguen la posición del sol.
Las centrales eléctricas de cilindros parabólicos utilizan un canal curvado con espejo que refleja la radiación solar directa sobre un tubo de vidrio que contiene un fluido (también llamado receptor, absorbente o colector) que recorre toda la longitud del canal, colocado en el punto focal de los reflectores. El canal es parabólico a lo largo de un eje y lineal en el eje ortogonal. Para cambiar la posición diaria del sol perpendicular al receptor, el canal se inclina de este a oeste para que la radiación directa permanezca enfocada en el receptor. Sin embargo, los cambios estacionales en el ángulo de la luz solar paralela al canal no requieren el ajuste de los espejos, ya que la luz simplemente se concentra en otra parte del receptor. Por tanto, el diseño del canal no requiere seguimiento en un segundo eje. El receptor puede estar encerrado en una cámara de vacío de vidrio. El vacío reduce significativamente la pérdida de calor por convección.
Un fluido (también llamado fluido caloportador) pasa a través del receptor y se calienta mucho. Los fluidos comunes son aceite sintético, sal fundida y vapor presurizado. El fluido que contiene el calor se transporta a un motor térmico donde aproximadamente un tercio del calor se convierte en electricidad.
Los sistemas cilindroparabólicos a gran escala constan de muchos colectores dispuestos en paralelo sobre una gran superficie de terreno. Desde 1985 se encuentra en pleno funcionamiento en California , Estados Unidos, una instalación solar térmica que utiliza este principio . Se llama sistema de Sistemas Generadores de Energía Solar (SEGS). [35] Otros diseños de CSP carecen de este tipo de experiencia larga y, por lo tanto, actualmente se puede decir que el diseño cilindroparabólico es la tecnología CSP más probada.
La SEGS es un conjunto de nueve plantas con una capacidad total de 354 MW y es desde hace muchos años la mayor planta de energía solar, tanto térmica como no térmica, del mundo. Una planta más nueva es la planta Nevada Solar One con una capacidad de 64 MW. Las centrales solares Andasol de 150 MW se encuentran en España y cada sitio tiene una capacidad de 50 MW. Sin embargo, tenga en cuenta que esas plantas tienen almacenamiento de calor, lo que requiere un campo más grande de colectores solares en relación con el tamaño de la turbina-generador de vapor para almacenar calor y enviar calor a la turbina de vapor al mismo tiempo. El almacenamiento de calor permite un mejor aprovechamiento de la turbina de vapor. Con el funcionamiento diurno y nocturno, la turbina de vapor Andasol 1 con una capacidad máxima de 50 MW produce más energía que Nevada Solar One con una capacidad máxima de 64 MW, debido al sistema de almacenamiento de energía térmica de la antigua planta y al campo solar más grande. La estación generadora Solana de 280 MW entró en funcionamiento en Arizona en 2013 con 6 horas de almacenamiento de energía. La central solar integrada de ciclo combinado Hassi R'Mel en Argelia y el centro de energía solar Martin Next Generation utilizan cilindros parabólicos en un ciclo combinado con gas natural.
La arquitectura de canal cerrado encapsula el sistema solar térmico dentro de un invernadero similar a un invernadero. El invernadero crea un entorno protegido para resistir los elementos que pueden afectar negativamente la confiabilidad y eficiencia del sistema solar térmico. [36]
Dentro de la estructura del invernadero se encuentran suspendidos espejos ligeros y curvos que reflejan el sol. Un sistema de seguimiento de un solo eje posiciona los espejos para seguir el sol y enfocar su luz en una red de tubos de acero estacionarios, también suspendidos de la estructura del invernadero. [37] El vapor se genera directamente, utilizando agua con calidad de yacimiento petrolífero, a medida que el agua fluye desde la entrada a lo largo de las tuberías, sin intercambiadores de calor ni fluidos de trabajo intermedios.
Luego, el vapor producido se alimenta directamente a la red de distribución de vapor existente en el campo, donde el vapor se inyecta continuamente en lo profundo del yacimiento de petróleo. Proteger los espejos del viento les permite alcanzar índices de temperatura más altos y evita que se acumule polvo como resultado de la exposición a la humedad. [36] GlassPoint Solar , la empresa que creó el diseño Enclosed Trough, afirma que su tecnología puede producir calor para EOR por alrededor de 5 dólares por millón de unidades térmicas británicas en regiones soleadas, en comparación con entre 10 y 12 dólares para otras tecnologías solares térmicas convencionales. [38]
El sistema de canal cerrado de GlassPoint se ha utilizado en las instalaciones de Miraah en Omán , y recientemente se ha anunciado un nuevo proyecto para que la compañía lleve su tecnología de canal cerrado al campo petrolífero de South Belridge , cerca de Bakersfield, California . [39]
Las torres de energía (también conocidas como plantas de energía de 'torre central' o plantas de energía de ' helióstatos ') capturan y enfocan la energía térmica del sol con miles de espejos de seguimiento (llamados helióstatos) en aproximadamente un campo de dos millas cuadradas. Una torre se encuentra en el centro del campo de helióstatos. Los helióstatos concentran la luz solar en un receptor situado en la parte superior de la torre. Dentro del receptor, la luz solar concentrada calienta la sal fundida a más de 538 °C (1000 °F). La sal fundida calentada luego fluye hacia un tanque de almacenamiento térmico donde se almacena, mantiene una eficiencia térmica del 98% y, finalmente, se bombea a un generador de vapor. El vapor impulsa una turbina estándar para generar electricidad. Este proceso, también conocido como " ciclo Rankine ", es similar a una central eléctrica de carbón estándar, excepto que funciona con energía solar.
La ventaja de este diseño sobre el diseño cilindroparabólico es la temperatura más alta. La energía térmica a temperaturas más altas se puede convertir en electricidad de manera más eficiente y se puede almacenar de manera más económica para su uso posterior. Además, hay menos necesidad de aplanar la superficie del suelo. En principio, se puede construir una torre de energía en la ladera de una colina. Los espejos pueden ser planos y las tuberías se concentran en la torre. La desventaja es que cada espejo debe tener su propio control de doble eje, mientras que en el diseño cilindroparabólico el seguimiento de un solo eje se puede compartir para una gran variedad de espejos.
El NREL hizo una comparación coste/rendimiento entre los concentradores de torre y los concentradores cilindroparabólicos y estimó que para 2020 se podría producir electricidad a partir de torres de energía a 5,47 ¢/kWh y a 6,21 ¢/kWh a partir de concentradores cilindroparabólicos. El factor de capacidad para las torres de energía se estimó en 72,9% y en 56,2% para los cilindroparabólicos. [40] Existe cierta esperanza de que el desarrollo de componentes de centrales eléctricas de helióstatos baratos, duraderos y de producción masiva pueda reducir este costo. [41]
La primera central eléctrica de torre comercial fue la PS10 en España con una capacidad de 11 MW, terminada en 2007. Desde entonces se han propuesto varias plantas, varias de las cuales se han construido en varios países (España, Alemania, EE. UU., Turquía, China). , India), pero varias plantas propuestas fueron canceladas debido a que los precios de la energía solar fotovoltaica se desplomaron. Una torre de energía solar entró en funcionamiento en Sudáfrica en 2016. [42] La instalación de energía solar Ivanpah en California genera 392 MW de electricidad a partir de tres torres, lo que la convierte en la planta de torre de energía solar más grande cuando entró en funcionamiento a finales de 2013.
Un sistema de antena parabólica Stirling utiliza una antena parabólica reflectante grande (de forma similar a una antena parabólica de televisión por satélite). Enfoca toda la luz solar que incide sobre el plato en un solo punto encima del plato, donde un receptor captura el calor y lo transforma en una forma útil. Normalmente, el plato se acopla con un motor Stirling en un sistema Dish-Stirling, pero a veces también se utiliza un motor de vapor . [43] Estos crean energía cinética rotacional que se puede convertir en electricidad utilizando un generador eléctrico. [44]
En 2005, Southern California Edison anunció un acuerdo para comprar motores Stirling con energía solar de Stirling Energy Systems durante un período de veinte años y en cantidades (20.000 unidades) suficientes para generar 500 megavatios de electricidad. En enero de 2010, Stirling Energy Systems y Tessera Solar pusieron en marcha la primera planta de energía de demostración de 1,5 megavatios ("Maricopa Solar") que utiliza tecnología Stirling en Peoria, Arizona. [45] A principios de 2011, el brazo de desarrollo de Stirling Energy, Tessera Solar, vendió sus dos grandes proyectos, el proyecto Imperial de 709 MW y el proyecto Calico de 850 MW a AES Solar y K.Road, respectivamente. [46] [47] En 2012, la planta de Maricopa fue comprada y desmantelada por United Sun Systems . [48] United Sun Systems lanzó un sistema de nueva generación , basado en un motor Stirling en forma de V y una producción máxima de 33 kW. La nueva tecnología CSP-Stirling reduce el LCOE a 0,02 dólares en escala de servicios públicos. [ cita necesaria ]
Según su desarrollador, Rispasso Energy, una empresa sueca, en 2015 el sistema Dish Sterling que se estaba probando en el desierto de Kalahari en Sudáfrica mostró una eficiencia del 34%. [49]
Una planta de energía con reflector lineal Fresnel utiliza una serie de espejos largos, estrechos y de curvatura poco profunda (o incluso planos) para enfocar la luz en uno o más receptores lineales colocados sobre los espejos. En la parte superior del receptor se puede colocar un pequeño espejo parabólico para enfocar aún más la luz. Estos sistemas tienen como objetivo ofrecer costos generales más bajos al compartir un receptor entre varios espejos (en comparación con los conceptos de cubeta y plato), al tiempo que siguen utilizando la geometría simple de enfoque lineal con un eje para el seguimiento. Esto es similar al diseño del canal (y diferente de las torres centrales y los platos con doble eje). El receptor es estacionario y por lo tanto no se requieren acoplamientos hidráulicos (como en los comederos y platos). Los espejos tampoco necesitan soportar el receptor, por lo que son estructuralmente más simples. Cuando se utilizan estrategias de orientación adecuadas (espejos dirigidos a diferentes receptores en diferentes momentos del día), esto puede permitir una concentración más densa de espejos en el área terrestre disponible.
Las tecnologías de seguimiento de un solo eje rivales incluyen las tecnologías relativamente nuevas de reflector lineal de Fresnel (LFR) y LFR compacto (CLFR). El LFR se diferencia del sistema cilindro-parabólico en que el absorbente está fijado en el espacio por encima del campo de espejos. Además, el reflector se compone de muchos segmentos de fila baja, que se enfocan colectivamente en una torre receptora larga elevada que corre paralela al eje de rotación del reflector. [50]
International Automated Systems ha producido prototipos de concentradores de lentes Fresnel para la recogida de energía térmica . [51] No se sabe que esté en funcionamiento ningún sistema térmico a gran escala que utilice lentes Fresnel, aunque ya se encuentran disponibles productos que incorporan lentes Fresnel junto con células fotovoltaicas. [52]
MicroCSP se utiliza para plantas de energía de tamaño comunitario (de 1 MW a 50 MW), para aplicaciones de "calor de proceso" industriales, agrícolas y de fabricación, y cuando se necesitan grandes cantidades de agua caliente, como piscinas de complejos turísticos, parques acuáticos y lavanderías grandes. instalaciones, esterilización, destilación y otros usos similares.
El calor en un sistema solar térmico se rige por cinco principios básicos: ganancia de calor; transferencia de calor ; almacenamiento de calor ; transporte de calor ; y aislamiento térmico . [53] Aquí, el calor es la medida de la cantidad de energía térmica que contiene un objeto y está determinado por la temperatura, la masa y el calor específico del objeto. Las plantas de energía solar térmica utilizan intercambiadores de calor diseñados para condiciones de trabajo constantes, para proporcionar intercambio de calor. Los intercambiadores de calor de cobre son importantes en los sistemas solares térmicos de calefacción y refrigeración debido a la alta conductividad térmica del cobre, su resistencia a la corrosión atmosférica y del agua, su sellado y unión mediante soldadura y su resistencia mecánica. El cobre se utiliza tanto en receptores como en circuitos primarios (tuberías e intercambiadores de calor para depósitos de agua) de sistemas solares térmicos de agua. [54]
La ganancia de calor es el calor acumulado del sol en el sistema. El calor solar térmico queda atrapado mediante el efecto invernadero ; El efecto invernadero en este caso es la capacidad de una superficie reflectante para transmitir radiación de onda corta y reflejar radiación de onda larga. El calor y la radiación infrarroja (IR) se producen cuando la luz de radiación de onda corta incide en la placa absorbente, que luego queda atrapada dentro del colector. El fluido, generalmente agua, en los tubos absorbentes recoge el calor atrapado y lo transfiere a una bóveda de almacenamiento de calor.
El calor se transfiere por conducción o convección. Cuando se calienta agua, la energía cinética se transfiere por conducción a las moléculas de agua en todo el medio. Estas moléculas difunden su energía térmica por conducción y ocupan más espacio que las moléculas frías que se mueven lentamente sobre ellas. La distribución de energía desde el agua caliente que sube hasta el agua fría que baja contribuye al proceso de convección. El calor se transfiere desde las placas absorbentes del colector al fluido por conducción. El fluido colector circula a través de los tubos portadores hasta la bóveda de transferencia de calor. Dentro de la bóveda, el calor se transfiere a todo el medio mediante convección.
El almacenamiento de calor permite a las plantas solares térmicas producir electricidad durante las horas sin luz solar. El calor se transfiere a un medio de almacenamiento térmico en un depósito aislado durante las horas con luz solar y se retira para generar energía durante las horas sin luz solar. Los medios de almacenamiento térmico se analizarán en una sección de almacenamiento de calor. La tasa de transferencia de calor está relacionada con el medio conductor y de convección, así como con las diferencias de temperatura. Los cuerpos con grandes diferencias de temperatura transfieren calor más rápidamente que los cuerpos con diferencias de temperatura más bajas.
El transporte de calor se refiere a la actividad en la que el calor de un colector solar se transporta a la bóveda de almacenamiento de calor. El aislamiento térmico es vital tanto en los tubos de transporte de calor como en la bóveda de almacenamiento. Previene la pérdida de calor, que a su vez se relaciona con la pérdida de energía o la disminución de la eficiencia del sistema.
El almacenamiento de calor permite que una planta termosolar produzca electricidad por la noche y en días nublados. Esto permite el uso de energía solar para la generación de carga base , así como para la generación de energía máxima , con el potencial de desplazar a las plantas de energía alimentadas con carbón y gas natural. Además, la utilización del generador es mayor, lo que reduce el costo. Incluso el almacenamiento a corto plazo puede ayudar a suavizar la " curva de pato " del cambio rápido en los requisitos de generación al atardecer, cuando una red incluye grandes cantidades de capacidad solar.
El calor se transfiere a un medio de almacenamiento térmico en un depósito aislado durante el día y se retira para generar energía durante la noche. Los medios de almacenamiento térmico incluyen vapor presurizado, hormigón, una variedad de materiales de cambio de fase y sales fundidas como nitrato de calcio, sodio y potasio. [55] [56]
La torre de energía solar PS10 almacena calor en depósitos en forma de vapor presurizado a 50 bar y 285 °C. El vapor se condensa y vuelve a convertirse en vapor cuando se reduce la presión. El almacenamiento es por una hora. Se sugiere que es posible un almacenamiento más prolongado, pero esto no se ha demostrado en ninguna central eléctrica existente. [57]
La sal fundida se utiliza para transportar calor en sistemas de torres de energía solar porque es líquida a presión atmosférica, proporciona un medio de bajo costo para almacenar energía térmica, sus temperaturas de funcionamiento son compatibles con las turbinas de vapor actuales y no es inflamable ni tóxica. La sal fundida también se utiliza en las industrias química y metalúrgica para transportar calor.
La primera mezcla comercial de sales fundidas fue una forma común de salitre , 60% de nitrato de sodio y 40% de nitrato de potasio . El salitre se derrite a 220 °C (430 °F) y se mantiene líquido a 290 °C (550 °F) en un tanque de almacenamiento aislado. El nitrato de calcio puede reducir el punto de fusión a 131 °C, lo que permite extraer más energía antes de que la sal se congele. Actualmente existen varios grados técnicos de nitrato de calcio estables a más de 500 °C.
Este sistema de energía solar puede generar energía en tiempo nublado o de noche utilizando el calor del tanque de sal caliente. Los tanques están aislados y pueden almacenar calor durante una semana. Los tanques que alimentan una turbina de 100 megavatios durante cuatro horas tendrían unos 9 m (30 pies) de altura y 24 m (80 pies) de diámetro.
La central eléctrica de Andasol en España es la primera central termosolar comercial que utiliza sales fundidas para almacenamiento de calor y generación nocturna. Entró en funcionamiento en marzo de 2009. [59] El 4 de julio de 2011, una empresa en España celebró un momento histórico para la industria solar: la planta de energía solar de concentración de 19,9 MW de Torresol se convirtió en la primera en generar electricidad ininterrumpida durante 24 horas seguidas, utilizando un almacenamiento de calor de sales fundidas. [60]
En enero de 2019, el proyecto de central fototérmica de energía solar con torre de sales fundidas de 100 MW de Shouhang Energy Saving Dunhuang se conectó a la red y comenzó a funcionar. Su configuración incluye un sistema de almacenamiento de calor en sales fundidas durante 11 horas y puede generar energía de forma consecutiva durante 24 horas. [61]
Los materiales de cambio de fase (PCM) ofrecen una solución alternativa en el almacenamiento de energía. [62] Utilizando una infraestructura de transferencia de calor similar, los PCM tienen el potencial de proporcionar un medio de almacenamiento más eficiente. Los PCM pueden ser materiales orgánicos o inorgánicos. Las ventajas de los PCM orgánicos incluyen la ausencia de corrosivos, un subenfriamiento bajo o nulo y estabilidad química y térmica. Las desventajas incluyen baja entalpía de cambio de fase, baja conductividad térmica e inflamabilidad. Los inorgánicos tienen ventajas con una mayor entalpía de cambio de fase, pero presentan desventajas como subenfriamiento, corrosión, separación de fases y falta de estabilidad térmica. La mayor entalpía de cambio de fase en los PCM inorgánicos convierte a las sales de hidrato en un fuerte candidato en el campo del almacenamiento de energía solar. [63]
Un diseño que requiera agua para condensación o refrigeración puede entrar en conflicto con la ubicación de plantas solares térmicas en zonas desérticas con buena radiación solar pero recursos hídricos limitados. El conflicto se ilustra con los planes de la empresa alemana Solar Millennium de construir una planta en el valle de Amargosa , en Nevada, que requeriría el 20% del agua disponible en la zona. Algunas otras plantas proyectadas por la misma y otras empresas en el desierto de Mojave de California también pueden verse afectadas por la dificultad para obtener derechos de agua adecuados y apropiados. La ley de aguas de California actualmente prohíbe el uso de agua potable para refrigeración. [64]
Otros diseños requieren menos agua. La instalación de energía solar Ivanpah, en el sureste de California, conserva la escasa agua del desierto mediante el uso de refrigeración por aire para convertir el vapor nuevamente en agua. En comparación con el enfriamiento húmedo convencional, esto da como resultado una reducción del 90 % en el uso de agua a costa de cierta pérdida de eficiencia. Luego, el agua regresa a la caldera en un proceso cerrado y respetuoso con el medio ambiente. [sesenta y cinco]
De todas estas tecnologías, el plato solar/motor Stirling tiene la mayor eficiencia energética . Un solo plato solar: motor Stirling instalado en la Instalación Nacional de Pruebas Térmicas Solares (NSTTF) de Sandia National Laboratories produce hasta 25 kW de electricidad, con una eficiencia de conversión del 31,25%. [66]
Se han construido plantas solares cilindro-parabólicas con eficiencias de alrededor del 20%. [ cita necesaria ] Los reflectores Fresnel tienen una eficiencia ligeramente menor (pero esto se compensa con un empaque más denso).
Las eficiencias de conversión brutas (teniendo en cuenta que los platos o comederos solares ocupan sólo una fracción del área total de la planta de energía) están determinadas por la capacidad de generación neta sobre la energía solar que cae sobre el área total de la planta solar. La planta SCE/SES de 500 megavatios (MW) extraería aproximadamente el 2,75 % de la radiación (1 kW/m²; consulte Energía solar para una discusión) que cae sobre sus 4.500 acres (18,2 km²). [67] Para la central eléctrica AndaSol de 50 MW [68] que se está construyendo en España (área total de 1.300 × 1.500 m = 1,95 km²), la eficiencia de conversión bruta es del 2,6%.
La eficiencia no se relaciona directamente con el costo: el costo total incluye el costo de construcción y mantenimiento.
El 34% de la energía del sol que llega a los espejos se convierte directamente en energía eléctrica disponible en la red.
