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 baja, media o alta temperatura. Los colectores de baja temperatura generalmente no están vidriados y se utilizan para calentar piscinas o para calentar el aire de ventilación. Los colectores de temperatura media 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, por lo general, se utilizan para satisfacer los requisitos de calor de hasta 300 °C (600 °F) / 20 bar (300 psi) de presión en las industrias y para la producción de energía eléctrica. Dos categorías incluyen la energía solar térmica concentrada (CST) para satisfacer los requisitos de calor en las industrias y la energía solar concentrada (CSP) cuando el calor recolectado se utiliza para la generación de energía eléctrica. La CST y la CSP no son reemplazables en términos de aplicación.
A diferencia de las células fotovoltaicas , que convierten la luz solar directamente en electricidad, los sistemas solares térmicos la convierten en calor. Utilizan espejos o lentes para concentrar la luz solar en un receptor, que a su vez calienta un depósito de agua. El agua calentada puede utilizarse en los hogares. La ventaja de la energía solar térmica es que el agua calentada puede almacenarse hasta que se necesite, lo que elimina la necesidad de un sistema de almacenamiento de energía independiente. [1] La energía solar térmica también puede convertirse en electricidad utilizando el vapor generado a partir del agua calentada para impulsar una turbina conectada a un generador. Sin embargo, como generar electricidad de esta manera es mucho más caro que las plantas de energía fotovoltaica, hoy en día hay muy pocas en uso. [2]
Augustin Mouchot demostró un colector solar con un 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 los consideró más convenientes, el proyecto del Sahara se abandonó, solo para ser revisado varias décadas después. [3] A partir de 2023, la planta de energía solar térmica más grande del mundo se encuentra en los Emiratos Árabes Unidos . [4]
Los sistemas para aprovechar la energía solar térmica de baja temperatura incluyen medios para la recolección de calor; normalmente, el almacenamiento de calor, ya sea a corto plazo o entre estaciones; y la distribución dentro de una estructura o una 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). [5]
La calefacción es la aplicación más obvia, pero la refrigeración solar se puede lograr para un edificio o para la refrigeración urbana mediante el uso de un enfriador de absorción o adsorción impulsado por calor (bomba de calor). Existe una coincidencia productiva: cuanto mayor sea el calor generado por la insolación, mayor será la producción de refrigeración. En 1878, Auguste Mouchout fue pionero en la refrigeración solar al fabricar hielo utilizando un motor de vapor solar conectado a un dispositivo de refrigeración. [6]
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 ciudades del norte) y casi la mitad (10,1 EJ) de la energía utilizada en edificios residenciales. [7] [8] 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 de recolección de aire solar transpirado integrado en el edificio que se conecta al equipo HVAC del edificio. Según la Asociación de Industrias de Energía Solar, más de 500.000 m2 ( 5.000.000 de pies cuadrados) de estos paneles estaban en funcionamiento en América del Norte en 2015.
En Europa, desde mediados de los años 90 se han construido alrededor de 125 grandes plantas de calefacción solar térmica de distrito, cada una con más de 500 m2 ( 5400 ft2 ) de colectores solares. Las más grandes tienen unos 10.000 m2 ( 2½ acres), con capacidades de 7 MW térmicos y el calor solar cuesta alrededor de 4 céntimos de euro/kWh sin subsidios. [9] 40 de ellas tienen capacidades nominales de 1 MW térmico o más. El programa de Calefacción Solar de Distrito (SDH) cuenta con la participación de 14 naciones europeas y la Comisión Europea, y está trabajando en pos del desarrollo técnico y de mercado, y celebra conferencias anuales. [10]
Los colectores solares vidriados están diseñados principalmente para la calefacción de espacios. Recirculan el aire del edificio a través de un panel solar de aire donde el aire se calienta y luego se dirige de nuevo hacia el interior del edificio. Estos sistemas de calefacción solar de espacios requieren al menos dos penetraciones en el edificio y solo funcionan cuando el aire en el colector solar es más cálido que la temperatura ambiente del edificio. La mayoría de los colectores vidriados 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 de los edificios o secciones de paredes en colectores solares sin vidriar de bajo costo y alto rendimiento. También llamados "paneles solares transpirados" o " pared solar ", utilizan un absorbedor de calor solar de metal perforado pintado que también sirve como superficie de la pared exterior del edificio. La transferencia de calor al aire tiene lugar en la superficie del absorbedor, a través del absorbedor de metal y detrás del absorbedor. La capa límite de aire calentado por el sol es atraída hacia una perforación cercana antes de que el calor pueda escapar por convección al aire exterior. Luego, el aire calentado es atraído desde detrás de la placa absorbente hacia el sistema de ventilación del edificio.
Un muro Trombe es un sistema pasivo de calefacción y ventilación solar que consiste en un canal de aire intercalado entre una ventana y una masa térmica orientada hacia el sol. Durante el ciclo de ventilación, la luz solar almacena calor en la masa térmica y calienta el canal de aire, lo que provoca la circulación a través de respiraderos en la parte superior e inferior del muro. Durante el ciclo de calentamiento, el muro Trombe irradia el calor almacenado. [11]
Los estanques solares en los tejados para calefacción y refrigeración fueron desarrollados por Harold Hay en la década de 1960. Un sistema básico consiste en una vejiga de agua montada en el tejado con una cubierta aislante móvil. Este sistema puede controlar el intercambio de calor entre los ambientes interior y exterior cubriendo y descubriendo la vejiga entre la noche y el día. Cuando la calefacción es un problema, 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 la refrigeración es un problema, la vejiga cubierta absorbe calor del interior del edificio durante el día y se descubre por la noche para irradiar calor a la atmósfera más fría. La casa Skytherm en Atascadero, California, utiliza un prototipo de estanque en el tejado para calefacción y refrigeración. [12]
La calefacción solar de espacios con colectores solares de aire es más popular en los 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 los vidriados y los no vidriados.
De los 21.000.000 de pies cuadrados (2.000.000 m2 ) de colectores solares térmicos producidos en los Estados Unidos en 2007, 16.000.000 de pies cuadrados (1.500.000 m2 ) eran de baja temperatura. [13] Los colectores de baja temperatura se instalan generalmente para calentar piscinas, aunque también se pueden utilizar para calentar espacios. Los colectores pueden utilizar aire o agua como medio para transferir el calor a su destino. La energía gratuita del sol también se puede utilizar para calentar agua para satisfacer las demandas de agua caliente doméstica, como el agua caliente que sale de los grifos. Los sistemas de calentamiento solar de agua pueden proporcionar aproximadamente el 50% de la demanda anual de agua caliente de una propiedad (dependiendo del tamaño de la propiedad, su ubicación, etc.), lo que a su vez puede ayudar a los propietarios a ahorrar en sus facturas de energía. [14]
Una colección de tecnologías maduras llamadas almacenamiento de energía térmica estacional (STES, por sus siglas en inglés) es capaz de almacenar calor durante meses, por lo que el calor solar recolectado principalmente en verano se puede utilizar para calefacción durante todo el año. La tecnología STES suministrada con energía solar ha avanzado principalmente en Dinamarca, [15] Alemania, [16] y Canadá, [17] y las aplicaciones incluyen edificios individuales y redes de calefacción urbana. La comunidad solar Drake Landing en Alberta, Canadá, tiene un pequeño sistema de distrito y en 2012 logró un récord mundial al proporcionar el 97% de las necesidades de calefacción de espacios de la comunidad durante todo el año a partir del sol. [18] 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 que se llenan de grava y se aíslan en la parte superior; y tanques de agua superficiales grandes, aislados y enterrados.
La calefacción centralizada las 24 horas del día también es posible con una planta de almacenamiento de energía solar térmica concentrada (CST). [19]
Almacenamiento interestacional. El calor solar (o el calor de otras fuentes) se puede almacenar eficazmente entre estaciones opuestas en acuíferos , estratos geológicos subterráneos, grandes fosas especialmente construidas y grandes tanques que están aislados y cubiertos con tierra.
Almacenamiento a corto plazo. Los materiales de masa térmica almacenan energía solar durante el día y la liberan durante los períodos más fríos. Los materiales de masa térmica más comunes incluyen piedra, hormigón y agua. La proporción y la ubicación de la masa térmica deben tener en cuenta varios factores, como el clima, la luz natural y las condiciones de sombra. Cuando se incorpora correctamente, la masa térmica puede mantener pasivamente temperaturas agradables y, al mismo tiempo, reducir el consumo de energía.
En 2011, en todo el mundo había unos 750 sistemas de refrigeración con bombas de calor alimentadas por energía solar, y el crecimiento anual del mercado fue de entre el 40 y el 70% con respecto a los siete años anteriores. Se trata de un nicho de mercado porque la economía es complicada y el número anual de horas de refrigeración es un factor limitante. Respectivamente, las horas de refrigeración anuales son aproximadamente 1000 en el Mediterráneo, 2500 en el sudeste asiático y solo entre 50 y 200 en Europa central. Sin embargo, los costos de construcción de los sistemas cayeron alrededor del 50% entre 2007 y 2011. Los grupos de trabajo del programa de calefacción y refrigeración solar (IEA-SHC) de la Agencia Internacional de la Energía (AIE) están trabajando en el desarrollo adicional de las tecnologías involucradas. [20]
Una chimenea solar (o chimenea térmica) es un sistema pasivo de ventilación solar 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, lo que provoca una corriente ascendente que hace circular el aire por el edificio. Estos sistemas se utilizan desde la época romana y siguen siendo habituales en Oriente Medio.
Los sistemas de calentamiento solar de procesos están diseñados para proporcionar grandes cantidades de agua caliente o calefacción de espacios para edificios no residenciales. [21]
Los estanques de evaporación son estanques poco profundos que concentran sólidos disueltos a través de 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 corrientes de desechos. En conjunto, los estanques de evaporación representan una de las mayores aplicaciones comerciales de la energía solar en uso en la actualidad. [22]
Los colectores transpirados sin vidriar 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 (72 °F) y proporcionar temperaturas de salida de 45-60 °C (110° a 140 °F). El corto período de recuperación de la inversión de los colectores transpirados (de 3 a 12 años) los convierte en una alternativa más rentable a los sistemas de recolección vidriados. En 2015, se habían instalado más de 4000 sistemas con un área de recolección combinada de 500 000 m2 (100 acres) en todo el mundo. Entre los ejemplos más representativos se incluyen un colector de 860 m2 ( 9300 pies cuadrados) en Costa Rica utilizado para secar granos de café y un colector de 1300 m2 ( 14 000 pies cuadrados) en Coimbatore, India, utilizado para secar caléndulas. [23] [24]
Una planta de procesamiento de alimentos en Modesto, California, utiliza colectores parabólicos para producir vapor que se utiliza en el proceso de fabricación. Se espera que el área de recolección de 5000 m2 proporcione 15 TJ por año. [25]
Estos colectores podrían utilizarse para producir aproximadamente el 50% o más del agua caliente necesaria para uso residencial y comercial en los Estados Unidos. [26] En los Estados Unidos, un sistema típico cuesta entre 4000 y 6000 dólares al por menor (entre 1400 y 2200 dólares al por mayor por los materiales) y el 30% del sistema califica para un crédito fiscal federal; además, existe un crédito estatal adicional en aproximadamente la mitad de los estados. La mano de obra para un sistema de circuito abierto simple en climas del sur puede llevar de 3 a 5 horas para la instalación y de 4 a 6 horas en áreas del norte. El sistema del norte requiere más área de colectores y plomería más compleja para proteger el colector de la congelación. Con este incentivo, el tiempo de recuperación de la inversión para un hogar típico es de cuatro a nueve años, según el estado. Existen subsidios similares en algunas partes de Europa. Un equipo de un plomero solar y dos asistentes con una capacitación mínima puede instalar un sistema por día. La instalación de termosifón tiene costos de mantenimiento insignificantes (los costos aumentan si se utiliza anticongelante y energía de la red para la circulación) y en los EE. UU. reduce los costos operativos de un hogar en $6 por persona por mes. El calentamiento solar de agua puede reducir las emisiones de CO2 de una familia de cuatro en 1 tonelada/año (si reemplaza el gas natural) o 3 toneladas/año (si reemplaza la electricidad). [27] Las instalaciones de temperatura media pueden utilizar cualquiera de varios diseños: los diseños más comunes son glicol presurizado, drenaje hacia atrás, sistemas de lotes y sistemas más nuevos de baja presión tolerantes a la congelación que utilizan tuberías de polímero que contienen agua con bombeo fotovoltaico. Se están revisando las normas europeas e internacionales para dar cabida a innovaciones en el diseño y funcionamiento de colectores de temperatura media. Las innovaciones operativas incluyen la operación de "colector permanentemente mojado". Esta innovación reduce o incluso elimina la aparición de tensiones de alta temperatura sin flujo llamadas estancamiento que de otro modo reducirían la expectativa 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 la combustión. La energía solar también se utiliza para productos alimenticios como frutas, granos 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, lo que satisface tanto a los compradores como a los vendedores. Las tecnologías de secado solar incluyen colectores de aire de placa transpirada bombeados de costo ultra bajo 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 al tiempo que permite que el aire pase a través de ella y elimine la humedad. [28]
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 usar de manera efectiva con cielos parcialmente nublados y normalmente alcanzan temperaturas de 50 a 100 °C (100 a 200 °F). [29] [30]
Las cocinas solares de concentración utilizan reflectores para concentrar la energía solar en un recipiente para cocinar. Las geometrías de reflector más comunes son las de placa plana, disco y canal parabólico. Estos diseños cocinan más rápido y a temperaturas más altas (hasta 350 °C; 660 °F), pero requieren luz directa para funcionar correctamente.
La cocina solar de Auroville , India, utiliza una tecnología de concentración única conocida como cuenco solar . A diferencia de los sistemas convencionales de reflector de seguimiento/receptor fijo, el cuenco 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 cuenco solar alcanza una temperatura de 150 °C (300 °F) que se utiliza para producir vapor que ayuda a cocinar 2000 comidas diarias. [31]
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 un 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 cocinar y pueden alcanzar temperaturas de 450-650 °C (850 °F a 1200 °F). [32] Construido en 1999 por Brahma Kumaris , el sistema de reflector Scheffler más grande del mundo en Abu Road, Rajastán, India, es capaz de cocinar hasta 35.000 comidas al día. [33] A principios de 2008, se habían construido más de 2000 cocinas grandes del diseño de Scheffler en todo el mundo.
Los alambiques solares se pueden utilizar para producir agua potable en zonas donde no es habitual encontrar agua limpia. La destilación solar es necesaria en estas situaciones para proporcionar agua purificada a la población. La energía solar calienta el agua en el alambique. Luego, el agua se evapora y se condensa en el fondo del vidrio que la cubre. [28]
El Dr. Lin Zhao del MIT publicó una revista académica revisada por pares en Joule que detalla su diseño de un autoclave solar para la esterilización de instrumentos quirúrgicos sin electricidad. [34]
Un prototipo que incorpora un aerogel económico se demostró con éxito en un hospital de Mumbai en colaboración con el IIT Bombay , el Instituto Indio de Tecnología . [35]
Cuando las temperaturas inferiores a 95 °C (200 °F) son suficientes, como en el caso de la calefacción de espacios, se suelen utilizar 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 alcanzan temperaturas muy superiores a 200 °C (400 °F) incluso cuando el fluido de transferencia de calor está estancado. Esas 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 tierra por unidad de energía generada, lo que reduce los impactos ambientales de una planta de energía, así como sus costos.
A medida que aumenta la temperatura, se vuelven prácticas diferentes formas de conversión. Hasta 600 °C (1100 °F), las turbinas de vapor , tecnología estándar, tienen una eficiencia de hasta el 41%. Por encima de 600 °C (1100 °F), 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 operan entre 700 °C (1300 °F) y 800 °C (1500 °F), utilizando sistemas de turbinas de múltiples etapas para lograr eficiencias térmicas del 50% o más. [36] Las temperaturas de operación más altas permiten que la planta use intercambiadores de calor seco de mayor temperatura para su escape térmico, lo que reduce el uso de agua de la planta, 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 de energía solar térmica de concentración (CSP) comerciales se desarrollaron por primera vez en la década de 1980. Las plantas de energía solar térmica más grandes del mundo ahora son la instalación de energía solar Ivanpah de 370 MW, puesta en funcionamiento en 2014, y la instalación CSP SEGS 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 añadir 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 de la tarde, [37] 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 manera, la planta CSP puede producir electricidad día y noche. Si el sitio de CSP tiene una radiación solar predecible, entonces la planta CSP se convierte en una planta de energía confiable. 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 fiabilidad, desierto sin uso, sin contaminación y sin costes de combustible, los obstáculos para una gran implantación de la CSP son el coste, la estética, el uso del terreno y factores similares para las líneas de alta tensión de conexión necesarias. Aunque sólo se necesita 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 los costes es el uso de un diseño sencillo.
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 más eficientes en términos de uso de la tierra disponibles: [38]
El gobierno federal ha dedicado casi 2.000 veces más superficie a concesiones de petróleo y gas que al desarrollo solar. En 2010, la Oficina de Administración 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. En contraste, en 2010, la Oficina de Administración de Tierras procesó más de 5.200 solicitudes de concesiones de gas y petróleo, y emitió 1.308 concesiones, 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 marina en el Golfo de México están bajo arrendamiento para el desarrollo, exploración y producción de petróleo y gas. [38] [ verificación fallida ]
Durante el día, el sol tiene diferentes posiciones. Para sistemas de baja concentración (y bajas temperaturas), se puede evitar el seguimiento (o limitarlo a unas pocas posiciones por año) si se utilizan ópticas sin formación de imágenes . [39] [40] Sin embargo, para concentraciones más altas, si los espejos o lentes no se mueven, entonces el foco de los espejos o lentes cambia. Se requiere un sistema de seguimiento que siga la posición del sol. El sistema de seguimiento aumenta el costo y la complejidad. Con esto en mente, se pueden distinguir diferentes diseños en cómo concentran la luz y rastrean la posición del sol.
Las centrales eléctricas con sistema de canalización parabólica utilizan un canal curvo con espejos que refleja la radiación solar directa sobre un tubo de vidrio que contiene un fluido (también llamado receptor, absorbedor o colector) que recorre la longitud del canal, ubicado 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 lo 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 de transferencia de calor) pasa a través del receptor y se calienta mucho. Los fluidos más comunes son el aceite sintético, la sal fundida y el 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 de canal parabólico a gran escala consisten en muchos de estos canales dispuestos en paralelo sobre una gran superficie de tierra. Desde 1985, un sistema solar térmico que utiliza este principio ha estado en pleno funcionamiento en California , Estados Unidos . Se llama sistema de sistemas de generación de energía solar (SEGS). [41] Otros diseños de CSP carecen de este tipo de experiencia prolongada y, por lo tanto, actualmente se puede decir que el diseño de canal parabólico es la tecnología de CSP más probada.
SEGS es un conjunto de nueve plantas con una capacidad total de 354 MW y ha sido la planta de energía solar más grande del mundo, tanto térmica como no térmica, durante muchos años. Una planta más nueva es la planta Nevada Solar One con una capacidad de 64 MW. Las centrales solares Andasol de 150 MW están en España y cada sitio tiene una capacidad de 50 MW. Sin embargo, tenga en cuenta que estas plantas tienen almacenamiento de calor que requiere un campo más grande de colectores solares en relación con el tamaño de la turbina de vapor-generador para almacenar calor y enviar calor a la turbina de vapor al mismo tiempo. El almacenamiento de calor permite una mejor utilización de la turbina de vapor. Con el funcionamiento diurno y nocturno de la turbina de vapor Andasol 1 a una capacidad máxima de 50 MW produce más energía que Nevada Solar One a una capacidad máxima de 64 MW, debido al sistema de almacenamiento de energía térmica de la planta anterior y al campo solar más grande. La central generadora Solana de 280 MW entró en funcionamiento en Arizona en 2013 con 6 horas de almacenamiento de energía. La central solar de ciclo combinado integrada Hassi R'Mel en Argelia y el Centro de Energía Solar de Próxima Generación Martin utilizan colectores cilindro-parabólicos en un ciclo combinado con gas natural.
La arquitectura de canal cerrado encapsula el sistema solar térmico dentro de un invernadero de vidrio. El invernadero crea un entorno protegido para soportar los elementos que pueden afectar negativamente la confiabilidad y la eficiencia del sistema solar térmico. [42]
Dentro de la estructura del invernadero se encuentran suspendidos espejos curvos y livianos que reflejan la luz solar. Un sistema de seguimiento de un solo eje posiciona los espejos para seguir al sol y enfocar su luz sobre una red de tuberías de acero estacionarias, también suspendidas de la estructura del invernadero. [43] El vapor se genera directamente, utilizando agua de 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.
El vapor producido se alimenta directamente a la red de distribución de vapor existente en el campo, donde se inyecta continuamente en las profundidades del yacimiento de petróleo. Al proteger los espejos del viento, pueden alcanzar tasas de temperatura más altas y se evita que se acumule polvo como resultado de la exposición a la humedad. [42] GlassPoint Solar , la empresa que creó el diseño del canal cerrado, afirma que su tecnología puede producir calor para la recuperación mejorada de petróleo por unos 5 dólares por millón de unidades térmicas británicas en regiones soleadas, en comparación con los 10 y 12 dólares que se obtienen con otras tecnologías solares térmicas convencionales. [44]
El sistema de canal cerrado de GlassPoint se ha utilizado en las instalaciones de Miraah en Omán , y recientemente se anunció un nuevo proyecto para que la empresa lleve su tecnología de canal cerrado al campo petrolífero South Belridge , cerca de Bakersfield, California . [45]
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 heliostatos) en un campo de aproximadamente dos millas cuadradas. Una torre se encuentra en el centro del campo de heliostatos. Los heliostatos enfocan la luz solar concentrada en un receptor que se encuentra en la parte superior de la torre. Dentro del receptor, la luz solar concentrada calienta la sal fundida a más de 1000 °F (538 °C). La sal fundida calentada luego fluye a un tanque de almacenamiento térmico donde se almacena, manteniendo 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 el " ciclo Rankine ", es similar a una planta de energía estándar a carbón, excepto que se alimenta de energía solar.
La ventaja de este diseño sobre el diseño de canal parabólico 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 el área del suelo. En principio, se puede construir una torre de energía en la ladera de una colina. Los espejos pueden ser planos y la plomería se concentra en la torre. La desventaja es que cada espejo debe tener su propio control de doble eje, mientras que en el diseño de canal parabólico el seguimiento de un solo eje se puede compartir para una gran variedad de espejos.
El NREL realizó una comparación de costo/rendimiento entre las torres de energía y los concentradores de canal parabólico, y estimó que para el año 2020 se podría producir electricidad a partir de torres de energía por 5,47 ¢/kWh y por 6,21 ¢/kWh a partir de los concentradores de canal parabólico. Se estimó que el factor de capacidad para las torres de energía era del 72,9% y del 56,2% para los concentradores de canal parabólico. [46] Existe cierta esperanza de que el desarrollo de componentes de plantas de energía de helióstatos baratos, duraderos y de producción en masa pueda reducir este costo. [47]
La primera planta de energía de torre comercial fue PS10 en España con una capacidad de 11 MW, terminada en 2007. Desde entonces se han propuesto varias plantas, varias se han construido en varios países (España, Alemania, EE. UU., Turquía, China, India), pero varias plantas propuestas fueron canceladas debido a la caída de los precios de la energía solar fotovoltaica. Una torre de energía solar entró en funcionamiento en Sudáfrica en 2016. [48] La planta de energía solar Ivanpah en California genera 392 MW de electricidad a partir de tres torres, lo que la convierte en la planta de energía solar de torre más grande cuando entró en funcionamiento a fines de 2013.
Un sistema de disco Stirling utiliza un plato grande, reflectante y parabólico (similar en forma a una antena parabólica de televisión por satélite). Concentra toda la luz solar que llega al plato en un único punto por encima del plato, donde un receptor captura el calor y lo transforma en una forma útil. Normalmente, el plato está acoplado a un motor Stirling en un sistema de disco Stirling, pero a veces también se utiliza un motor de vapor . [49] Estos crean energía cinética rotacional que se puede convertir en electricidad utilizando un generador eléctrico. [50]
En 2005 , Southern California Edison anunció un acuerdo para comprar motores Stirling alimentados con energía solar a 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 servicio la primera planta de energía de demostración de 1,5 megavatios ("Maricopa Solar") utilizando tecnología Stirling en Peoria, Arizona. [51] 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. [52] [53] En 2012, la planta de Maricopa fue comprada y desmantelada por United Sun Systems . [54] United Sun Systems lanzó un nuevo sistema de 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 USD 0,02 en la escala de servicios públicos. [ cita requerida ]
Según su desarrollador, la empresa sueca Rispasso Energy, en 2015 su sistema Dish Sterling, que se está probando en el desierto de Kalahari , en Sudáfrica, mostró una eficiencia del 34%. [55]
Una planta de energía con reflector Fresnel lineal utiliza una serie de espejos largos, estrechos y de curvatura superficial (o incluso planos) para enfocar la luz sobre 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 apuntan a ofrecer menores costos generales al compartir un receptor entre varios espejos (en comparación con los conceptos de canal y plato), mientras que aún usan la geometría simple de enfoque lineal con un eje para el seguimiento. Esto es similar al diseño de 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 de fluidos (como en los canales y platos). Los espejos tampoco necesitan soportar el receptor, por lo que son estructuralmente más simples. Cuando se utilizan estrategias de apuntamiento adecuadas (espejos apuntados a diferentes receptores en diferentes momentos del día), esto puede permitir un empaquetamiento más denso de espejos en el área de tierra disponible.
Las tecnologías de seguimiento de un solo eje rivales incluyen las tecnologías relativamente nuevas de reflector Fresnel lineal (LFR) y LFR compacto (CLFR). El LFR se diferencia del canal parabólico en que el absorbedor está fijo en el espacio por encima del campo de espejos. Además, el reflector está compuesto por muchos segmentos de fila bajos, que se enfocan colectivamente en un receptor de torre larga elevada que corre paralelo al eje de rotación del reflector. [56]
International Automated Systems ha producido prototipos de concentradores de lentes de Fresnel para la recolección de energía térmica . [57] No se conocen sistemas térmicos a gran escala que utilicen lentes de Fresnel en funcionamiento, aunque ya hay productos disponibles que incorporan lentes de Fresnel junto con células fotovoltaicas. [58]
MicroCSP se utiliza en plantas de energía de tamaño comunitario (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 en piscinas de complejos turísticos, parques acuáticos, grandes instalaciones de lavandería, 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 . [59] Aquí, el calor es la medida de la cantidad de energía térmica que contiene un objeto y está determinada por la temperatura, la masa y el calor específico del objeto. Las plantas de energía solar térmica utilizan intercambiadores de calor que están diseñados para condiciones de trabajo constantes, para proporcionar intercambio de calor. Los intercambiadores de calor de cobre son importantes en los sistemas de calefacción y refrigeración solares térmicos debido a la alta conductividad térmica del cobre, la resistencia a la corrosión atmosférica y del agua, el sellado y la unión mediante soldadura y la resistencia mecánica. El cobre se utiliza tanto en receptores como en circuitos primarios (tuberías e intercambiadores de calor para tanques de agua) de los sistemas solares térmicos de agua. [60]
La ganancia de calor es el calor acumulado del sol en el sistema. El calor solar térmico se atrapa utilizando 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 cámara de almacenamiento de calor.
El calor se transfiere por conducción o convección. Cuando se calienta el agua, la energía cinética se transfiere por conducción a las moléculas de agua en todo el medio. Estas moléculas distribuyen su energía térmica por conducción y ocupan más espacio que las moléculas frías que se mueven lentamente por encima de 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 en el fluido por conducción. El fluido colector circula a través de las tuberías portadoras hasta la bóveda de transferencia de calor. Dentro de la bóveda, el calor se transfiere a todo el medio a través de la convección.
El almacenamiento de calor permite que las plantas solares térmicas produzcan electricidad durante las horas en que no hay luz solar. El calor se transfiere a un medio de almacenamiento térmico en un depósito aislado durante las horas en que hay luz solar y se extrae para la generación de energía durante las horas en que no hay luz solar. Los medios de almacenamiento térmico se analizarán en una sección sobre almacenamiento de calor. La velocidad 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 rápido que los cuerpos con diferencias de temperatura menores.
El transporte de calor se refiere a la actividad en la que el calor de un colector solar se transporta a la cámara de almacenamiento de calor. El aislamiento térmico es vital tanto en las tuberías de transporte de calor como en la cámara de almacenamiento. Evita 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 solar térmica 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 reemplazar tanto a las plantas de energía a carbón como a las de 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 del 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 extrae para la generación de 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. [61] [62]
La torre de energía solar PS10 almacena calor en tanques en forma de vapor presurizado a 50 bar (700 psi) y 285 °C (545 °F). El vapor se condensa y vuelve a convertirse en vapor cuando se reduce la presión. El almacenamiento se realiza durante una hora. Se sugiere que es posible un almacenamiento más prolongado, pero esto no se ha demostrado en una planta de energía existente. [63]
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 , compuesta por un 60 % de nitrato de sodio y un 40 % de nitrato de potasio . El salitre se funde 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 (268 °F), lo que permite extraer más energía antes de que la sal se congele. En la actualidad existen varios grados técnicos de nitrato de calcio estables a más de 500 °C (1000 °F).
Este sistema de energía solar puede generar energía en días nublados o por la 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 alto y 24 m (80 pies) de diámetro.
La planta eléctrica Andasol en España es la primera planta de energía solar térmica comercial que utiliza sales fundidas para el almacenamiento de calor y la generación nocturna. Comenzó a funcionar en marzo de 2009. [65] El 4 de julio de 2011, una empresa española 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 sistema de almacenamiento de calor de sales fundidas. [66]
En enero de 2019, el proyecto de la central térmica solar de torre de sal fundida 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 de sal fundida de 11 horas y puede generar energía de forma consecutiva durante 24 horas. [67]
Los materiales de cambio de fase (PCM) ofrecen una solución alternativa para el almacenamiento de energía. [68] Al utilizar 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 una baja entalpía de cambio de fase, una baja conductividad térmica y la inflamabilidad. Los inorgánicos son ventajosos con una mayor entalpía de cambio de fase, pero presentan desventajas con el subenfriamiento, la corrosión, la separación de fases y la falta de estabilidad térmica. La mayor entalpía de cambio de fase en los PCM inorgánicos hace que las sales de hidrato sean un candidato sólido en el campo del almacenamiento de energía solar. [69]
Un diseño que requiera agua para condensación o refrigeración puede entrar en conflicto con la ubicación de plantas solares térmicas en áreas desérticas con buena radiación solar pero recursos hídricos limitados. El conflicto se ilustra con los planes de Solar Millennium , una empresa alemana, para construir una planta en el Valle Amargosa de 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 de obtener derechos de agua adecuados y apropiados. La ley de agua de California actualmente prohíbe el uso de agua potable para refrigeración. [70]
Otros diseños requieren menos agua. La planta de energía solar Ivanpah, en el sureste de California, conserva el agua escasa del desierto utilizando refrigeración por aire para convertir el vapor en agua. En comparación con la refrigeración húmeda convencional, esto da como resultado una reducción del 90% en el uso de agua a costa de cierta pérdida de eficiencia. Luego, el agua se devuelve a la caldera en un proceso cerrado que es respetuoso con el medio ambiente. [71]
De todas estas tecnologías, la antena solar/motor Stirling es la que tiene la mayor eficiencia energética . Un solo motor Stirling /antena solar instalado en el Centro Nacional de Pruebas Térmicas Solares (NSTTF) de los Laboratorios Nacionales de Sandia produce hasta 25 kW de electricidad, con una eficiencia de conversión del 31,25 %. [72]
Se han construido plantas solares con sistema cilindroparabólico con eficiencias de alrededor del 20%. [ cita requerida ] Los reflectores Fresnel tienen una eficiencia ligeramente menor (pero esto se compensa con el empaquetamiento más denso).
Las eficiencias de conversión brutas (teniendo en cuenta que los platos o canales solares ocupan solo 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 alrededor del 2,75% de la radiación (1 kW/m 2 ; véase Energía solar para una discusión) que cae sobre sus 4.500 acres (18,2 km 2 ). [73] Para la planta de energía AndaSol de 50 MW [74] que se está construyendo en España (área total 1,95 km 2 ; ¾ sq. mi.) 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.
