SISTEMAS DE CONCENTRACIÓN DE ENERGÍA SOLAR

Alfredo Peña Díaz, Ing. Mecánico.Universidad de Los Andes

Santafé de Bogotá D.C., Colombia

1. INTRODUCCIÓN

Las plantas de concentración de energíasolar producen energía eléctrica a través dela conversión de la energía del sol a calor dealta temperatura usando variasconfiguraciones de espejo. El calor es luegocanalizado a través de un generadorconvencional. Las plantas generalmenteconsisten en dos partes: una que colecta laenergía solar y la convierte en calor, y otraque convierte esta energía en forma de calora electricidad.

Los sistemas de concentración de energíasolar pueden ser diseñados para operaraisladamente en pueblos (10 KW) oaplicaciones conectadas a la red (100 MW).Algunos sistemas usan almacenamientotérmico durante periodos donde predominenubosidad o durante la noche. Otros puedenser combinados con gas natural y losresultados son plantas de energía híbrida dealto rendimiento. Estos atributos, junto con elrécord mundial de eficiencia de conversiónde energía solar a eléctrica (18%), hacen dela concentración de energía solar una opciónmuy atractiva en aquellas zonas que seencuentran bajo concentraciones altas desol.

La cantidad de potencia generada por unaplanta de concentración de energía solardepende de la cantidad de luz directa del sol.Como los concentradores fotovoltaicos, estastecnologías usan solamente el rayo directode la luz del sol, más que la radiación solardifusa.

2. COLECTORES FOCALIZADORES

Los sistemas de concentración solar basansu tecnología en colectores focalizadores.Con estos es fácil obtener temperaturasmucho más altas, pero usualmente cuestan

más, necesitan siempre seguir el sol y sóloutilizan la radiación directa del sol. Alfocalizar la radiación solar se pueden obtenertemperaturas de 3500ºC o mayoresdependiendo de la perfección óptica del sol.

La tasa de calor entregada con colectoresfocalizadores es similar a la calculada paracolectores de placa plana:

HnAcrsα = qoAt (2.1)

La tasa de radiación directa por unidad deárea es Hn, Ac corresponde al áreaproyectada por el espejo focalizador, r es lareflectividad efectiva del material, s es unfactor de forma del colector (tiene que vercon la calidad de focalización de la parábola),α es la absortividad del receptor, qo es la tasaa la cual el calor por radiación es absorbidopor unidad de área por el receptor y At es elárea del receptor. Podemos entoncesdesarrollar el lado derecho de la ecuación:

qoAt = (qu + qr + qa + qc)At (2.2)

donde qu es el calor útil que absorbe el fluido,qr es el calor perdido debido a radiación, qa elcalor perdido debido a convección y aconducción y qc tiene que ver con perdidasconductivas en la estructura. El calor útil esexpresado entonces:

quAt = HnAcrsα - (qr + qa + qc)At (2.3)

La eficiencia del colector se describe pormedio de la fórmula:

η = 1- (qr + qa + qc)At (2.4)

HnAcrsα

El radio de concentración efectivo es unparámetro muy importante en estos sistemasy de este depende la ventaja que tienensobre los colectores de placa plana:

RC = Ac/At (2.5)

De aquí que las eficiencias de losconcentradores sean tan altas ya que sepueden llegar a tener radios deconcentración de 1000:1.

3. TECNOLOGÍA EN LOS ESPEJOS

Los sistemas de concentración solar usansuperficies reflectoras de aluminio o plata enla superficie frontal o trasera de un vidrio oplástico delgado. Los investigadores estándesarrollando nuevos materiales reflectivos,tales como películas de polímerosavanzadas, que son menos caras de producirque el vidrio. Las membranas estiradas sonmembranas reflectivas delgadas que se usana través del aro. Otra membrana es estiradaatrás de esta creando un vacío parcial. Estoobliga a que la membrana tome una formaesférica, la cual es la forma ideal delconcentrador.

En la tabla 1 se puede observar los valoresde absortividad y reflectividad típicos enalgunos tipos de concentradores solares.

4. SISTEMAS DE CONCENTRACIÓN

En la actualidad se pueden encontrar trestipos de sistemas de concentración deenergía solar: Los concentradores, losdisco/motores y las torres de potencia y seclasifican de acuerdo a como colectan laenergía solar.

4.1. Sistemas concentradores

En estos sistemas la energía del sol seconcentra por reflectores en forma de canalparabólicamente curvados a una tuberíareceptora que se ubica a lo largo del interiorde la superficie curvada. Esta energíacalienta aceite que fluye a través de latubería, y la energía calorífica es luego usadapara generar electricidad en un generador avapor convencional. Ver figuras 1 y 2.

Un campo colector abarca muchosconcentradores en filas paralelas alineadasen los ejes norte-sur. Esta configuraciónpermite a los concentradores de un ejeperseguir el sol de este a oeste durante el díapara asegurarse que el sol este

continuamente enfocado en las tuberíasreceptoras. Sistemas concentradoresindividuales pueden generar cerca de 80 MWde electricidad.

Algunos diseños de concentradores puedenincorporar almacenamiento térmico dejandoa un lado el fluido de transferencia de caloren su fase caliente permitiendo la generacióneléctrica algunas horas en la noche.Generalmente, todas las plantas deconcentradores parabólicos son híbridas, esdecir usan combustible fósil paracomplementar el déficit solar en los periodosde baja radiación. Ver figuras

4.2. Sistemas de torres de potencia

En estos sistemas la energía del sol esconcentrada por un campo de cientos oincluso miles de espejos denominadoshelióstatos a un receptor localizado en lacima de una torre. Esta energía calienta salderretida que fluye a través del receptor y laenergía calorífica de la sal es usada luegopara generar electricidad en un generador avapor convencional. La sal derretida retieneel calor eficientemente, así que este sepuede almacenar por horas o incluso díasantes de ser usado para la generacióneléctrica. Una torre de potencia parademostración de nombre solar 2, localizadaen el desierto Mojave de California puedegenerar cerca de 10 MW de electricidad. Verfiguras 3 y 4.

La sal líquida a 550ºF es bombeada de untanque de almacenamiento "frío" a través delreceptor, donde este es calentado a 1050ºF yluego aun tanque "caliente" para sualmacenamiento. Cuando se necesitaenergía de la planta, la sal caliente esbombeada a un sistema de generación devapor que produce vapor supercalentadopara accionar una turbina y generador. Delgenerador de vapor, la sal retorna a untanque frío, donde esta es almacenada yeventualmente recalentada en el receptor.

Con almacenamiento térmico, las torres depotencia pueden operar a un factor depotencia de 65%, lo que significa que ellaspueden potencialmente operar por 65% delaño sin la necesidad de rellenar la fuente decombustible. Sin almacenamiento deenergía, las tecnologías solares como esta

se limitan a factores de potencia anual del25%. La capacidad de las torres de potenciade operar por períodos prolongados detiempo la separa de otras formas detecnología de energía renovable.

4.3. Sistemas disco/motor

Un sistema disco/motor es una unidad puestaen solitario compuesta primariamente de uncolector, un receptor y un motor. La energíadel sol se colecta y se concentra en unasuperficie con forma de plato a un receptorque absorbe la energía y la transfiere a unfluido de trabajo del motor. El motorconvierte el calor a potencia mecánica enuna manera similar a los motoresconvencionales o sea por compresión delfluido de trabajo cuando este esta frío,calentando el fluido de trabajo comprimido, yluego expandiéndolo a través de una turbinao con un pistón para producir trabajo. Lapotencia mecánica es convertida a potenciaeléctrica por un generador eléctrico oalternador. Ver figuras 5 y 6.

Los sistemas disco/motor usan colectores deeje dual para perseguir el sol. La forma idealdel concentrador es parabólica, creada poruna sola superficie reflectora o por múltiples.Existen muchas opciones para tipos dereceptores y motores, incluyendo el motorStirling y los receptores Brayton.

Estos sistemas no son comerciales aún, perolas pruebas han demostrado buen potencial.Sistemas disco/motor individualescorrientemente pueden generar cerca de 25KW de electricidad. Se obtiene máscapacidad si se conectan juntos los discos.Se pueden combinar también con gas naturalgenerando energía continua de manerahíbrida.

5. DISEÑO DE PLANTAS (Concentradores ytorres)

Las plantas, como se mencionóanteriormente, elaboran tres procesos deconversión de energía: solar a térmico,térmico a mecánico y mecánico a eléctrico.Un montaje típico se muestra en la figura 7.

Para dimensionar campos solares se debeconocer las condiciones de radiación solar

directa del lugar y la producción anual deenergía eléctrica que se requiera. Conocidosestos dos valores se procede a determinar lapotencia nominal de la planta:

Pn = PAER. (5.1) Ix0.85

Donde PAER es la producción requeridaanualmente de electricidad e I es la radiacióndirecta anual. El factor de planta se puededeterminar también:

F.P = PAER (5.2) 24xPn

El área que se necesita tanto de helióstatoscomo de concentradores se determina:

A = Pn ( 5.3) (η +4%)x1000

donde η es la eficiencia de conversión solar-eléctrica (aprox. 12%) y el 4% tiene que vercon la ayuda de los sistemas híbridos.

Algunos desempeños de plantas deconcentradores y torres de potencia seobservan en las tablas 2 y 3.

6. OPORTUNIDADES ECONÓMICAS

Un gran número de países hay encaminadoproyectos en estas tecnologías incluyendo aU.S.A., India, Egipto, Marruecos y México yse tienen algunos desarrollos independientesen concentradores parabólicos en Grecia yEspaña. Una ventaja competitiva clave delos sistemas de concentración de energíasolar es su cercana semejanza con lamayoría de las plantas de energía operadasen la industria. Esta tecnología utilizamuchos de los mismos equipos usados enlas plantas convencionales, sustituyendo lacombustión de fósiles por la concentración deenergía solar. Este aspecto evolucionado lahace integrarse muy fácilmente a una redeléctrica. Se estima que para el 2005 setendrán 500 MW de capacidad instalada deconcentradores de energía solar en elmundo.

7. COSTO

La tecnología de concentradores de energíasolar generalmente ofrece el menor costo en

generación de electricidad a gran escala (10MW o más) en equipos solares. Latecnología actual tiene un costo de $2 a $3dólares por vatio. Esto es un costo de 9¢ a12¢ por Kw-hr. Nuevos sistemas híbridospueden reducir los costos a $1.5 por vatio o8¢ por Kw-hr. Nuevos avances tecnológicosen almacenamiento de la energía térmicaacumulada podrían inclinar los precios a 4¢ o5¢ por Kw-hr. en las próximas décadas.

8. BIBLIOGRAFÍA

- Daniels Farrington. Direct use of the sun'senergy. Ballantine Books, 1st Ed. 1980- www.eren.doe.gov/RE/solar.html-www.energylan.sandia.gov/sunlab/overview.htm

Tabla 1

Tabla 2

Tabla 3

Figura 1

Figura 2

Figura 3

Figura 4

Figura 5

Figura 6

Figura 7