Centrales solares térmicas

Energía solar térmica

Es común asociar la producción eléctrica solar directamente a la conversión fotovoltaica y no con el poder termal del sol. Sin embargo grandes plantas generadoras con concentradores termales solares, han estado generando electricidad a costos razonables por más de 15 años.
La mayoría de las técnicas para generar electricidad a partir del calor necesitan de altas temperaturas para alcanzar niveles de eficiencia razonables.
Las temperaturas de salida de colectores solares sin concentración están limitadas a temperaturas por debajo de los 200 °C. Por lo tanto, es necesario utilizar sistemas de concentración para producir temperaturas más altas. Debido a sus altos costos, en las grandes centrales eléctricas generalmente no se utilizan lentes, se utilizan en cambio alternativas más rentables, incluyendo concentradores por reflexión.
Un reflector, que concentra la luz del sol en una línea focal o en un punto focal, tiene forma parabólica; este tipo de reflector debe ser seguir siempre el movimiento del sol. En términos generales, se puede hacer una distinción entre los sistemas de seguimiento de un eje y los de dos ejes: los sistemas de seguimiento de un eje concentran la luz del sol sobre un tubo de absorción ubicado en la línea focal, mientras que los sistemas de seguimiento de dos ejes concentran la luz del sol sobre una superficie de absorción relativamente pequeña ubicada cerca del punto focal.

Concentración de la luz del sol

La concentración de la luz del sol se puede lograr por varias técnicas por ejemplo:

• Colector parabólico receptor de foco lineal
• Colector de plato parabólico con receptor de foco puntual
• Sistema de receptor central con reflectores distribuidos y foco puntual

El factor máximo teórico para la concentración de la luz solar es 46.211. Es finito porque el sol no es realmente una fuente de radiación puntual. La temperatura máxima que puede ser alcanzada de la concentración de luz solar es igual a la temperatura superficial del son o sea de unos 5500°C. Si el factor de concentración es más bajo, la temperatura máxima disminuye. Sin embargo, los sistemas reales no alcanzan estos máximos teóricos. Esto se debe a que no es posible construir un sistema absolutamente exacto, y además los sistemas que transportan el calor a los usuarios, también reducen la temperatura del receptor. Si el proceso del traspaso térmico se detiene el colector puede alcanzar temperaturas extremadamente altas.

Colector parabólico receptor de foco lineal

Colector de plato parabólico con receptor de foco puntual

Sistema de receptor central con reflectores distribuidos y foco puntual

Centrales eléctricas parabólicas de canal

Las centrales eléctricas parabólicas de canal son el tipo de tecnología de central eléctrica solar termal con mayor número de sistemas comerciales operativos.

El colector parabólico de canal consiste en un conjunto de grandes espejos curvados, que concentran la luz del sol en un factor de 80 o más a una línea focal. Los colectores se colocan formando una larga fila de unos 300 a 600 metros, y una a su vez se instalan múltiples filas paralelas formando un campo de colectores solares. Los colectores poseen sistemas de seguimiento de un eje para seguir al sol.

El campo de colectores puede también estar formado de largas filas paralelas de colectores Fresnel. En la línea focal de las parabólicas se encuentra un tubo de absorción metálico, que generalmente se embute dentro de un tubo de cristal al vacío para reducir pérdidas de calor. Además una capa selectiva especial, resistente a altas temperaturas, reduce las pérdidas por radiación de calor.
En estos sistemas, aceite térmico, o algún otro fluido transferencia térmica, atraviesa el tubo de absorción. Este tubo calienta al aceite hasta casi 400°C, y un intercambiador de calor transfiere el calor del aceite termal a un ciclo de generación de vapor (también llamado ciclo Rankine). Una bomba de alimentación pone al agua bajo presión. Luego, un economizador, un vaporizador y un sobrecalentador producen vapor sobrecalentado. Este vapor se expande en una turbina de dos etapas; entre las piezas de alta presión y de baja presión de esta turbina se encuentra un recalentador, que calienta el vapor nuevamente. La turbina conduce a un generador eléctrico que convierte la energía mecánica en energía eléctrica; el condensador detrás de la turbina condensa el vapor de agua nuevamente, lo que cierra el ciclo en la bomba de alimentación.

También es posible producir vapor sobrecalentado directamente usando los colectores solares. Esto hace el aceite térmico innecesario, y también reduce los costos ya que el aceite térmico es relativamente costoso y los intercambiadores de calor ya no son necesarios. Sin embargo, la generación solar directa de vapor se encuentra todavía en su etapa del desarrollo.

Capacidad Garantizada

En contraste con los sistemas fotovoltaicos, las centrales eléctricas termales solares pueden garantizar una cierta capacidad. Durante períodos de mal tiempo o durante la noche, quemadores de combustible fósil paralelos pueden producir el vapor. En estos quemadores paralelos también se pueden quemar combustibles ecológicos tales como biomasa, o hidrógeno producido por energías renovables. Con un almacenaje termal, la central solar térmica puede también generar electricidad incluso durante algunas horas de la noche cuando ya no hay energía solar disponible.
Un sistema de almacenaje ya probado funciona con dos tanques. En este el medio utilizado para el almacenaje del calor a altas temperaturas es sal fundida. El exceso de calor del campo de colectores solares calienta la sal fundida, la que se bombea del tanque frío al tanque caliente. Si el campo de colectores solares no puede producir suficiente calor para conducir la turbina, la sal fundida se bombea del tanque caliente nuevamente al tanque frío, y calentando en el proceso al fluido transferencia térmica.

Eficiencia de las centrales eléctricas parabólicas de canal

La eficiencia de una central eléctrica solar termal es el producto de la eficiencia del colector, la eficiencia del campo y de la eficiencia del ciclo de vapor. La eficiencia del colector depende del ángulo de incidencia de la luz del sol y de la temperatura en el tubo de absorción, y puede alcanzar valores de hasta el 75%. Las pérdidas en el campo son generalmente menores al 10%. En conjunto, las centrales eléctricas solares termales de canal pueden alcanzar eficiencia anuales de cerca del 15%. La eficiencia del ciclo de vapor esta cerca del 35% y tiene la influencia más significativa. Los sistemas con receptores centrales tales como las plantas solares termales de torre pueden alcanzar temperaturas más altas y por lo tanto alcanzar eficiencias más altas.
 

 

Centrales eléctricas solares termales de torre

En las centrales eléctricas termales solares de torre, centenares o incluso millares de grandes espejos con sistemas de seguimiento de dos ejes se instalan alrededor de una torre. Estos espejos levemente curvados también son llamados heliostatos; un computador calcula la posición ideal para cada uno de éstos espejos, y un mecanismo impulsado por un motor lo orienta hacia el sol. El sistema debe ser muy exacto para asegurar que la luz del sol esté realmente centrada en la punta de la torre. Es allí donde está localizado el receptor, el cual se calienta hasta temperaturas de 1000°C o más. El aire caliente o sal fundida transporta el calor desde el receptor a un generador del vapor; donde se produce vapor de agua sobrecalentado, el cual acciona una turbina y un generador eléctrico, al igual que en el caso de las centrales eléctricas de canal.

Receptor volumétrico abierto

El primer tipo de torre solar que veremos utiliza el concepto de receptor volumétrico abierto. En este, un soplador transporta el aire del ambiente a través del receptor, el cual es calentado por la luz del sol reflejada. El receptor esta compuesto por una malla de alambre, materiales cerámicos o metálicos creando una estructura en forma de panal, la cual es atravesada por aire que se calienta hasta temperaturas entre los 650°C y 850°C. En la parte delantera, el aire frío entrante refresca la superficie del receptor. Por lo tanto, la estructura volumétrica produce las temperaturas más altas dentro del receptor, reduciendo las pérdidas por radiación térmica en la superficie del receptor. Luego, el aire alcanza la caldera, donde se produce el vapor. Un quemador y un sistema de almacenaje termal pueden garantizar la capacidad en este tipo de central eléctrica solar termal.

Receptor de aire presurizado

El concepto de receptor volumétrico presurizado ofrece nuevas oportunidades a las plantas solares termales de torre. Un compresor presuriza el aire hasta cerca de 15 bar.; una bóveda de cristal transparente cubre el receptor y separa el absorbedor del ambiente. Dentro del receptor presurizado, el aire se calienta a temperaturas de hasta 1100°C, y el aire caliente acciona una turbina de gas. Esta turbina está conectada con un compresor y un generador que produce electricidad. El exceso de calor de la turbina de gas va a una caldera y además impulsa un proceso ciclo de vapor. El proceso combinado de la turbina de gas y de vapor puede alcanzar eficiencias por encima del 50%, mientras que la eficiencia de un ciclo de turbina de vapor simple es de solamente el 35%. Esto permite obtener sistema solares con eficiencias superiores al 20%.

Sistemas solares de plato parabólico

En estos un espejo cóncavo parabólico (el plato) concentra la luz del sol; el espejo cuenta con un sistema de seguimiento de dos ejes y debe poder seguir al sol con un alto grado de exactitud para alcanzar eficacias altas. En el foco del espejo parabólico se ubica un receptor el cual se calienta hasta 650°C.
Los sistemas de plato parabólico llamados de Plato-Stirling, se pueden utilizar para generar electricidad en rango de los kilovatios. El calor absorbido acciona un motor de Stirling, que convierte el calor en energía cinética y acciona un generador eléctrico.
Un motor de Stirling es un motor de ciclo cerrado, lo que significa que el fluido de trabajo (idealmente un gas perfecto) se encuentra encerrado dentro del motor y los pistones lo desplazan en las diversas etapas del ciclo. A su vez este motor utiliza una fuente de calor externa lo que permite emplear un gran número de fuentes de energía por ejemplo energía nuclear, combustibles fósiles o energía solar.

Si no hay suficiente luz de sol disponible, se puede utilizar el calor de la combustión de combustibles fósiles o de bio-combustibles para accionar el motor de Stirling y generar electricidad. Los sistemas de Plato-Stirling pueden alcanzar una eficiencia del 20% o más. Se han probado con éxito algunos prototipos de sistemas de Plato-Stirling. Sin embargo, los costos de la producción eléctrica de estos sistemas son mucho más altos que para las centrales eléctricas de canal o torre, y solamente mediante la producción en serie pueden alcanzarse otras reducciones de costos significativas.

Centrales eléctricas solares de chimenea

Las tecnologías descritas en los otros tipos de centrales solares, pueden utilizar solamente irradiación solar directa. Sin embargo una central eléctrica solar de chimenea convierte la radiación global en electricidad. Puesto que a menudo las chimeneas se asocian a gas de escape contaminantes, este concepto también se conoce como planta de torre de energía solar, aunque es totalmente diferente de los conceptos de torre descritos anteriormente. Una central eléctrica solar de chimenea tiene una chimenea alta (torre), con una altura de hasta 1000 metros, rodeada por un gran techo colector de hasta 130 metros de diámetro, construido en cristal o plástico resistente suspendido sobre un marco. Hacia su centro el techo posee una curvatura hacia arriba uniéndose a la chimenea, creando un embudo.

El sol calienta la tierra y el aire por debajo del techo del colector, el aire caliente sigue la pendiente ascendente del techo hasta que alcanza la chimenea. Allí, fluye a alta velocidad a través de la chimenea y acciona las turbinas de viento. La tierra debajo del techo del colector se comporta como medio de almacenaje, e incluso puede calentar el aire por un tiempo significativo después de la puesta del sol. La eficiencia de una central eléctrica solar de chimenea se encuentra por debajo del 2%, y depende principalmente de la altura de la torre, es por esto que estas centrales eléctricas solo pueden construirse en lugares donde la tierra es muy barata. Tales áreas se sitúan generalmente en regiones desérticas.
Sin embargo, la central eléctrica puede tener otras aplicaciones, pues el área bajo el techo del colector también se puede utilizar como invernadero con propósitos agrícolas.