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Energía Solar Térmica
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Índice
Energía solar térmica .............................................................................................................................. 1
Objetivos ................................................................................................................................................. 1
1. Introducción ........................................................................................................................................ 2
La radiación solar ................................................................................................................................ 3
El espectro solar. Componentes de la radiación solar .................................................................................. 3
2. Bases de datos para radiación solar .................................................................................................... 5
3. Balance energético .............................................................................................................................. 8
en un captador solar térmico .................................................................................................................. 8
Funcionamiento térmico de un captador solar térmico..................................................................... 8
Mecanismos de transporte de energía ............................................................................................. 10
Radiación ..................................................................................................................................................... 10
Conducción.................................................................................................................................................. 11
Convección .................................................................................................................................................. 11
4. Sistemas solares térmicos: del captador plano a los discos de concentración ................................ 12
Captadores de baja temperatura (menor de 125oC) ........................................................................ 13
Captadores de media y alta temperatura ........................................................................................ 17
5. Agua caliente sanitaria y calefacción solar ....................................................................................... 20
Configuraciones posibles .................................................................................................................. 20
Sistemas Directos ........................................................................................................................................ 20
Sistemas indirectos ..................................................................................................................................... 21
Sistemas termosifón o circulación natural .................................................................................................. 22
Sistemas compactos .................................................................................................................................... 23
Orientación e inclinación de los captadores .................................................................................... 23
Calefacción solar ............................................................................................................................... 24
6. Refrigeración y aire acondicionado solar .......................................................................................... 26
Equipos térmicos de refrigeración en ciclo cerrado ......................................................................... 27
Ciclos abiertos de refrigeración solar ............................................................................................... 28
Desarrollo en países de Latinoamérica y Caribe ............................................................................... 30
7. Calor solar para procesos industriales .............................................................................................. 32
Claves para la integración de plantas solares ................................................................................... 33
Nivel de temperatura de proceso ............................................................................................................... 33
Medio de transferencia del flujo de energía ............................................................................................... 35
Energía Solar Térmica
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Perfil de consumo ....................................................................................................................................... 36
Ejemplos de instalaciones solares en países de Latinoamérica y Caribe ......................................... 36
Secado de frutas y hortalizas en Nicaragua ................................................................................................ 36
Secado de café en Perú ............................................................................................................................... 37
Industria minera en Chile ............................................................................................................................ 38
8. Tecnología de foco lineal: captadores Cilindroparabólicos y Fresnel ............................................... 39
Componentes de captadores cilindroparabólicos ............................................................................ 39
Concentradores lineales tipo Fresnel ............................................................................................... 42
Aplicaciones ...................................................................................................................................... 43
Plantas de captadores de foco lineal ................................................................................................ 44
Prediseño del campo solar .......................................................................................................................... 45
9. Tecnología de foco puntual: centrales de Receptor central y Discos parabólicos ........................... 47
Sistemas de receptor central o centrales de torre ........................................................................... 47
El Campo Solar ............................................................................................................................................ 47
El Receptor .................................................................................................................................................. 49
El sistema de aprovechamiento de la energía térmica ............................................................................... 50
Sistemas de discos parabólicos ........................................................................................................ 50
10. Almacenamiento térmico ............................................................................................................... 52
Almacenamiento en calor sensible ................................................................................................... 52
Materiales de almacenamiento sensible .................................................................................................... 52
Configuraciones de almacenamiento sensible ............................................................................................ 54
Almacenamiento en calor latente .................................................................................................... 56
Materiales para almacenamiento en latente .............................................................................................. 56
Configuraciones de almacenamiento sensible ............................................................................................ 57
Almacenamiento termoquímico. ...................................................................................................... 57
Aplicaciones ...................................................................................................................................... 58
11. Situación Mundial ........................................................................................................................... 59
Sistemas solares para baja temperatura .......................................................................................... 59
Sistemas solares para media y alta temperatura ............................................................................. 61
Barreras al despegue real de la energía solar térmica ..................................................................... 62
Bibliografía ............................................................................................................................................ 66
Páginas Web ............................................................................................. ¡Error! Marcador no definido.
Índice de figuras .................................................................................................................................... 68
Tablas/Gráficos/Figuras .............................................................................................................................. 68
Energía Solar Térmica 1
Energía solar térmica
Objetivos
El objetivo de este curso es dar una visión general de las potenciales aplicaciones de la energía solar térmica, poniendo especial atención en aquellas que mejor se adapten a las condiciones y necesidades de países de América Latina y del Caribe. Empezando desde los fundamentos físicos involucrados más relevantes y acabando perfilando los avances tecnológicos más actuales, el estudiante adquirirá las capacidades y habilidades necesarias para definir y diseñar, de forma elemental, sistemas energéticos que aprovechen la energía solar térmica en un determinado emplazamiento.
Energía Solar Térmica
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1. Introducción
El principio común que rige todos los sistemas solares térmicos es el que la radiación solar es captada y utilizada para calentar un fluido (normalmente un líquido, aunque también puede ser un gas como
aire o CO2).
Los sistemas solares térmicos utilizan la capacidad que tiene la radiación solar
de calentar, diferenciándose claramente de los sistemas fotovoltaicos, los cuales se basan en la capacidad de ciertos materiales de transformar, directamente, la radiación solar en
energía eléctrica. Las diferencias entre estos dos tipos de sistemas solares son tales, tanto en términos tecnológicos, aplicaciones y desarrollo que debe tenerse clara su distinción y
tratamiento.
En los sistemas solares térmicos se utilizan captadores para recoger la energía solar. Hay muchos tipos de captadores, pero los más simples y grandes son los edificios mismos. Este tema es tratado
en el módulo titulado Eficiencia Energética en la Edificación.
Los sistemas solares activos son aquellos que usan un equipamiento específico para captar la
energía solar: los captadores solares térmicos. El fluido calentado por energía solar que circula por su interior puede directa o indirectamente –por medio de un intercambiador de calor- transferir su
energía al destino o aplicación final.
¿Qué ventajas específicas cree usted que tiene la energía solar térmica activa?
El impacto ambiental del ciclo de vida de los sistemas solares activos es
prácticamente nulo. El uso de carbón, gas, petróleo o energía nuclear supone un impacto importante en el medio ambiente, y por tanto en los fondos públicos y la
sociedad. Impacto que no está reflejado en el coste específico al usuario, por lo que las
energías renovables en general y los sistemas solares térmicos activos en particular compiten en desigualdad de condiciones.
La energía solar está disponible casi en cualquier parte del mundo, lo
que le confiere un inmenso potencial de aprovechamiento, sobre todo con sistemas solares térmicos que aprovechan la radiación solar global (sistemas para baja y media
temperatura)
La energía solar térmica activa siempre induce una reducción en el
consumo de energía primaria, pudiéndose combinar con casi cualquier sistema auxiliar de respaldo
Los sistemas solares térmicos activos tienen un coste predecible, ya que el
montante principal del mismo está asociado a la inversión inicial, no dependiendo de variaciones o fluctuaciones de mercado del coste de combustible alguno.
Importante
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La radiación solar
El Sol es un enorme reactor de fusión nuclear formado por una esfera de materia gaseosa caliente de
1,39 millones de kilómetros de diámetro, que constituye la principal fuente de energía para la Tierra, situada a una distancia media de 1,496·108 km. Debido a la radiación solar, la temperatura en la
superficie terrestre es alrededor de 250ºC superior a la temperatura que habría en la superficie si ésta dependiera solo del calor interno.
El Sol radia continuamente una potencia de 3,8·1023 kW, de los cuales la Tierra intercepta 1,7·1014
kW. La energía solar recibida en la atmósfera exterior de la Tierra en un año se conoce con el nombre de SERPY (Solar Energy Received Per Year) y corresponde a 1,55·1015 MWh, cantidad que
equivale aproximadamente a 12000 veces la energía consumida en el mundo, si se tienen en cuenta los datos publicados de producción y consumo energético mundial durante el año 2005 [British
Petroleum, 2006]. De la radiación recibida en la superficie exterior, el 30% se refleja al espacio, el 47% es absorbido por la atmósfera, mares y tierra para mantener la temperatura ambiente, y el
restante 23% se usa para mantener la convección atmosférica y el ciclo hidrológico.
El espectro solar. Componentes de la radiación solar
Las diversas formas que presenta la energía radiante se reúnen en el llamado espectro
electromagnético, dividido a su vez en diferentes bandas caracterizadas por sus frecuencias o longitudes de onda. La energía radiante se puede considerar como un haz de partículas o cuantos de
energía luminosa denominados fotones que viajan describiendo un movimiento ondulatorio a la
velocidad de la luz. Cada fotón tiene una longitud de onda, , y una cantidad de energía, E,
relacionadas entre sí por la constante de Planck.
Ciertas bandas de longitud de onda son conocidas con nombres especiales. La más conocida es el
espectro visible, que comprende el intervalo de radiación con longitudes de onda de 0,38 a 0,75 m.
La región infrarroja comprende la radiación con longitudes de onda de 0,75 a aproximadamente 100
m; las ondas de radiación de longitudes de onda que exceden los 100 m se conocen como ondas de radio. La región de radiación con longitud de onda inferior a la del visible comprende las regiones
del ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma. La radiación solar no es más que energía radiante que viene del Sol y en su espectro pueden distinguirse igualmente las distintas regiones del visible, infrarrojo y ultravioleta. El máximo de
intensidad del espectro solar cae en el centro del espectro visible que se extiende de 0,38 a
0,74 m.
¿Cree usted que la atmósfera terrestre tiene alguna influencia sobre la radiación solar que se recibe en la superficie de la Tierra?
La radiación solar, en su camino hacia la superficie terrestre, sufre al pasar por la atmósfera
atenuación debido a procesos de absorción y de dispersión (o difusión).
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La absorción de la radiación solar en la atmósfera, que produce una
disminución de su intensidad, se debe principalmente al ozono para la zona
ultravioleta del espectro y al vapor de agua y el dióxido de carbono en las
bandas del infrarrojo.
La dispersión de la radiación a su paso por la atmósfera, fenómeno más
conocido como scattering, está causada por la interacción de la radiación con las moléculas de aire, agua (vapor o gotas de condensado), y en general con
las partículas en suspensión. El grado de dispersión ocurrido es función del número y tamaño de partículas a través de las cuales la radiación solar debe
pasar.
La dispersión de la radiación solar provoca múltiples cambios en su dirección y, junto con la
absorción, una considerable disminución de energía. La fracción de la radiación solar que llega a la superficie terrestre sin una trayectoria definida (radiación multidireccional) se denomina radiación
solar difusa (Gd). La radiación difusa varía en un rango desde menos del 10% de la radiación
global, para condiciones de cielo claro y elevaciones solares altas (mediodía), hasta el 100% cuando el disco solar no está visible debido a la presencia de nubes.
La radiación solar directa (Gb) es aquella fracción de la radiación solar que llega a la superficie terrestre con una trayectoria bien definida, que es la que une al Sol con el punto donde está situado
el observador en la superficie terrestre. Por tener carácter vectorial, puede ser concentrada por lentes
o reflectores. Esta componente puede significar una fracción del 90% de la radiación global en días muy soleados (cielo claro), siendo nula en días completamente cubiertos por nubes.
La radiación reflejada (Gr), también denominada albedo, es la radiación que llega a una superficie determinada como consecuencia de la reflexión de la radiación solar en el suelo o en superficies
verticales. Normalmente representa una fracción muy pequeña de la radiación solar global, pero puede llegar a ser algo más del 40% de la radiación global.
La radiación global (G) sobre una superficie horizontal es la suma de estos tres componentes.
G = Gb(H) + Gd + Gr
donde Gb(H) es la radiación directa sobre el plano horizontal, i.e., Gb·cos , siendo el ángulo de
incidencia de la radiación solar, es decir el ángulo que forman el vector que une el sol con la tierra y
la superficie horizontal correspondiente.
Por tanto, en un día soleado predominará la radiación solar directa y en uno nublado, la difusa,
mientras que la reflejada depende siempre del entorno, y es muy importante en zonas nevadas o en
las ciudades con edificios altos.
Según qué componente o componentes de la radiación solar a utilizar se
requieren un tipo u otro de captadores solares térmicos
Importante
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2. Bases de datos para radiación solar
En el estudio y dimensionado de sistemas de aprovechamiento de energía solar térmica es necesario conocer la disponibilidad energética de la fuente, tanto cuantitativa como cualitativamente. Así, y
dependiendo del tipo de captador solar térmico a utilizar, es necesario determinar cada una de las
componentes de la radiación solar incidente en la superficie de aprovechamiento: directa, difusa y
reflejada.
Las bases de datos disponibles en internet o procedentes de paquetes de software comerciales constituyen una herramienta muy útil para verificar, al menos en primera
instancia, lo adecuado o no de un emplazamiento para una instalación solar térmica.
Reflexione por un momento ¿Qué datos cree que se usan para la construcción de estas bases de datos?
Efectivamente, estas bases de datos están construidas a partir de datos de
radiación de años anteriores, ya sean de sensores o de imágenes de satélite, ya que los
factores climáticos que condicionan la cantidad y forma de radiación que llega a una determinada superficie en la Tierra son imposibles de predecir con mucha antelación.
A continuación se presentarán algunas de las páginas web que proporcionan datos de radiación solar para países de Latinoamérica y Caribe
Internacional H-World
alumnos y previo pago a otros usuarios.
Dirección electrónica: http://www.censolar.es
Procedencia de los datos: Dispone de datos mensuales de todo el mundo. El
origen de estos datos son 2000 localidades de distintos países y origen entre los
que figuran Barbados, Belice, Bolivia, Brasil, Chile, Colombia, Costa Rica, Cuba,
Dominica, Ecuador, El Salvador, Gran Caimán, Guatemala, Guyana, Haití, Honduras, Martinica, México, Nicaragua, Panamá, Paraguay, Perú, República
Dominicana, Surinam, Uruguay y Venezuela Comentario: no se tiene información sobre la calidad de los datos
proporcionados
SoDa (SolarData) es una página resultado de un proyecto europeo que incluye datos de radiación
solar con muestreos temporales desde semi-horarios hasta mensuales de Europa, África y Brasil. Actualmente las descargas de información se encuentran restringidas.
Dirección electrónica: http://www.soda-is.com (también disponible desde la
página lanzadera http://www.helioclim.org) Procedencia de los datos: Los datos, según categoría y nivel, proceden tanto de
estaciones radiométricas como de imágenes de satélite.
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Comentarios: Utiliza tanto datos de sensores terrestres –cuya calidad de
medición se desconoce-, como mapas de satélite. Es capaz de generar mapas de radiación.
Meteonorm es una aplicación comercial orientada fundamentalmente a la generación de “Años Meteorológicos Tipo” (TMY) en los formatos requeridos por los programas de simulación de sistemas
solares térmicos más habituales (DOE, TRNSYS, PVSYST,...).
Dirección electrónica: http://www.meteonorm.com
Procedencia de los datos: Datos climatológicos de 7.400 estaciones de medida.
Comentarios: Utiliza tanto datos de sensores terrestres –cuya calidad de
medición se desconoce-, como mapas de satélite. Las series horarias que
proporciona son series sintéticas generadas a partir de una base de datos mensual incluida en el propio paquete; esta base puede enriquecerse con los
datos correspondientes a emplazamientos que el usuario introduzca.
SOLEMI es un servicio comercial operado por el DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt)
que ofrece diferentes niveles de información, desde estudios en un área espacial extensa a estudios para una localización concreta. Brasil es el único país de Latinoamérica y Caribe considerado.
Dirección electrónica: http://www.solemi.de/home.html Procedencia de los datos: Estimación a partir de imágenes del satélite Meteosat,
con resolución espacial de 2.5km y una resolución temporal de media hora
Comentarios: El nivel de información suministrado se acuerda y valora con los
interesados y puede incluir informaciones diversas como geomorfología, redes eléctricas, áreas protegidas, criterios de exclusión debidos a usos de suelo.
WRDC (World Radiation Data Centre) es una página que depende de la Organización
Meteorológica Mundial, a través del Russian Federal Service for Hydrometeorology and Environmental Monitoring y el NREL (National Renewable Energy Laboratory). Suministra datos de la Red
Radiométrica Mundial en la que están incluidas algunas estaciones de medida de radiación solar de
Argentina, Chile, Colombia y Venezuela.
Dirección electrónica: http://wrdc-mgo.nrel.gov Procedencia de los datos: Red Radiométrica Mundial
Comentarios: Gratuita vía e-mail. Suministra datos de 1964 a 1993. La página
no se actualiza desde el año 2002
BSRN (Baseline Surface Radiation Network) está formada por estaciones de medida de muy
alta calidad, entre las que se encuentra la de Plataforma Solar de Almería (PSA), España, y alguna de
Brasil. Se gestiona desde Suiza por el WRMC (World Radiation Monitoring Center).
Dirección electrónica: http://bsrn.awi.de/en/home Procedencia de los datos: 42 estaciones de medida con cobertura mundial Comentario: se prevé que en breve se podrán consultar los datos on-line
SSE-NASA. (Surface Meteorology and Solar Energy) está gestionada por la Web de Recursos en Energías Renovables, patrocinado por la NASA mediante el programa Earth Science Enterprise
Program.
Dirección electrónica: http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/ Procedencia de los datos: Estimaciones a partir de satélite. Cobertura mundial
Comentarios: Información gratuita, se solicita desde la misma página en el
formato deseado.
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EnergyPlus Weather Data ofrece datos climáticos para más de 2100 lugares en el mundo, entre las que figuran Argentina, Bolivia, Brasil, Chile Colombia, Ecuador, Perú, Paraguay, Uruguay y
Venezuela.
Dirección electrónica: http://apps1.eere.energy.gov/buildings/energyplus/weatherdata_about.cfm?CFID=763647&CFTOKEN=ac6780384023e2c0-A1BB644D-BF46-DBD3-
D5A448C5BEA6CA20 Procedencia de los datos: Estimaciones hechas en diferentes organizaciones
meteorológicas regionales y nacionales.
Solar and Wind Energy Resource Assessment (SWERA) ofrece mapas de radiación directa
horaria, años meteorológicos tipo y otras variables de interés para proyectos de viabilidad de energías
renovables, con una resolución de 40km en regiones de África, China, India, Sudeste de Asia y Latinoamérica y Caribe (Brasil, Cuba, Nicaragua, El Salvador, Honduras y Guatemala).
Dirección electrónica: http://en.openei.org/wiki/SWERA/Data
Energía Solar Térmica
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3. Balance energético
en un captador solar térmico
En este capítulo se describe, de forma general, cuáles son los mecanismos por los cuales es posible
aprovechar la energía solar por medio de un captador solar térmico. Para ello es necesario conocer los mecanismos de transferencia de energía térmica, así como los parámetros que caracterizan o
definen dichos mecanismos. Concretando estos conceptos para un captador solar térmico es posible
encontrar cuáles han de ser los requerimientos para un funcionamiento óptimo.
Funcionamiento térmico de un captador solar térmico
El funcionamiento térmico de cualquier captador solar térmico está determinado por el llamado
rendimiento global, , definido como la relación entre la potencia térmica que es capaz de
proporcionar, o potencia térmica útil Pútil, y la potencia procedente del Sol que se tome como
referencia, Psolar, es decir,
solar
útil
P
P (1)
La potencia térmica procedente del Sol, Psolar, no es sino el producto del área neta del captador que
intercepta la radiación solar, Ac, y de la irradiancia solar que se tome como referencia, Ec,,
solar c cP A E
En estado estacionario la potencia térmica útil, Pútil, es el resultado del balance entre la potencia
energética absorbida por el receptor, Pabsorbida, y la potencia que éste pierde hacia el ambiente, Pperdida,
perdidaabsorbidaútil PPP
No toda la potencia solar, Psolar, puede ser absorbida por el receptor. Existen una serie de pérdidas de
energía debidas tanto a la geometría y óptica del captador, como a las propiedades de los materiales
del propio receptor que hay que tener en cuenta (Ilustración 1). Se llama rendimiento óptico, opt, al
factor de corrección que da la potencia absorbida por el receptor a partir de la potencia solar
considerada. Es decir,
absorbida opt solarP P (2)
El receptor pierde energía hacia el exterior ya que, al incidir la radiación solar sobre él, se calienta, es decir, aumenta su temperatura respecto a la temperatura ambiente. Así, cuanto mayor es la
diferencia de temperaturas entre el absorbente, TA, y el ambiente, T , mayores serán las pérdidas de
energía. Las pérdidas del receptor también han de ser proporcionales al área de intercambio de esta
energía, es decir, al área del absorbente, AA. Al factor de proporcionalidad con este conjunto de variables se le denomina coeficiente global de pérdidas del receptor, UL, y tiene en cuenta todos
los intercambios de energía entre el absorbente y el ambiente. De esta forma se puede escribir que,
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TTAUP AALperdida (3)
Ilustración 1: Balance energético en un captador solar térmico
La razón de concentración, C, es la relación entre el área neta del captador que intercepta la
radiación solar, Ac, [Kreith&Kreider, 1978], y el área del receptor, AA, (área de pérdidas de energía hacia el ambiente exterior).
La potencia térmica útil viene dada por
TTAUEAP AALccoptútil
y el rendimiento de un captador solar térmico Autil L
opt
c c c
T TP U
A E C E
Todas las superficies en las que incide la radiación solar, ya sea para reflejarse –si se trata de
captadores con concentración por espejos-, para transmitirse –cubiertas de vidrio que protegen al absorbente del exterior- o para calentar un fluido –a través de un absorbente solar-, imponen una
atenuación de dicha radiación solar. Así, sabiendo que el rendimiento óptico, opt, es el porcentaje
que determina esa atenuación, se puede decir que tiene su origen en que:
en captadores de concentración, los espejos no son reflectores perfectos, por lo que hay que
tener en cuenta el valor de su reflectividad especular.
la cubierta de vidrio no es perfectamente transparente sino que deja pasar una proporción de la radiación incidente, determinada por su transmisividad.
la superficie absorbente tiene una absortancia de la radiación solar determinada.
en los captadores de concentración pueden existir errores en el posicionamiento del receptor
en el correspondiente foco, errores en la propia forma concentradora de los espejos, errores en el seguimiento del Sol que se traducen en rayos reflejados que no interceptan al
Importante
Psolar Pútil
Pérdidas térmicas
Pérdidas ópticas
CAPTADOR SOLAR TÉRMICO
Energía Solar Térmica
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absorbente, etc. Todos estos posibles errores se engloban en el llamado factor de interceptación
Según lo dicho anteriormente, con un coeficiente de pérdidas constante, cuanto mayor es el valor del rendimiento óptico, mayor será el rendimiento del captador. Así, cuanto mayores sean los valores de
las variables que lo definen, mejor será el rendimiento de los captadores.
¿El estado de limpieza del captador afecta a su rendimiento óptico y por tanto a su rendimiento global?
Por supuesto que sí…. La reflectividad de los espejos y la transmitancia de la cubierta vienen en gran parte determinada por la limpieza en el captador. Esto es especialmente
crítico en captadores de concentración, por lo que es importante, dentro de las actividades de mantenimiento de una planta de captadores de concentración, tener una estrategia
adecuada de mantenimiento y limpieza de los mismos.
Mecanismos de transporte de energía
La energía térmica se transporta de regiones de mayor temperatura a regiones en donde la temperatura es menor. Los mecanismos básicos de transferencia de esta energía son: radiación, convección y conducción, aunque ya se verá que entre estos dos últimos hay una estrecha
vinculación a escala microscópica. En la práctica, la transferencia de energía suele ocurrir por varios de estos mecanismos actuando en paralelo.
En los siguientes apartados se explican muy brevemente los fundamentos de estos tres mecanismos, así como algunos conceptos que permitan de forma rápida trabajar con bibliografía especializada en
el tema (para una descripción más detallada ver, por ejemplo, [Costa Novella, 1986], [Siegel&Howell,
1972], [Rohsenow et al., 1985]).
Radiación
La radiación térmica de un cuerpo es la radiación electromagnética emitida debido a su temperatura y a expensas de su energía interna. Esta radiación electromagnética cubre un rango de longitudes de
onda entre 0.1 y 100 m.
Para estudiar la radiación térmica a nivel macroscópico se recurre al concepto de cuerpo negro
(black-body) y a las leyes que gobiernan su comportamiento. Un cuerpo negro es un cuerpo ideal que absorbe toda la radiación que sobre él incide, cualquiera que sea su longitud de onda y su ángulo de
incidencia, y que emite la máxima energía posible. Las superficies reales no se comportan como cuerpos ideales o cuerpos negros ya que ni absorben toda la radiación que reciben ni emiten la
máxima energía posible y en la proporción en que lo hacen sí depende tanto de la longitud de onda como de la dirección de la radiación –ya sea absorbida o emitida-. Por eso los cuerpos reales –o más
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bien las superficies de esos cuerpos reales- están caracterizados por sendos factores llamados
absortancia, , y emitancia, , que consideran su desviación respecto del comportamiento ideal. El
flujo de energía emitido por un cuerpo negro es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura
absoluta (Ley de Stefan-Boltzman).
Conducción
Es el mecanismo de transferencia de energía que se produce entre dos cuerpos que están en
contacto físico. El flujo de energía transmitido por conducción por unidad de área atravesada es proporcional al gradiente de temperaturas a través de un factor llamado conductividad térmica. Es
característica del medio y función de la temperatura a la que se encuentre (Ley de Fourier.)
Convección
Es el mecanismo de transmisión de energía que tiene lugar entre un sólido y un fluido en virtud de
los movimientos macroscópicos del propio fluido. Este movimiento puede producirse por causas externas (por ejemplo, por un agitador, un ventilador o una bomba), en cuyo caso el proceso se
denomina convección forzada, o puede ser debido a un gradiente de densidad originado por un
gradiente de temperaturas, y entonces el proceso se denomina convección natural o libre.
A nivel macroscópico la convección se estudia a partir de la ley de Newton de enfriamiento, donde el
flujo de energía se considera proporcional a la diferencia de temperaturas entre la superficie sólida y el fluido por medio de un coeficiente de transferencia, h, sensible a la geometría del sistema así como
a las propiedades físicas y al perfil de velocidades del fluido.
Energía Solar Térmica
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4. Sistemas solares térmicos: del captador plano a los discos de concentración
Con energía solar se puede suministrar energía térmica a distintos niveles de temperatura. De hecho,
las principales características (necesidad de seguimiento del Sol y la relación de concentración) de los diferentes sistemas solares térmicos vienen determinadas por el nivel de temperatura que se requiera
(Ilustración 2)
Ilustración 2: Temperaturas proporcionadas por diferentes sistemas solares térmicos
Discos
Receptor central
Cilindro parabólicos
Fresnel
Diseños avanzados
Planos, de vacío Sin cubierta
100 200 300 400 500 600 Temperatura (ºC)
Calor de procesos industriales Refrigeración ACS y Calefacción Piscinas y secado de grano
Generación eléctrica
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Captadores de baja temperatura (menor de 125oC)
Para aplicaciones que requieran un fluido a baja temperatura (menor de 125ºC) se trabaja con
captadores sin seguimiento y con pequeña ó ninguna concentración. Existe una amplia variedad de modelos, diferenciándose principalmente por el fluido de trabajo y por el número y la
eficacia de barreras térmicas que incorporan para evitar pérdidas térmicas hacia el ambiente exterior
–i.e., un coeficiente de pérdidas bajo- y poder, así, alcanzar un determinado nivel de temperatura.
Los captadores sin cubierta se suelen utilizar para climatizar piscinas elevando unos cuantos
grados la temperatura del agua y alargando la temporada de baño. Estos captadores no son sino una
parrilla de tubos fabricados en polímeros de alta calidad que tienen una buena capacidad de
absorción de la radiación solar (color negro) y elevada durabilidad y por los que circula el fluido a
calentar.
El sistema de funcionamiento es bastante sencillo; una vez que el agua de la piscina ya ha pasado
por el sistema de filtración, en lugar de volver a ser enviada al vaso de la piscina, es enviada a los
captadores solares, donde se calienta y vuelve a ser enviada a la piscina.
¿Cómo podría reducir las pérdidas térmicas al exterior de estos captadores para piscina?
La mejor forma de reducir las pérdidas al exterior es aislando el captador. Este aislamiento
ha de ser transparente en la zona sobre la que incide la radiación solar y puede ser opaco
en el resto. Tenemos así los captadores planos con cubierta de vidrio.
Los captadores planos tienen una parrilla de tubos o similar, generalmente de cobre, por las que
circula el fluido a calentar. Esta parrilla está protegida del exterior por una caja metálica, de
aluminio y/o acero galvanizado, cuyas dimensiones habituales oscilan entre los 80 y 120 cm de
ancho, los 150 y 200 cm de alto, y los 5 y 10 cm de grosor, si bien existen modelos más grandes. La
cara expuesta al sol está cubierta por un vidrio (habitualmente templado y siempre de bajo
contenido en hierro para mejorar la transmitancia solar), mientras que las cinco caras restantes son
opacas y están aisladas térmicamente del exterior con lana de roca o similar. Para aumentar el área
de captación solar de la parrilla de tubos o conducciones se tiene un placa, normalmente de cobre o
aluminio, llamada absorbente, y a la que se le ha dado algún tipo de tratamiento para que
aumentando su capacidad de absorber la radiación solar –i.e., tener una absortancia alta-, tenga
pequeñas pérdidas por radiación –i.e., una emisividad baja-. A este tipo de superficies tratadas así se
les denomina selectivas.
El fluido que circula por el interior de los conductos puede ser
un líquido, que puede ser agua, glicol u otro tipo de anticongelante, o una
mezcla de agua y anticongelante. La elección de uno u otro depende de las
condiciones climáticas del emplazamiento del captador y de la posibilidad de
congelamiento del fluido por bajas temperaturas ambientales (Ilustración 3 (a)).
un gas como aire. La geometría de las conducciones por las que circula el aire
son tales que no tengan caídas de presión importantes a lo largo de su
recorrido –minimizando, así, el consumo en bombeo de aire- y que sean lo más económicas de fabricar. De aquí que suelan ser conducciones de sección
Energía Solar Térmica
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cuadrada, en lugar de tubos como se tienen cuando el fluido es agua o similar (Ilustración 3 (b)). Los captadores de aire suelen utilizarse en aplicaciones en
las que se requiera aire caliente directamente: sistemas de calefacción por aire
para grandes espacios, como naves industriales, y procesos de secado agrícola e industrial.
Ilustración 3: Esquemas generales de captadores solar térmicos con cubierta
(a) circula un líquido (agua y/o glicol) http://www.calefaccionsolar.com/calefaccion-
solar.html
(b) circula aire http://www.torsolar.es/servicios/aire_solar/jumbo
solar/
La emisividad de una superficie depende de la temperatura a la que ésta se encuentre y ello determina la longitud de onda que caracteriza la radiación
emitida (de acuerdo con la ley de desplazamiento de Wien). Los absorbentes de un captador solar térmico trabajan a unas temperaturas que podrían englobarse en el rango entre los 40ºC y 700ºC, lo
cual implica que emiten principalmente en el IR. El Sol, sin embargo, emite radiación principalmente
en el visible (su temperatura está en torno a los 5487ºC). Es por tanto deseable que la superficie del absorbente sea capaz de absorber la máxima energía posible en el visible (radiación emitida por el
Sol) y de emitir la mínima posible en el IR térmico (radiación emitida por el mismo absorbente). A las superficies con esta peculiaridad se las denominan selectivas.
Un paso más para reducir las pérdidas térmicas en el captador y, así, aumentar su rendimiento, es evacuar el aire que está contenido entre la cubierta de vidrio y el absorbente. Se tiene así los
llamados tubos de vacío.
Para saber +
Energía Solar Térmica
15
En los captadores planos con cubierta de vidrio la mayor pérdida de energía se produce por
conducción y convección entre la superficie captadora o absorbente (caliente) y el cristal de la
cubierta de vidrio (frío) a través del aire existente entre ellos. En un captador de tubos de vacío esto
no ocurre, ya que a través del vacío casi total entre el absorbente y la cubierta no se produce esta
perjudicial pérdida de energía, pudiéndose reducir el coeficiente global de pérdidas hasta un 45%.
El vacío no solo contribuye a la reducción de pérdidas, sino también a minimizar la influencia de las
condiciones climáticas externas sobre el funcionamiento del captador. Es por esto que este tipo de
captadores es adecuado en emplazamientos fríos y/o con diferencias elevadas entre la temperatura
del captador y la del ambiente.
Existen varias configuraciones de tubos de vacío:
Absorbente depositado sobre superficie vidriada. Se trata de dos tubos concéntricos de
vidrio entre los cuales se ha aspirado el aire produciéndose un vacío. En la superficie exterior del
vidrio interior es donde se deposita el recubrimiento absorbente que favorece la absorción de
radiación solar (absorbente). En el interior de este tubo de vidrio se sitúa un tubo por el que
circula el fluido a calentar, ya sea sin cambiar de fase –sistema de doble tubo- o cambiando de
fase y evaporándose –sistema heat pipe o tubo de calor- (Ilustración 4(a)).
Absorbente depositado sobre superficie metálica. Esta superficie se configura como una
aleta adosada al circuito del fluido a calentar. Normalmente en esta configuración se trata con
sistemas heat-pipe, pero también puede ser un sistema de doble tubo (Ilustración 4(b)).
Ilustración 4: Esquemas de tubos de vacío, [www.sitiosolar.com; www.anpasol-energiasolar.com; www.climacity.com, 2013]
(a) Superficie vidriada y heat-pipe (b) Superficie metálica y doble tubo
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El sistema de tubos de calor, caloducto o heat-pipe, en su nomenclatura
inglesa, consiste en un tubo cerrado por ambos extremos en cuyo interior hay un fluido que puede cambiar de fase entre evaporación y condensación al ser sometido a una
diferencia de temperatura. Al aplicarle calor en un extremo -en nuestro caso, debido a la incidencia de la radiación solar- se evapora el líquido de ese extremo y se desplaza al otro lado, ligeramente
más frío, condensándose y transfiriendo su calor latente (de cambio de fase) a otro fluido que es el
que utilizaremos, directa o indirectamente, para posteriores usos. Este sistema de heat-pipe es considerado como un superconductor térmico por lo eficaz de su funcionamiento y no solo se utiliza
en sistemas de energía solar, sino también en sistemas que requieran de una eficaz refrigeración,
como sistemas electrónicos e informáticos, por ejemplo.
Reflexione por un momento. Si los tubos de vacío marcan el límite de disminuir
las pérdidas térmicas, ¿cómo podría aumentar la energía térmica útil del
captador? Fíjese en la ecuación de la página 9 (capítulo 3) que proporciona dicha energía térmica útil.
Efectivamente, la forma ha de ser aumentando la superficie de captación (el Ac de la
ecuación). Para ello se necesita una superficie reflectante con la geometría adecuada para
que, siendo un sistema estacionario –i.e. no haciendo un seguimiento activo del sol-,
redirija la radiación hacia el absorbente. Los captadores que incorporan estos reflectores
concentradores estacionarios se denominan CPCs que es la abreviatura de captadores
Cilindro Parabólicos Compuestos.
Los captadores CPS suelen tener tubos de vacío con cualquiera de las configuraciones anteriormente
mencionadas.
Ilustración 5: Esquema de funcionamiento y vista ampliada de un captador CPC [www.ritter-xl-solar.com; andyschroder.com, 2013]
Para saber +
Energía Solar Térmica
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Captadores de media y alta temperatura
Debido a la baja densidad energética de la radiación solar, para niveles de temperatura por encima
de los 125ºC es necesario utilizar captadores solares de concentración. El grado de
concentración deberá ser tanto más alto cuanto mayor sea la temperatura que se desea conseguir,
siendo posible alcanzar temperaturas incluso superiores a los 2000ºC.
La concentración de la radiación solar puede realizarse de diversas formas, siendo las más comunes
las dos siguientes:
Utilización de una superficie reflectante (espejo) que concentra mediante reflexión la radiación
solar directa sobre un receptor o absorbente (Ilustración 6 (a)),
Utilización de lentes Fresnel o lentes convexas que concentran mediante refracción (Ilustración 6
(b)).
Ilustración 6: Métodos más comunes para concentrar la radiación solar directa.
a) concentración mediante reflexión b) concentración mediante refracción
Los captadores que utilizan espejos para concentrar la radiación solar son los más extendidos puesto que, y principalmente, permiten valores de concentración más altos y sus precios son mucho
menores que cuando se utilizan lentes.
La parábola es la única forma geométrica posible que puede tener un reflector para concentrar un
haz colimado de radiación en un punto. La focalización perfecta solo se consigue si el haz incidente es paralelo al eje de simetría de la parábola. Un haz colimado procedente de otras direcciones distintas a
ésta, no sólo no focaliza en un punto, sino que, debido a las aberraciones ópticas propias de un espejo, por no ser nunca perfecto, no converge en un punto.
Receptor
Lente de Fresnel
Radia
ció
n s
ola
r dire
cta
Receptor
Lente de Fresnel
Radia
ció
n s
ola
r dire
cta
Superficie
reflectante
Receptor
Radiación solar directa
Radiación solar directa
Superficie
reflectante
Receptor
Radiación solar directa
Radiación solar directa
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¿Qué componente de la radiación solar tiene una dirección clara y definida en el tiempo?
Efectivamente, la radiación solar directa tiene una trayectoria bien definida y, por tanto, es
la única aprovechable en sistemas solares térmicos de concentración.
Debido a que los sistemas solares con concentración utilizan solamente la radiación solar directa, y
puesto que la trayectoria de dicha radiación viene dada por la posición del Sol con respecto a la
Tierra, los captadores de concentración tienen que ir provistos de un sistema de movimiento que les
permita hacer un seguimiento del Sol a lo largo del día.
Atendiendo a la geometría del foco o lugar donde se transforma la radiación solar concentrada en
energía térmica, los sistemas de concentración se puede clasificar como
de foco puntual: discos parabólicos, sistemas de receptor central
de foco lineal: captadores cilindro-parabólicos, concentradores lineales Fresnel.
Los sistemas más desarrollados comercialmente son los de captadores cilindroparabólicos, y los que
menos son los concentradores lineales Fresnel, pero todos resultan interesantes.
Discos parabólicos. Los captadores de disco parabólico consisten en un concentrador de superficie especular
que enfoca los rayos del sol y los refleja en un receptor instalado por encima del disco en su punto
focal. Cada disco puede ser una unidad independiente
o ser un módulo de un sistema múltiple para producir potencia. El fluido en un disco parabólico puede
alcanzar temperaturas hasta 1500ºC y puede producir hasta 50 kW de electricidad o 150 kW de potencia
térmica.
Sistemas de receptor central. Utilizan espejos de gran
superficie (40-125 m2 por unidad) denominados helióstatos, que están dotados de un sistema de
control para que cada espejo refleje la radiación solar
directa sobre un receptor central situado en la parte superior de una torre (ver Fig. 7). En la zona focal se
sitúa un receptor que absorbe la energía reflejada por el campo de helióstatos, dependiendo la potencia
absorbida (hasta cientos de megavatios), del tamaño
del receptor y del tamaño del campo de helióstatos. El sistema entrega calor al fluido de transferencia a
temperaturas que sobrepasan los 1000ºC, el cual posteriormente puede usarse para alimentar
energéticamente un proceso industrial que requiera calor a esos niveles de temperatura, o bien producir
vapor en un intercambiador de calor para alimentar a
una turbina acoplada a un generador eléctrico.
Receptor /
Motor Reflector
Heliostatos
Receptor
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Captadores cilindroparabólicos. Estos
captadores redirigen la radiación solar
gracias a una superficie espejada, de sección transversal parabólica, hacia el
receptor. Este receptor suele ser un tubo cilíndrico por cuyo interior circula el fluido a
calentar y puede llegar a tener una superficie hasta 25 veces menor que el área
de captación de la energía solar (área de
apertura).
Concentradores Lineales tipo Fresnel. En
un concentrador lineal Fresnel la radiación
solar directa es reflejada por largos espejos rectangulares que poseen una curvatura
muy pequeña, y que reflejan la radiación solar sobre un tubo receptor común, el cual
está fijo y situado sobre los reflectores.
Cada reflector tiene su propio eje de giro y sistema de seguimiento solar, de forma que
giran independientemente unos de otros. En realidad, los Concentradores lineales tipo
Fresnel pueden considerarse como un híbrido entre los captadores
cilindroparabólicos y los sistemas de
receptor central, ya que tienen un receptor longitudinal semejante al de los captadores
cilindroparabólicos, pero sobre el tubo receptor se concentra la radiación solar
reflejada por varios espejos, de forma
semejante a los sistemas de receptor central.
Los hornos solares constituyen una variante que toma elementos de los
dos sistemas anteriores, con el fin de lograr una concentración muy alta en
una superficie relativamente pequeña. En ellos, un campo de helióstatos planos refleja los rayos solares paralelos y horizontales sobre un disco parabólico estático, el cual los
vuelve a reflejar concentrándolos en su foco donde está situada el área de ensayos. Estos sistemas pueden alcanzar concentraciones de hasta 10.000 soles, lo que equivale a una temperatura de
3500ºC, siendo especialmente adecuados para procesos que requieran temperaturas muy elevadas (superiores a los 1000ºC) y también para aquellos en los que el aporte energético sea necesario en
forma de choque térmico. El campo de aplicación de los hornos solares comprende principalmente el
tratamiento de materiales, tanto en condiciones ambientales como en atmósferas controladas y en vacío, y los procesos químicos, mediante receptores conectados a reactores químicos, siendo el
abanico de aplicaciones de estos sistemas cada vez más amplio.
Reflectores
parabólicos
Tubo receptor
Tuberías
Segmentos longitudinales
Ejes de giro
Tubo absorbedor
Para saber +
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5. Agua caliente sanitaria y calefacción solar
El calentamiento de agua sanitaria para uso doméstico es la aplicación tradicional de la energía solar térmica. Esto se debe a dos razones principales:
el rango de temperatura de la energía térmica necesaria cuadra perfectamente con captadores solares, incluso de bajo coste
la demanda de agua caliente sanitaria (ACS) es bastante uniforme a lo largo del año
Configuraciones posibles
Existen muchas formas de clasificar las diferentes tipologías y configuraciones de los sistemas solares
térmicos para ACS (Ilustración 7). Una primera aproximación genérica es diferenciar entre sistemas
directos e indirectos.
Sistemas Directos
Los sistemas directos o de circuito abierto (Ilustración 7 (a) y (b)) son aquellos en donde el agua de
consumo se calienta directamente en los captadores solares. Son sistemas con esquemas realmente
simples, donde el campo de captadores está directamente conectado a un tanque, que actúa de almacenamiento, existe una bomba de circulación, un sistema auxiliar alternativo y el correspondiente
sistema de control. Así, a medida que se va consumiendo el agua caliente, extraído desde la parte alta del tanque, el agua fresca entra al tanque por su parte baja y de ahí al campo de captadores.
¿Qué problemas o limitaciones prevé para los sistemas solares directos?
Efectivamente, la principal limitación del uso de estos sistemas viene dada por la
climatología del emplazamiento y el riesgo asociado de congelamiento del agua.
La mayoría de los anticongelantes de agua (glicol, principalmente) son tóxicos para el consumo humano, por lo que no pueden utilizarse en este tipo de sistemas. Las estrategias posibles cuando
existe un riesgo de congelación moderado son o bien vaciar campo de captadores al tanque de almacenamiento (drain-back, en nomenclatura inglesa) o bien mantener circulando una pequeña
cantidad de agua en el circuito de captadores.
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A la hora de diseñar estos sistemas directos hay que tener precaución y controlar que la presión del agua de red sea asumible por los captadores solares, y que el agua no sea muy dura, para evitar
excesos e incrustaciones calcáreas.
Sistemas indirectos
En los sistemas indirectos, o de circuito cerrado, (Ilustración 7(d) y (d)), existe un intercambiador
de calor entre el fluido que circula por el campo de captadores y el ACS. Este intercambiador aumenta el coste del sistema e induce una ligera penalización en la eficiencia del sistema, pero
asegura una eficaz protección antiheladas. Es la configuración indirecta la más usada.
Una de las claves principales para asegurar el buen funcionamiento de un sistema indirecto es el adecuado diseño del intercambiador de calor: cuando el tamaño del intercambiador se subestima, los
(a): sistema directo y termosifón
(b) sistema directo
(c) sistema indirecto con intercambiador integrado en tanque de almacenamiento
(d) sistema indirecto con intercambiador externo al tanque de almacenamiento
Ilustración 7: Esquemas generales de las configuraciones típicas de sistemas solares térmicos de baja temperatura [Rabl, 1985]
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captadores solares trabajan a temperaturas por encimas de las habituales, por lo que sus rendimientos son relativamente bajos; si se sobrestima el tamaño del intercambiador, se tiene un
sobre coste asociado que no compensa la mejora en el rendimiento de los captadores.
En los sistemas solares de circuito cerrado se utilizan muchos tipos de intercambiadores: externos
(Ilustración 7(d)) de placas, en forma de espiral e internos (Ilustración 7(c)) al tanque de
almacenamiento, etc. La ventaja de los intercambiadores integrados en el tanque de almacenamiento
es que se elimina la bomba del circuito de ACS. La dificultad de esta configuración, con intercambiador integrado en tanque, radica en mantener una buena estratificación en el tanque, es
decir, en no tener una zona de mezcla de agua caliente y fría importante y que las zonas de ACS caliente y fría estén claramente separadas entre sí (ver capítulo 10).
Ilustración 8: Esquema de funcionamiento con (a) circulación forzada. y (b) natural, [Terra, 2013]
Sistemas termosifón o circulación natural
Los sistemas termosifón no requieren el uso de bombas y sistemas de control para el circuito de
captadores solares (Ilustración 7(a)). El movimiento del fluido caloportador dentro del circuito
de captadores es debido a la menor densidad del fluido caliente respecto al frío. En este caso
el tanque debe colocarse a una altura por encima de los captadores para permitir la convección por diferencia de densidades. La fuerza motriz será tanto mayor cuanto mayor sea la diferencia de
densidades, es decir, la diferencia de temperaturas.
Puesto que estos sistemas funcionan sin bomba, son muy adecuados para aquellos emplazamientos
en donde existan fallos o total ausencia de suministro eléctrico. Los principales inconvenientes de
estos sistemas son debidos al posicionamiento del depósito en el tejado por encima de los captadores, lo cual implica tener un tejado con la suficiente resistencia estructural y puede
considerarse estéticamente inaceptable.
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Sistemas compactos
Especialmente populares son los equipos domésticos compactos, compuestos típicamente por un
depósito de entre 150 y 300 litros de capacidad y dos captadores de aproximadamente 1 m2 cada uno. Estos equipos, disponibles tanto con circuito abierto como cerrado, pueden suministrar el 90%
de las necesidades de agua caliente anual para una familia de 4 personas, dependiendo de la radiación y el uso de agua que se realice.
Ilustración 9: Equipos compactos
(a) con captadores planos [Made in China, (A), 2013,] (b) con tubos de vacío, [Made in China, (B), 2013,]
Orientación e inclinación de los captadores
Los captadores se deben situar de tal forma que a lo largo del período de utilización el equipo solar aproveche día a día el máximo posible de la radiación incidente. Por ello, preferentemente se
orientarán hacia el Sur geográfico, no hacia el Sur magnético (definido mediante una brújula). Para localizarlo se observará, por ejemplo, la dirección de la sombra proyectada por una varilla
vertical a las doce horas o mediodía solar. En la práctica, desviaciones de un 15% hacia el SE o SW,
con respecto a la orientación Sur preferente, no afectan al rendimiento ni a la energía térmica útil aportada por el equipo solar.
Además de la orientación, el ángulo de inclinación que forman los captadores con el plano horizontal es un factor importante en la eficacia del equipo solar. Los captadores deberían inclinarse,
en la medida de lo posible, de modo que los rayos de Sol incidan perpendicularmente en su superficie al mediodía solar. El ángulo de inclinación exacto de los captadores dependerá del uso del equipo
solar, pero siempre es cercano ( 10º) a la latitud geográfica. En una cubierta inclinada suele ser
preferible utilizar la inclinación propia de la cubierta, aunque está no sea la óptima, en beneficio de una mayor integración estética con el edificio. La consecuencia directa será la necesidad de una
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mayor superficie de captación -mayor número de captadores-, lo cual no tiene por qué repercutir negativamente en el coste del sistema, puesto que el instalar una estructura sobre un tejado
inclinado para tener la inclinación óptima tiene también una repercusión económica.
En una cubierta plana, sin sombras y sin limitaciones de tipo estético, normalmente se podrá adoptar la inclinación y orientación ideal, al igual que en instalaciones en jardines o similares. Otra posibilidad
es la integración de paneles en pérgolas con el doble objetivo de generar energía y aprovechar un espacio sombreado.
Calefacción solar
Los sistemas que combinan el aporte energético tanto para ACS como para calefacción se denominan
sistemas combinados o combi (combi-systems, en nomenclatura inglesa).
Estos sistemas combinados son básicamente los mismos sistemas que para ACS, pero aumentando el tamaño del campo de captadores. Esto hace que sistemas tipo termosifón no sean muy apropiados,
pues no permiten grandes áreas de captación.
Los sistemas combinados están diseñados de manera que en la época de altos niveles de radiación
pueden calentar completamente el agua de uso sanitario, en primavera y otoño contribuyen de forma importante a la energía necesaria para calefacción y en las épocas de muy bajos niveles de radiación
solar la principal responsable del aporte para calefacción es una fuente de energía auxiliar
(combustibles fósiles, biomasa, etc.).
En comparación con los sistemas solares para ACS, los sistemas combinados son mucho más
complejos al ser sistemas más grandes y tener interacciones con más subsistemas. Estas interacciones afectan profundamente al comportamiento global de todo el sistema combinado. Las
mayores diferencias entre los esquemas generales de los varios sistemas combinados radican en
cómo manejar la energía auxiliar y su relación con el tanque de almacenamiento: si almacenar o no esta energía auxiliar, el número de tanques de almacenamiento, los algoritmos de control, etc.
Para la mejor aplicación de la energía solar a la calefacción lo más recomendable es disponer de un sistema de calefacción mediante suelo radiante. El suelo radiante es un sistema de calefacción que
utiliza un circuito hidráulico cerrado cuyas tuberías circulan bajo el suelo, calentando el mismo.
Requieren temperaturas entre 30 y 40ºC, las cuales suelen ser ‘fácilmente’ conseguibles con sistemas solares térmicos. La calefacción radiante a través del suelo sólo presenta un inconveniente: que las
tuberías deben circular bajo el suelo. De esta forma, es necesario hacer la instalación o durante la construcción del edificio, o durante una reforma integral, pues de lo contrario la obra civil necesaria
hace que la instalación no sea rentable.
Este sistema de calefacción por suelo radiante se basa en la misma técnica
que ya usaban los romanos o que aún se utilizan en las glorias de la meseta castellana española. Estos sistemas tradicionales consisten en conductos
situados bajo el suelo que son atravesados por una masa de aire caliente que se ha generado
mediante una especie de horno hecho a tal efecto (gloria).
Para saber +
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Los emisores de baja temperatura, a diferencia de un radiador convencional, disponen de una elevada superficie de intercambio, ya que están compuestos por tubos de cobre con aletas de
aluminio de alta superficie de intercambio unidas mecánicamente, que permiten transmitir el calor
necesario mediante convección natural (radiadores de baja temperatura) o convección forzada (fan-coil). Trabajan con temperaturas de alimentación bajas, por debajo de los 50ºC, lo que les
hacen unos estupendos aliados de sistemas solares térmicos (además de las calderas de condensación).
Reflexione por un momento, ¿qué otras ventajas cree usted que tienen los
emisores baja temperatura?
Las principales ventajas adicionales de estos equipos son [Greenheiss, 2013]
Mejor sensación de confort: ya que la humedad relativa en invierno se mantiene dentro de límites más altos que con un sistema a alta temperatura.
Mejora de la eficiencia energética: por la disminución de las pérdidas de calor en la distribución y en los generadores, que permiten un aumento del rendimiento estacional o anual.
Mayor longevidad de la instalación: las temperaturas más bajas alargan la vida de los materiales de la instalación, en especial de los plásticos.
Instalaciones más seguras, ya que trabajar con temperaturas inferiores a 50ºC, reduce la temperatura superficial de los emisores, con lo que el riesgo de quemaduras queda eliminado.
Evidentemente, un sistema solar combinado se puede acoplar a un sistema de radiadores convencionales de alta temperatura (por encima de 65ºC), pero su capacidad de cubrir la demanda
energética de calefacción será mucho menor.
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6. Refrigeración y aire acondicionado solar
El utilizar energía solar para sistemas de aire acondicionado y refrigeración parece bastante lógico
teniendo en cuenta la simultaneidad del recurso, radiación solar, y las necesidades de aire
acondicionado.
Existen básicamente dos tecnologías que permiten el aprovechamiento de la energía generada en un
sistema solar térmico para refrigeración y aire acondicionado:
- sistemas térmicos de refrigeración que enfrían el agua de un circuito cerrado,
pudiéndose, por tanto, utilizar para cualquier equipamiento de aire acondicionado (Ilustración
10),
Ilustración 10: Esquema de un sistema de refrigeración de ciclo cerrado con aporte de energía térmica [Henning&Wiemken, 2007]
- ciclos abiertos de refrigeración, o sistemas refrigeradores por evaporación desecante
(desiccant evaporative cooling systems, DEC, en nomenclatura inglesa), que tratan directamente el aire a acondicionar (Ilustración 11).
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Ilustración 11: Esquema de un sistema de refrigeración de ciclo abierto con aporte de energía térmica [Henning&Wiemken, 2007]
Equipos térmicos de refrigeración en ciclo cerrado
Los principios básicos que rigen los equipos de refrigeración térmicos son los siguientes [Rotartica,
2009]:
Cuando un líquido se evapora absorbe calor y cuando se condensa cede calor.
La temperatura de vaporización de un líquido es función de la presión, de tal forma que a
menor presión, menor es la temperatura necesaria para vaporizar un líquido.
Existen parejas de productos químicos que son fácilmente disolubles uno en el otro.
En las parejas de componentes químicos hay uno, llamado refrigerante, que es el que sufre los
procesos de evaporación/condensación y otro que se denomina absorbente.
Estos principios también se aplican a los sistemas de refrigeración convencionales con un ciclo
mecánico de compresión de vapor. En estos equipos, el refrigerante evaporado a baja presión provoca enfriamiento y luego es comprimido en un compresor mecánico a una presión mayor,
condensándose a continuación (Ilustración 12(b))
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Ilustración 12: (a) Ciclo de compresión mecánica de vapor (b)Ciclo de absorción, [Rotartica, 2009]
En las máquinas térmicas de refrigeración, el evaporador y condensador son lo mismo pero el sorbente y el generador térmico reemplazan la función del compresor, con una bomba para proporcionar el cambio de presión. En el ciclo de sorción la fuente de energía térmica puede ser
cualquiera –combustión de combustibles fósiles o renovables, calor residual-, siendo para el caso de
un sistema solar térmico agua a temperatura entre 90ºC y 120ºC. Esta energía se aplica al generador, donde a una presión alta el refrigerante se evapora y pasa al condensador donde se
condensa y cede calor. En el siguiente paso, el refrigerante circula por una válvula de expansión y pasa a una cámara a baja presión donde se evapora de nuevo a baja temperatura, para pasar al
sorbedor, donde se diluye con el sorbente pobre en refrigerante que había aparecido aquí al principio del ciclo. En este momento, la mezcla de refrigerante-sorbente vuelve al generador donde el ciclo
comienza de nuevo. En la mayoría de los sistemas, y para asegurar que se reduce convenientemente
la temperatura del sorbente, disipándose adecuadamente el calor del condensador, es necesario instalar una torre de refrigeración.
Se habla de Absorción cuando el sorbente es un líquido y Adsorción cuando es un sólido. La mayoría de las máquinas refrigerantes térmicas de sorción comerciales son de Absorción. Se tienen con un
amplio rango de capacidades y características específicas según las diferentes aplicaciones. Las
máquinas de absorción pueden ser de simple efecto o de doble efecto, dependiendo de si la energía térmica se suministra una o dos veces –en serie- al ciclo termodinámico anteriormente
descrito. Los ciclos simple efecto requieren temperaturas de la fuente térmica entre 80ºC y 100ºC, por lo que estas máquinas están generalmente acopladas a sistemas con captadores planos o de
vacío. Las máquinas de doble efecto necesitan una fuente térmica entre 140ºC y 160ºC, por lo que requieren sistemas solares de concentración.
Ciclos abiertos de refrigeración solar
Mientras que en los sistemas térmicos de refrigeración producen agua fría para refrigeración y aire acondicionado, los ciclos abiertos refrigeran y deshumidifican directamente el aire a acondicionar.
Cualquier sistema de ciclo abierto para refrigeración está basado en la combinación de un proceso de
enfriamiento evaporativo y de un proceso de deshumidificación el aire gracias a la presencia de un
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material higroscópico. De nuevo este material puede ser líquido o sólido. La mayoría de los ciclos usados actualmente utilizan ruedas desecantes (dessicant wheels, en nomenclatura inglesa) según el
proceso que se describe a continuación [Henning &Wiemken, 2007]
1 2: Deshumidificación del aire por sorpción, absorción si el sorbente es un líquido, adsorción
si es un sólido, que es lo más habitual. El calor generado en el proceso de sorción se
utiliza par calentar el aire a su paso por la rueda desecante.
2 3: Pre-enfriamiento del aire gracias al intercambio de energía con una contracorriente de
aire procedente del espacio a acondicionar.
3 4: Enfriamiento evaporativo por humidificación, en el grado deseado, del aire a
acondicionar.
4 5: Este calentador solo se utiliza cuando se tienen necesidades de calefacción en el espacio
a acondicionar.
5 6: Calentamiento leve del aire a su paso por el ventilador que hace de bomba de impulsión
al recinto a acondicionar.
6 7: El aire se humidifica y calienta debido al propio uso del espacio a acondicionar
7 8: El aire de retorno –línea azul- se enfría por evaporación.
8 9: El aire de retorno se precalienta en un intercambiador aire-aire.
9 10: Aporte de calor por medio de una fuente de energía térmica, en este caso por un
sistema solar térmico.
10 11: La rueda desecante se recarga con el agua del aire caliente.
11 12: El aire seco y caliente se expulsa a la atmósfera, gracias a un ventilador.
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Ilustración 13: Ciclo estándar desecativo usando una rueda desecante, [Henning&Wiemken, 2007]
Este ciclo de acondicionamiento de aire no es aplicable a climas con niveles de humedad ambiental
altos, porque la capacidad deshumidificadora del ciclo es limitada.
Desarrollo en países de Latinoamérica y Caribe
A pesar del altísimo potencial, pocas son las iniciativas de desarrollo de sistemas de frío solar en Latinoamérica y el Caribe
“…vemos República Dominicana como una excelente oportunidad de negocio por su necesidad de soluciones energéticas distribuidas y altamente eficientes. Por ello, hemos seleccionado a Total Energy Solutions y juntos esperamos crecer de una forma sólida” así expresaba Pedro Luís Rodríguez,
en su entrevista a la revista Energías Renovables en septiembre de 2010 (www.energías-renovables.com, 2010) su confianza en el potencial mercado para las máquinas de absorción de
Climatewell en este país Latinoamericano. En ese mismo año se establecieron filiales de Climatewell en Chile y Colombia.
Un convenio entre la Universidad Católica (UCA) y la Facultad de Ingeniería de la Universidad
Nacional de Asunción (UNA), ambas de Paraguay, la argentina Universidad Nacional de General Sarmiento, y con apoyo de Itaipú, permitió lanzar en 2011 un programa de formación de 40 horas
denominado “Introducción a la refrigeración solar por absorción”, cuyo objetivo fue la fabricación de heladeras alimentadas con paneles solares para refrigerar alimentos de los indígenas del Chaco
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(Paraguay). Las máquinas refrigeradoras tienen una tecnología muy simple en donde se utilizan tuberías de cobre para agua, carbón activado y metanol. Las heladeras pueden preservar alimentos
además de hacer hielo para uso diverso. Parece ser que este programa de formación fue una réplica
de una experiencia argentina, desarrollada el año anterior con productores de cabras, a quienes se enseñó a fabricar este tipo de refrigeradores, con la perspectiva de encarar una actividad
microempresarial para su comercialización en una segunda etapa.
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7. Calor solar para procesos industriales
De acuerdo a la estadística publicada por la Agencia Internacional de la Energía sobre datos de 2009,
en Latinoamérica el industrial es el sector con el consumo energético más importante, suponiendo
alrededor del 34% del total, seguido muy de cerca por el sector transporte (31%) y el residencial y
terciario1 (27%) [IEA, 2010]. Las principales fuentes de energía utilizadas en la industria fueron el
biocombustibles y residuos (28% del total), gas y productos petrolíferos (con un 22% del total cada
uno), electricidad (con un 21%) y carbón y turba, con un 6%.
El crecimiento progresivo de la demanda, así como la dependencia energética del exterior justifican
todos los esfuerzos posibles para fomentar la reducción del gasto energético con combustibles fósiles
potenciando, principalmente, una gestión energética más eficiente, y el uso de energías renovables.
Es entre las energías renovables donde la solar térmica puede y debe adquirir un papel relevante, ya
que permite la obtención directa de la energía térmica necesaria para muchos procesos industriales
Varios proyectos financiados por la Comisión Europea (proyectos POSHIP, PROCESOL I y II) han
verificado el enorme potencial de aplicación de la energía solar térmica en la industria, así como la
viabilidad técnica y económica de tales aplicaciones a corto (procesos a baja temperatura, i.e., a
menos de 80ºC), medio (procesos a media temperatura, i.e, entre 80ºC y 250ºC) y largo plazo
(procesos a alta temperatura, i.e., a más de 250ºC).
La apuesta internacional por la extensificación del uso de la energía solar
térmica en la industria, concretamente en la industria agraria, se evidencia
por primera vez en el año 2000 con la puesta en marcha de la Tarea 29 sobre Secado Solar de Cultivos bajo el paraguas de la Agencia Internacional de la Energía [SHC,
2012a]. Posteriores tareas han continuado este trabajo ampliando el marco de actuación a todo tipo de procesos. Así se tuvo la Tarea 33/IV sobre Calor Solar para Procesos Industriales (2003-
2007, [SHC, 2012b]) o la actual Tarea 49/IV sobre Integración de calor Solar en procesos
Industriales (2012-2015, [SHC, 2012c])
La energía demandada en una industria puede tener diferentes formas, pudiéndose agrupar en dos
modalidades generales:
energía eléctrica: para motores, compresores, máquinas de frío y otros, y
energía térmica: procesos metalúrgicos, calentamiento de fluidos y producción
de vapor, principalmente. Esta energía térmica, tradicionalmente, suele estar
suministrada por calderas y, en algunos casos más innovadores, por la
recuperación de calor residual de otras fases del mismo proceso industrial.
1Incluye residencial, comercial y servicios públicos, agricultura, pesca e inespecífico.
Para saber +
Energía Solar Térmica
33
Claves para la integración de plantas solares
Debido a los requerimientos propios de cualquier industria, lo usual es que una planta solar no
suministre el total de sus necesidades energéticas, sino que, junto con una fuente de energía convencional, forme parte del sistema general de suministro energético de la industria. Normalmente,
los actuales sistemas convencionales aportan energía térmica –ya sea en forma de vapor o de agua
caliente- sin tener muy en cuenta el nivel final de temperatura requerido por el proceso. Así, muchos sistemas proporcionan vapor a 150ºC-180ºC cuando el proceso necesita temperaturas por debajo de
los 100ºC. Si parte de la energía térmica necesaria para dicho proceso es suministrada por una planta termosolar, es imprescindible tener en cuenta los niveles de temperatura del proceso y optimizar los
flujos de energía involucrados. Esto es realmente crítico cuando el proceso al que se acopla la planta
termosolar es un proceso industrial. Intentar integrar una planta termosolar a un proceso industrial que no haya sido optimizado es, por tanto, un sinsentido.
La integración de una planta termosolar en un proceso es un gran reto tanto
para el ingeniero de procesos como para el experto solar en donde hay que
tener en cuenta varios aspectos, entre los que destacan
la temperatura y eficacia del proceso,
el medio de transferencia de calor, y
el perfil de consumo.
Nivel de temperatura de proceso
Al igual que se diferenciaban los diferentes sistemas solares térmicos según el nivel térmico
proporcionado, los procesos industriales pueden clasificarse según el nivel de temperatura requerido (baja, media y alta temperatura), de tal forma que es este nivel de temperatura el que determina el
sistema solar térmico apropiado.
Los procesos industriales por debajo de los 250ºC (a baja y media temperatura) son, en la
actualidad, económicamente rentables y cuentan con varios ejemplos reales de instalaciones solares
térmicas integradas. Bajo este límite de temperaturas, se pueden distinguir cuatro sectores industriales adecuados para la integración de calor solar. De acuerdo a la denominación de la Tabla
1, se trata de:
Alimentación, bebidas y tabaco: productos lácteos, conservas vegetales y frutales,
preparados cárnicos, productos de bollería y pastelería, secado de productos, destilerías,
etc.
Textil y cuero: teñidos, curtido, lavanderías, etc.
Industria química: cosméticos, detergentes, fármacos, etc.
Caucho y materias plásticas
Estos sectores comparten unos mismos procesos para los que se necesita baja/media temperatura
(Tabla 1) como son la esterilización y pasteurización, secado, hidrolizado, destilación y evaporación,
limpieza y lavado, etc.
Importante
Energía Solar Térmica
34
Tabla 1: Nivel de temperatura requerido para diferentes procesos industriales según sectores, [Schweiger et al., 2000].
Mirando la Tabla 1, conteste a la siguiente pregunta, ¿todos los procesos de
secado requieren el mismo rango de temperaturas de operación?
En la Tabla 1 se puede observar fácilmente que no, que dependiendo del sector industrial
al que se aplique el proceso concreto, se requieren unos niveles térmicos u otros. Así, por
ejemplo, los procesos de secado en la industria láctea requieren entre 120ºC y 180ºC, en el ámbito textil, entre 100ºC y 120ºC, en el secado de madera entre 30 y 100ºC, etc. Y cada
uno de estos niveles térmicos se consigue con diferentes sistemas solares.
Los procesos industriales a alta temperatura (por encima de 400ºC), al igual que los de
media y baja temperatura, son procesos susceptibles de ser tratados mediante calor de proceso solar,
aunque su viabilidad técnica y económica se encuentra aún en fase de investigación, habiéndose desarrollado con éxito numerosos proyectos a escala preindustrial (decenas o centenas de kW). Cabe
destacar que aunque la tecnología solar térmica necesaria para abordar estos procesos a escala industrial existe y ya es comercial para otras aplicaciones como la generación de electricidad, en el
caso de la generación de calor solar para procesos industriales es necesario desarrollar dispositivos,
prototipos e instalaciones específicas para cada tipo de proceso, adecuando los receptores a las
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Energía Solar Térmica
35
especificaciones y requerimientos del sistema de manera que se pueda demostrar en cada caso su viabilidad tecnológica.
Los principales sectores industriales que por sus características y altos requerimientos energéticos
pueden ser identificados como susceptibles de ser tratados mediante calor de proceso solar de alta temperatura son aquellos que por lo general implican procesos de síntesis, obtención y tratamiento
de materiales, residuos o productos químicos a alta temperatura, tales como:
Industria metalúrgica
Industria química.
Industria cerámica.
Producción de cemento, cal y yeso
Fabricación de vidrio.
Tratamiento de residuos a alta temperatura
Un estudio financiado por la Oficina Federal Suiza de Energía (BFE) y
realizado por el Instituto Paul Scherrer y el ETH (Swiss Federal Institute of
Technology de Zúrich), ambos de Suiza, ha demostrado la viabilidad técnica del proceso de producción de cal de elevada pureza en un horno solar de alto flujo (10kW). Las
estimaciones económicas de una planta de calcinación de mayor tamaño (25MWth), usando un sistema solar de receptor central, indican que el coste de la cal solar producida oscilaría entre los 128
y 157$/t, [Meier, 2005], aproximadamente dos veces el actual valor de la cal convencional producida
con petróleo como fuente de energía.
Medio de transferencia del flujo de energía
Una vez determinado el nivel de temperatura requerido, se ha de tener en cuenta la posible sinergia entre los medios de transferencia de calor en el proceso industrial y el utilizado en el sistema solar.
Así, por ejemplo, si el proceso industrial requiere aire caliente para secado, sinterizado, etc., lo más adecuado en la mayoría de los casos es que el fluido que se calienta en el sistema solar sea también
aire. Si por el contrario se trata de un proceso de limpieza o de cocinado de alimentos, será líquido el
medio de transferencia común utilizado en ambos sistemas: el industrial y el solar. El medio de transferencia en un sistema solar determina, principalmente, el diseño del receptor. Así cuando se
trabaja con gases/aire el receptor suele ser algún tipo de matriz volumétrica, mientras que si se trabaja con líquidos el receptor suele tener una configuración tubular. Sin embargo, por cuestiones
económicas y de diseño, existen muchos casos en donde los medios de transferencia de calor en el
proceso industrial y en el sistema solar son totalmente distintos.
Para saber +
Energía Solar Térmica
36
Perfil de consumo
Por último, a la hora de optimizar la integración de un sistema solar, es necesario tener en cuenta la
variación temporal o perfil de consumo del proceso industrial y su coincidencia con niveles de radiación solar altos.
Es importante resaltar que los perfiles de consumo de un proceso industrial suelen ser muy diferentes de los perfiles que suelen aplicarse para cálculos de instalaciones solares térmicas en otro tipo de
integraciones como son las de consumo residencial o ACS. Aunque en muchos casos existe la opción
de almacenamiento térmico de energía, los procesos industriales más interesantes para acoplar un aporte solar son aquellos, por ejemplo, con altos consumos energéticos térmicos en verano. Así, para
media y baja temperatura son las conserveras de vegetales, la fabricación y envasado de zumos, etc., las industrias mejor candidatas.
Ejemplos de instalaciones solares en países de Latinoamérica y Caribe
Secado de frutas y hortalizas en Nicaragua
“El secado solar es una técnica de preservación de la comida que ha sido practicado por miles de años”. Así empieza La guía práctica de secado solar por las frutas en Totogalpa, Nicaragua, editado por la Grupo Fénix y las Mujeres Solares de Nicaragua.
Mujeres son también las beneficiarias y gestoras del proyecto de “Secador solar para la diversificación
del proceso productivo de la planta procesadora de frutas y hortalizas en el Trópico Seco de Matagalpa, Nicaragua”. Con este proyecto se ha construido, a mediados de 2011, un sistema de
secado con una capacidad de unos 30m² de área de secado. El sistema está compuesto de 20 captadores solares térmicos, con un área total de 40m², y dos cámaras de deshidratado con 60
bandejas de malla metálica de acero inoxidable cada una.
Ilustración 14: Esquema del procesado y secado de frutas y hortalizas
El equipo consigue una reducción de costes importante, frente al sistema convencional basado en gas
licuado. De hecho, esa reducción de costos permite un mayor aprovechamiento del recurso ya que
Energía Solar Térmica
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“antes perdíamos nuestra cosecha porque el producto se maduraba, ahora podemos venderlas en el mercado y almacenarlas sin problema”
En Cinco Pinos, 30 m² de área solar alimentan 6 cámaras de secado (25 kg con 10 bandejas de acero inoxidable, cada una), 150kg de fruta fresca. A pesar de ser una comunidad rural alejada,
también cuenta con secadoras para madera y granos básicos, pues cuenta con un centro de capacitación para jóvenes de las comunidades cercanas (www.cona.at, 2013).
Con el mismo tipo de sistema solar por aire de Cinco Pinos hay instalaciones
para secado de fruta en El Salvador, Guatemala y Cuba. También hay instalaciones en Latinoamérica y caribe de secado de café y madera.
(www.cona.at, 2013).
Secado de café en Perú
El proyecto lleva el nombre de
Intikallana que, en quechua, significa “tostador solar”.
El sistema utiliza un concentrador solar de foco puntual con un
reflector Scheffler (en honor a su inventor) que no es sino un disco
parabólico formado por pequeños
espejos planos (Ilustración 15).
En el desarrollo y puesta a punto
de la instalación ha corrido a cargo
del Grupo de Apoyo al sector Rural (GRUPO PUCP) y se ha instalado
en Huyro, distrito de Convención en el departamento de Cuzco,
Perú.
Con el mismo tipo de concentrador solar existe toda una comunidad a nivel mundial (India, Afganistán, Egipto, Kenia, Norte de Coreo, etc.) que lo
utiliza como fuente energética para cocinas. Entre los países en donde se
utiliza esté sistema se encuentra Méjico, Brasil, Cuba y Bolivia
[solarcooking.wikia.com/wiki/Scheffler_Community_Kitchen, 2013]
Ilustración 15: Puesta a punto de un dispotivo solar para secadod e café, en Perú (http://www.energias-renovables.com)
Para saber +
Para saber +
Energía Solar Térmica
38
Industria minera en Chile
Operativa desde noviembre de 2012, la planta propiedad de Minera El Tesoro (del grupo Antofagasta
Minerals) ha sido la primera planta termosolar de concentración en entrar en funcionamiento de toda Sudamérica. Se trata de una planta de 1280 captadores cilindroparabólicos PT1 (Ilustración 16) de
Abengoa Solar, capaces de producir 14MWth que son utilizados, principalmente, para el
calentamiento de las soluciones en la planta de electrodeposición. La planta incorpora almacenamiento de energía térmica, lo que le permite suministrar energía térmica durante los
períodos nublados y tras la puesta del sol.
Esta planta solar permite sustituir el 55% del diésel empleado tradicionalmente.
Ilustración 16: campo de captadores cilindroparabólicos de Minera El Tesoro [www.abengoasolar.com, 2013])
Energía Solar Térmica
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8. Tecnología de foco lineal: captadores Cilindroparabólicos y Fresnel
Los sistemas de foco lineal son aquellos que redirigen la radiación solar (directa), mediante un sistema de concentración por espejos, a un receptor lineal situado en la línea focal del sistema de tal
concentración. El fluido que circula por el interior del receptor se calienta, transformando así la radiación solar en energía térmica.
Componentes de captadores cilindroparabólicos
Los captadores cilindroparabólicos (CCP) son aquellos cuyo sistema de concentración tiene la sección
transversal de una parábola y un foco lineal en el que se sitúa el receptor (Ilustración 17).
Ilustración 17: Principio de funcionamiento y componentes de un CCP.
Reflector cilindro parabólico
Tubo absorbedor
Estructura
Reflector cilindro parabólico
Tubo absorbedor
Estructura
Reflector cilindro parabólico
Receptor
Estructura
Energía Solar Térmica
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El concentrador parabólico más usado en la actualidad está formado por espejos de vidrio de 3,5mm de espesor, con una fina película reflectante de plata en su cara posterior, y curvados en
caliente para que en frío tengan la forma de la parábola que se desea. El concentrador no está
formado por una única pieza de vidrio, sino por varias de ellas que en su conjunto forman la parábola reflectante.
El receptor (Ilustración 18) es uno de los elementos fundamentales de todo CCP, ya que de él
depende en gran medida el rendimiento global del captador. El tubo absorbedor de un CCP consta de
dos tubos: uno interior metálico (por el que circula el fluido que se calienta) y otro exterior de cristal (cubierta).
El tubo metálico o absorbente lleva un recubrimiento selectivo que posee una elevada absortividad
(>90%) en todo el espectro solar y una baja emisividad en el espectro infrarrojo (<30%), lo que le
proporciona un elevado rendimiento térmico. Hay diferentes tipos de recubrimientos selectivos. Los
más asequibles están compuestos por una película de cromo, níquel o cobalto negro, que poseen una
buena absortividad y una emisividad moderada. El único inconveniente es que no pueden trabajar a
temperaturas superiores a los 300ºC, porque se degradan rápidamente y su emisividad aumenta.
Para temperaturas superiores (hasta 550ºC) hay que recurrir a recubrimientos selectivos obtenidos
por sputtering, PVD (Physical Vapour Deposition) o sol-gel, que consiguen una absortividad del 95%
y una emisividad del 15% e incluso menor a 300ºC. El principal problema de los recubrimientos
mediante PVD o sputtering es que la mayoría de ellos se degradan en contacto con el aire cuando
Tubo de acero con
recubrimiento selectivo Cubierta de vidrio'Getters' pra mantenimiento
del vacio Fuelle metálico
Oliva de evacuación Vacio entre el vidrio
y el absorbedorUnión Vidrio-Metal Brida
Tubo de acero con
recubrimiento selectivo Cubierta de vidrio'Getters' pra mantenimiento
del vacio Fuelle metálico
Oliva de evacuación Vacio entre el vidrio
y el absorbedorUnión Vidrio-Metal Brida
Ilustración 18: Esquema general y foto parcial del receptor de un captador solar cilindroparabólico
Energía Solar Térmica
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están calientes, por lo que requieren que exista un alto vacío (10-8 bar) en la cámara que queda
entre el tubo metálico interior y la cubierta de cristal.
Para absorber las escasas moléculas de las diferentes substancias que, con el
paso del tiempo, pueden ir penetrando en el espacio anular que hay entre el absorbente y la cubierta de vidrio, se colocan unas piezas pequeñas, con
forma redonda o plana, llamadas getters.
La cubierta de vidrio que rodea al tubo interior metálico tiene una doble misión: proteger el
recubrimiento selectivo de las inclemencias meteorológicas, y reducir las pérdidas térmicas por
convección en el tubo absorbedor. El tubo de cristal que conforma la cubierta de vidrio suele llevar un
tratamiento anti-reflexivo en sus dos caras (interior y exterior), para aumentar su transmisividad y
aumentar el rendimiento óptico del captador
Reflexione por un momento sobre la Ilustración 18, ¿para qué cree usted que es
necesario el fuelle metálico?
Efectivamente, las dilataciones térmicas del tubo metálico y de la cubierta de vidrio son
muy diferentes entre sí, por lo que se ha de introducir un fuelle metálico que absorba la
mayor dilatación de la tubería metálica o absorbente.
El tipo de fluido que circula por el receptor de los captadores o fluido de
trabajo depende de la temperatura que se desee alcanzar.
Si las temperaturas que se desean son moderadas (<175ºC) la utilización de agua
desmineralizada como fluido de trabajo no conlleva grandes problemas, ya que la presión de trabajo no es excesiva. En cambio, se utiliza aceite sintético en aquellas aplicaciones donde se
desean temperaturas más altas (125ºC < T < 400ºC). La explicación de este hecho estriba en que
para temperaturas altas las tuberías estarían sometidas a elevadas presiones si el fluido de trabajo es agua, porque para evitar que se evapore el agua es necesario mantenerla en todo momento a una
presión superior a la de saturación correspondiente a la temperatura máxima que se alcance en los captadores solares.
Imaginemos que utilizamos agua y por medio de captadores
cilindroparabólicos la calentamos hasta 315ºC. Sabiendo que el agua a
presión atmosférica vaporiza a 100ºC, si no aumentamos la presión en el circuito tendremos vapor en los captadores a esa temperatura de 315ºC. La presión a la que tendría
que trabajar el circuito para seguir teniendo agua líquida sería de unos 100 bar (~100 atmósferas).
Para saber +
Importante
Ejemplo
Energía Solar Térmica
42
Esta condición de trabajo implica una circuitería muy robusta y preparada para tales presiones. Sin
embargo, si utilizamos aceite en el campo de
captadores y luego un intercambiador de calor con agua, sólo se necesitará una presión de menos de
20 bares en el circuito de captadores. Trabajar a menores presiones posibilita usar materiales más
económicos para las tuberías y simplifica la
instalación y sus medidas de seguridad.
Para poder concentrar sobre el tubo absorbente la
radiación solar, el captador debe seguir al Sol durante el día, para lo cual necesita de un
sistema de seguimiento solar que va cambiando la posición del captador conforme la
posición aparente del Sol en el cielo va
cambiando. Los captadores cilindroparabólicos pueden tener seguimiento en uno o dos ejes.
Cuando el seguimiento es en un eje, éste puede estar orientado Norte-Sur o Este-Oeste. Sin
embargo, cualquier orientación es posible en
principio.
El sistema de seguimiento solar consta de una unidad motriz y de un control local que la gobierna. La unidad motriz es la que gira el captador alrededor de su eje cuando y en el sentido que le ordena el
control local. La unidad motriz puede ser mecánica o hidráulica. Las unidades motrices mecánicas son apropiadas para captadores de tamaño pequeño o mediano, mientras que los captadores de gran
tamaño (~6m de ancho de apertura) requieren unidades motrices más potentes y es necesario recurrir a unidades de tipo hidráulico.
Los captadores cilindroparabólicos necesitan de una estructura metálica que dé rigidez al conjunto de elementos que los componen, a la vez que actúa de interfase con la cimentación del captador.
Concentradores lineales tipo Fresnel
Estos concentradores solares tienen un cierto carácter híbrido entre los captadores cilindroparabólicos
y los sistemas de receptor central, y nacieron con el fin de lograr una tecnología que permitiese
reducir el coste de la energía de origen solar térmico. Puesto que el grado de concentración que
permiten obtener estos sistemas es similar al de los captadores cilindroparabólicos, sus temperaturas
de trabajo también son similares. No obstante, el rendimiento de los concentradores lineales Fresnel
es menor porque aprovechan una menor fracción de la radiación solar directa. Este inconveniente se
ve, al menos en teoría, compensado por un menor coste de inversión debido principalmente a:
espejos y estructuras soporte más ligeras y económicas
Ilustración 19: Rotación del captador sobre su eje (eje
orientado N-S)
Mañana Tarde
Movimiento Aparente Diario del Sol
R R a a d d i i a a c c i i ó ó n n N N o o r r m m a a l l Directa
Espejos Parabólicos
Energía Solar Térmica
43
mejor utilización del terreno (60%-70%), frente al 33% de los CCP y sistemas
de torre
Los concentradores lineales Fresnel fueron concebidos pensando principalmente en utilizar agua
como fluido de trabajo para la generación directa de vapor en el tubo receptor.
Aplicaciones
La producción de vapor es la aplicación más habitual para estos tipos de captadores. El vapor se
puede utilizar para alimentar algún proceso industrial o para alimentar una turbina y producir
electricidad. En el primer caso se suele trabajar con vapor de agua saturado a una temperatura en el rango de los 200ºC, mientras que la producción de electricidad, la aplicación más extendida,
requiere vapor de agua sobrecalentado a unos 400ºC y unos 100 bares de presión.
De cara a producir vapor de agua mediante un sistema solar hay dos alternativas básicas [Ajona, 1997]:
Procedimiento indirecto, llamado así ya que se calienta, en el campo de captadores, un fluido
en fase líquida y luego se produce el vapor de agua en un dispositivo adicional.
Producir el vapor de agua directamente en los captadores.
Hasta ahora el primer procedimiento, el indirecto, es el único que se ha aplicado comercialmente. Las opciones indirectas que tenemos son fundamentalmente dos:
Evaporación súbita o 'flash'. A través del campo de captadores se hace circular agua, a
una presión suficiente para evitar su ebullición, produciéndose el vapor por flash al atravesar
una válvula de estrangulamiento en un separador (Ilustración 20(a)). La calidad del vapor
producida (masa de vapor producida con relación al flujo másico total) es normalmente
inferior al 10%. La utilización de agua como fluido caloportador
simplifica la construcción del sistema de flash, ya que es un sistema de lazo abierto
el agua es un espléndido medio de transporte de energía.
la válvula de flash produce una gran caída de presión con el consiguiente consumo
eléctrico y aumento del precio de la bomba
la temperatura de trabajo de los captadores es muy superior a la del vapor que se
quiere obtener, por lo que las pérdidas térmicas de los captadores son grandes
Reflexione por un momento, ¿cómo influye el tener mayores pérdias térmicas
en el rendimiento global de los captadores?
Efectivamente, al tener mayores pérdidas se reduce el rendimiento global del captador.
Energía Solar Térmica
44
Hervidor con intercambiador. Aunque el fluido que circula por el campo de captadores puede ser agua, normalmente se utilizan aceites térmicos naturales o sintéticos de baja
presión de vapor para evitar problemas de congelación y ebullición. En la Ilustración 20(b) se muestra un esquema típico de este tipo de sistemas. Cuando la aplicación es la producción de electricidad, una buena eficiencia del ciclo térmico de conversión exige que el
vapor sea recalentado en un intercambiador aceite/vapor. Este procedimiento es el que
tienen la mayor parte de las aplicaciones de producción de vapor, tanto para procesos de calentamiento industrial como de generación de electricidad. Como principales exponentes
de la problemática asociada a la utilización de aceites como fluidos caloportadores conviene resaltar el que su fuga puede producir un incendio, son más caros, con peores
características de transferencia energética y producen mayores pérdidas de carga
especialmente a bajas temperaturas (debido a su elevada viscosidad).
Ilustración 20: generación de vapor con captadores solares cilindroparabólicos
(a) por evaporación súbita o 'flash'
(b) con un hervidor con intercambiador.
Plantas de captadores de foco lineal
Según lo visto en el epígrafe anterior las plantas de captadores de foco lineal –como cualquier planta
termosolar- necesita de una serie de subsistemas adicionales que conecten el campo de captadores
Válvula de flash
Desgasificador
Condensador
Turbina de vapor
Lazo
de
Rec
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Vapor
Intercambiador Aceite-Agua
Consumo
Vapor sobrecalentado
Vap
or
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rad
o
Energía Solar Térmica
45
con la aplicación correspondiente (ya sea proceso industrial o bloque de potencia). Adicionalmente, se puede añadir un sistema de almacenamiento (ver capítulo 10).
Un campo de captadores cilindro parabólicos o Fresnel no es sino una asociación tanto en serie como en paralelo de este tipo de captadores (Ilustración 21).
El número de filas conectadas en paralelo depende de la potencia térmica nominal del campo solar, siendo mayor cuanto mayor sea esta. Por su parte, el número de captadores conectados en serie
dentro de cada fila depende del incremento de temperatura –o salto entálpico- que deba experimentar el fluido de trabajo en el campo de captadores. Cuanto mayor sea este salto de
temperatura o entálpico, mayor debe ser el número de captadores conectados en serie dentro de
cada fila.
Ilustración 21: Esquema y foto aérea de un campo típico de captadores cilindroparabólicos
Prediseño del campo solar
Gracias al prediseño del campo solar se determina el número de captadores necesarios para una
aplicación concreta. Se trata del primer paso necesario para el diseño del campo solar de una planta,
en donde también hay que incluir los siguientes estudios: la Modelización de este prediseño o primer diseño de campo y la simulación de su
comportamiento térmico a lo largo de un año. Esto permite optimizar el diseño
previo y determinar la producción anual, otros estudios relacionados con el emplazamiento en el que se va ha montar la
planta entre los que se encuentran los estudios geológicos y topográficos del terreno,
la disponibilidad, o no de agua (ríos, lagos, mar), la proximidad de líneas eléctricas
y/o de gas, etc.
Captadores en serie
Proceso
Proceso
Energía Solar Térmica
46
Para la determinación del número de captadores necesarios y la configuración de éstos en el campo, es decir, para calcular cuántos captadores hay que poner por fila y cuántas filas son necesarias, es
necesario fijar las condiciones del punto de diseño del sistema, que dependen de:
Las condiciones marcadas por el proceso industrial al que se acople el campo solar.
Potencia térmica demandada al campo solar
Temperatura del fluido a la entrada del campo solar. Temperatura del fluido a la salida del campo solar.
Las condiciones exigidas al campo solar que incluyen
Tipo de captador y especificaciones técnicas. Orientación del eje del captador o de las filas del campo
Fluido de trabajo y sus propiedades termofísicas.
Flujo másico por fila de captadores.
Curva de rendimiento del captador a utilizar
Los valores climáticos en la localidad del emplazamiento y en el momento (día y hora) de diseño.
¿Qué variables climáticas cree usted que son importantes conocer de la
localidad de la potencial planta de captaores de foco lineal?
Para conocer la disponibilidad de energía solar y puesto que son sistemas de concentración se necesita saber la radiación directa estimada o valorada para el momento (día y hora) de
referencia o diseño. Asimismo, para poder evaluar las pérdidas térmicas de los captadores y, por tanto, su rendimiento, se debe conocer la temperatura ambiente estimada en el
momento de diseño. Normalmente, se suele utilizar como momento de diseño el mediodía
solar en el solsticio de verano.
Energía Solar Térmica
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9. Tecnología de foco puntual: centrales de Receptor central y Discos parabólicos
En aplicaciones que requieren altas temperaturas (superiores a 400ºC) es necesario
incrementar el flujo energético incidente sobre el receptor, así como reducir las pérdidas energéticas al exterior, lo que se consigue utilizando concentradores de foco puntual.
Sistemas de receptor central o centrales de torre
En un Sistema de Receptor Central, existen cuatro componentes principales:
El campo solar
El receptor
El sistema de aprovechamiento de la energía térmica
El sistema de almacenamiento (opcional)
Veamos las principales características de cada uno de estos componentes, excepto del último que se
tratará en el capítulo 10.
El Campo Solar
Está compuesto por cientos, y a veces miles, de dispositivos llamados helióstatos (Ilustración 22, (a)) cada uno de los cuales está formado por una superficie reflectante soportada por una
estructura y que recoge y refleja sobre un punto la radiación solar directa que incide sobre ella. La radiación solar reflejada por todos los helióstatos va a un punto común (de aquí el nombre de
sistema de receptor central), y para que esto suceda es necesario que los helióstatos estén dotados
de un sistema de seguimiento solar en dos ejes, de modo que adopten en cada instante la posición adecuada para que la radiación solar reflejada vaya al punto deseado, que es el receptor.
Las superficies reflectantes más usuales en helióstatos están compuestas por espejos
rectangulares de vidrio grueso ( 2,5 mm), que llegan a ocupar una superficie total que puede variar
entre los 70m2 y los 150m2. Aunque a simple vista parece que la superficie reflectante de un
helióstato es plana, en realidad posee una cierta curvatura que es mayor cuanto más cerca está del
receptor.
La posición de la superficie reflectante cambia físicamente de posición gracias a un mecanismo de
accionamiento (Ilustración 22, (b)). Existen muchos tipos de mecanismos de accionamiento, pero básicamente consisten en dos motores –para poder tener movimiento en dos ejes- que se
accionan de forma mecánica o hidráulica.
Energía Solar Térmica
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Cada helióstato tiene un control local que está en comunicación con el control central de todo el
campo solar, de modo que el control central da las órdenes de posicionamiento oportunas a los
controles locales de los diferentes helióstatos para que adopten la posición correcta. La posición
correcta se verifica gracias a sensores de posición
Los helióstatos se colocan alrededor de la torre que sustenta el receptor, rodeándola completamente
(disposición circular) o colocados solo en la parte Norte de la torre, en el hemisferio Norte, y al Sur,
en el hemisferio Sur.
¿Por qué cree usted que el campo de helióstatos, si no es circular, está a un solo
lado (Norte o Sur) de la torre?
Según estemos en el hemisferio norte o en el sur el
sentido del movimiento diurno del Sol será visto por los
helióstatos (y por cualquier observador) de distinta
manera. En el hemisferio norte los helióstatos ‘ven’ al Sol
en dirección Sur, por lo que tienen que estar situados al
Norte de la torre para facilitar que se encaren al Sol. En el
hemisferio Sur los helióstatos ven el Sol en dirección
Norte y por ello han de estar situados en el Sur para
encarar fácilmente al Sol.
Ilustración 22: (a) Vista de un helióstato típico (GM-100);(b) Mecanismo de accionamiento (SENER)
Ilustración 23: Movimiento aparente del Sol desde los dos hemisferios terrestres [es.wikipedia.org/wiki/Movimiento_diurno, 2013]
Energía Solar Térmica
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El Receptor
El Receptor es el lugar donde se concentra la radiación solar reflejada por todos los helióstatos que
componen el campo solar, transformándola en energía térmica para ser usada en procesos posteriores. Este proceso generalmente conlleva altas temperaturas y altos niveles de flujo incidente
por lo que debe ser realizado con las menores pérdidas posibles, por radiación o convección, de la energía absorbida previamente, con el menor consumo eléctrico, y evitando la pérdida o degradación
del fluido de transferencia. Para evitar problemas de sombras y bloqueo de los rayos reflejados por
los diversos helióstatos, el receptor se sitúa siempre en lo alto de una torre. Esta torre debe ser más alta cuanto mayor es el tamaño del campo solar.
Los receptores se pueden clasificar dependiendo de si existe o no absorbedor, del tipo de absorbedor
de que se trate, del fluido de trabajo, y de la configuración general, existiendo una gran variedad de
opciones de diseño.
Los primeros receptores que se ensayaron fueron de agua/vapor, ya que en ellos el fluido de
trabajo era agua que se convertía en vapor saturado o sobrecalentado conforme circulaba por los
tubos que componían el receptor. Otro tipo de receptores son los de sales fundidas. Su aspecto es
parecido al de los receptores de agua/vapor, con la diferencia de que el fluido de trabajo es una
mezcla de sales de sodio y potasio con un punto de fusión entre 225ºC y 275 ºC.
Los receptores volumétricos de aire están constituido por una pared o capa de material poroso a través de la cual se hace circular una corriente de aire que se calienta al atravesarla dicha capa o
pared. El material del que está fabricado la pared o capa porosa del receptor suele ser cerámico o de
hilos metálicos. En los receptores volumétricos, la temperatura de salida del fluido de trabajo está en el rango 600-1300ºC, dependiendo del diseño. El flujo de radiación solar sobre el receptor es del
orden de 300–500 kW/m2. El aire caliente que sale de este tipo de receptores puede utilizarse después para producir vapor y generar electricidad con una turbina de vapor, o bien ser usado
directamente por cualquier proceso industrial que requiere energía térmica en este rango de
temperaturas. Por último también existen receptores en los que la radiación concentrada incide directamente sobre
un chorro de partículas (normalmente arena) calentando directa e inmediatamente dichas partículas.
Ilustración 24: Receptores tubulares
Energía Solar Térmica
50
(a) Esquema y (b) foto de uno externo; (c) foto de uno de cavidad
El sistema de aprovechamiento de la energía térmica
Es donde se inyecta la energía térmica que suministra el receptor. Puesto que los sistemas de
receptor central presentan un mayor interés comercial cuando trabajan a temperaturas por encima de los 500ºC, la aplicación comercial más interesante para ellos es la generación de electricidad. En este
caso, la energía térmica suministrada por el receptor se utiliza para alimentar un ciclo de potencia.
La temperatura del fluido de trabajo en el receptor determina el tipo de ciclo termodinámico a utilizar para generar electricidad con plantas
termosolares. Así si la temperatura es de hasta 400ºC se utiliza un ciclo
Rankine, mientras que para mayores temperaturas se puede utilizar un ciclo Brayton.
Sistemas de discos parabólicos
Un disco parabólico (Ilustración 18(a)) consiste en un concentrador esférico con curvatura
parabólica que concentra y refleja la radiación solar directa sobre un foco puntual en el que la
radiación solar se convierte en energía térmica. Lo habitual es, por tanto, que el concentrador
disponga de un sistema de seguimiento solar en dos ejes, aunque ha habido diseños en los que se
utilizaba un sistema de seguimiento en montaje polar.
La superficie cóncava del concentrador está cubierta por espejos de vidrio de segunda superficie
con su correspondiente curvatura parabólica o bien por espejos delgados o polímeros metalizados de primera superficie soportados sobre una estructura de fibra de vidrio o de membrana tensionada
En el foco del concentrador se sitúa el receptor que para este tipo de sistemas suele ser un motor Stirling. En un motor Stirling (Ilustración 18(b)), la compresión y expansión alterna de una gas
(normalmente helio, hidrógeno, nitrógeno o simplemente aire) al quitarle/aportarle energía térmica
provoca el desplazamiento de unos pistones, y es ese desplazamiento el que produce la generación de energía eléctrica. La energía térmica es la que aporta la radiación solar concentrada y el sumidero
de energía es el propio ambiente. Habitualmente, se usan dos métodos para la transferencia de la radiación solar al gas de trabajo. En el primero se ilumina directamente un panel de tubos por el
interior de los cuales circula el gas que suele ser helio, hidrógeno o aire. En el segundo método, se utiliza el concepto de tubo de calor o heat pipe, vaporizándose un metal líquido (normalmente sodio)
que luego condensa en la superficie de los tubos por los que circula el gas de trabajo y refluye
nuevamente al absorbedor. Existen diferentes tipos de motor Stirling dependiendo del número de pistones a mover y de su configuración.
Los sistemas disco/Stirling han demostrado la mayor eficiencia de conversión de radiación solar en energía eléctrica con valores máximos del 30 % y hasta un 25 % de promedio diario en unidades de
7 a 25 kW. Debido a la curvatura parabólica del concentrador y a la baja relación distancia
focal/diámetro (f/D =0,6), se pueden conseguir altas relaciones de concentración por encima de
Importante
Energía Solar Térmica
51
3.000. Esto permite alcanzar muy altas temperaturas de operación entre 650 y 800 ºC, dando lugar a eficiencias en el motor Stirling del orden del 30 al 40 %. Con la tecnología actual, un sistema disco-
Stirling de 5 kWe requiere un disco de unos 5,5 m de diámetro, y tiene una eficiencia pico del orden
del 30%.
Ilustración 25: (a) foto de un disco parabólicoy (b) esquema de un motor Stirling
[www.soygik.com/que-es-un-motor-stirling-y-como-construirlo/]
Una de las principales ventajas de estos sistemas es su gran modularidad, ya que la potencia eléctrica
total de la planta puede multiplicarse instalando varias unidades de disco-Stirling.
El motor Stirling fue patentado en 1816 por el reverendo escocés Robert Stirling y su primera aplicación con energía solar fue realizada en el año
1872 por John Ericsson. El motor Stirling es, en teoría, el dispositivo más
eficiente para convertir energía térmica en trabajo mecánico.
Para saber +
Energía Solar Térmica
52
10. Almacenamiento térmico Aunque existen muchas formas de almacenar energía (almacenamiento electroquímico –en baterías-,
químico –con hidrógeno-, mecánico –en volantes de inercia, bombeando agua-, etc.) es el almacenamiento térmico de energía el que mejor encaja acoplado a sistemas solares térmicos al
tener las entradas y salidas principales del sistema en forma de energía térmica.
La utilización de sistemas de almacenamiento térmico de energía en sistemas solares surge de las
características intrínsecas de la radiación solar, que es intermitente y variable e incluso, a veces, impredecible y de la dificultad en hacer coincidir la disponibilidad energética con el requerimiento de
consumo
Piense en dos ejemplos en donde se produce un desfase temporal
entre la disponibilidad de radiación solar (recurso energético) y consumo.
1 agua caliente sanitaria en viviendas: las duchas, por ejemplo, suelen hacerse a primera o a última hora del día, que es cuando los niveles
de radiación solar son más bajos (el máximo de radiación se tiene,
siempre a medio día solar) 2 producción de electricidad: aunque depende del país y la época del
año en concreto se suele tener un pico de consumo a principio de la
noche, en la que, evidentemente, la radiación disponible no es mucha
Almacenamiento en calor sensible
La energía térmica se puede almacenar en forma de energía sensible, es decir, haciendo a un
material experimentar un cambio de temperatura.
La cantidad de energía almacenada es directamente proporcional a ese cambio de temperatura y a una propiedad específica del material que sufre
tal cambio de temperatura y que se llama capacidad calorífica.
Materiales de almacenamiento sensible
Los materiales que pueden utilizarse como medio de almacenamiento térmico sensible pueden ser un líquido, un sólido o una combinación de ambos (sistemas duales).
Ejemplo
Importante
Energía Solar Térmica
53
Los materiales líquidos más adecuados, citados en orden ascendente de temperatura de almacenamiento, son el agua, aceites naturales o sintéticos, sales fundidas, metales líquidos y
coladas vítreas fundidas.
El agua es un estupendo medio de almacenamiento para bajas temperaturas (por debajo de 100ºC),
por lo que suele utilizarse en sistemas para agua caliente sanitaria y calefacción.
Para temperaturas de hasta 300°C pueden utilizarse aceites minerales o sintéticos a presión atmosférica. Tienen una gran ventaja y es su alta capacidad calorífica volumétrica, es decir, cantidad
de energía que pueden almacenar por unidad de volumen con un grado de salto de temperatura
(Tabla 2). Sin embargo, tiene dos desventajas importantes: su relativo alto coste y que pueden ser
inflamables en contacto con aire.
Las sales de nitrato -sódico, potásico o una combinación de ambas, principalmente son líquidas a
partir de los 240ºC, dependiendo de qué sal sea, pudiendo trabajar a temperaturas de casi 600ºC sin degradarse. Es en este rango de temperaturas donde se utilizan estas sales fundidas como medio de
almacenamiento. Se trata de materiales relativamente económicos aunque, al ser sales, son bastante corrosivos, y puesto que solidifican a temperaturas muy por encima de la temperatura ambiente, toda
la circuitería y sistemas en las que están confinadas han de poseer un sistema de energía auxiliar que
se active cuando se bajan las temperaturas lo suficiente como para que exista riesgo de solidificación de las sales.
Los materiales sólidos más utilizados, citados en orden ascendente de temperatura de trabajo del
almacenamiento, son hormigón, rocas, metales (hierro), arena y refractarios (Tabla 2).
Por su naturaleza sólida estos medios almacenan/ceden energía gracias a un fluido intermedio de
transferencia, que puede ser o no el mismo que circula por el campo solar. De forma general, se
puede decir que son los materiales de almacenamiento con menor coste específico y pueden usarse acoplados a sistemas tanto de baja como de media-alta temperatura de trabajo.
Tabla 2: Propiedades de materiales susceptibles de ser usados como medios d almacenamiento térmico
Medio
Temperatura Densidad
Media
Conductividad
Térmica Media
Calor
Específico Medio Mínima Máxima
° C ° C Kg / m3 W/mK KJ/kgK
Líquido Agua 0 100 988 0,64 4,17
Aceite mineral 0 300 770 0,12 2,6
Aceite sintético 20 4000 900 0,11 2,3 Aceite - Silicona 80 400 900 0,10 2,1
Sales (nitritos) 250 500 1825 0.57 1,5 Sales (nitratos) 250 565 1870 0,52 1,6
Sólido
Arena-roca-aceite - 300 1700 1 1,30
Hormigón armado - 400 2200 1,5 0,85
NaCl 200 500 2160 7 0,85 Hierro colado 200 400 7200 37 0,56
Energía Solar Térmica
54
Los medios duales más usados incluyen la combinación de agua subterránea con arena, cantos rodados y rocas porosas en acuíferos naturales y con cantos rodados en estanques (acuíferos
artificiales). Temperaturas mayores aconsejan utilizar combinaciones sales/rocas, donde la mayor
parte de la masa térmica se localiza en el material sólido, considerablemente más barato.
Configuraciones de almacenamiento sensible
El almacenamiento en un solo tanque es la configuración más simple de todas (Ilustración 26(a)). El tanque ha de estar térmicamente aislado del exterior para evitar que la energía acumulada se
pierda hacia el ambiente. En un solo tanque el medio de almacenamiento zona caliente y zona fría están separadas por una zona de transición llamada termoclina.
Reflexione por un momento, ¿cree usted que es conveniente para un buen
funcionamiento del tanque de almacenamiento que la zona termoclina ocupe una
gran porción del mismo?
Efectivamente, cuanto menor es la zona que ocupa la termoclina o zona de transición entre medio frío y caliente, mejor. Cuanto menor sea la zona termoclina, menor mezcla se ha
producido con el medio frío, disponiendo así de la energía térmica en sus mejores condiciones. Además, permite que la temperatura de entrada al campo solar –sea del tipo
que sea- es la menor posible, por lo que el rendimiento de los captadores es el máximo
posible.
Si un tanque tiene una termoclina pequeña, se dice que el tanque tiene una buena estratificación.
Mantener una buena estratificación no es fácil y la mayoría de los diseños de tanques termoclinos, a parte del medio de almacenamiento que utilizan, se diferencian en la forma de inyectar el fluido –de
almacenamiento o de transferencia- al tanque para evitar romper la estratificación (Ilustración 26(b)). Para altas temperaturas, en donde se utilizan aceites y sales fundidas, se suele tener un relleno
sólido.
Ilustración 26: tanque termoclino: (a) esquema de acoplamiento y (b) diferentes configuraciones de entradas de fluido
Energía Solar Térmica
55
en tanques de agua [IEA-Task32, 2005]
La forma de evitar problemas con la estratificación es teniendo el medio de almacenamiento que está caliente separado del que está frío. Se tiene así un sistema de doble tanque.
El campo solar proporciona suficiente
energía como para alimentar el proceso
o la demanda determinada y cargar el almacenamiento. El líquido en el tanque
que está frío pasa a través de un intercambiador calentándose y
vertiéndose al tanque llamado caliente. Así mientras el tanque frío se vacía, el
tanque caliente se llena
La figura muestra la situación donde el
tanque caliente está lleno totalmente, i.e., el sistema de almacenamiento está
totalmente cargado
Cuando el campo solar no es capaz de
suministrar energía (suficiente) al
proceso en concreto, es el sistema de almacenamiento el que lo suministra.
Ahora el fluido caliente se lleva al intercambiador, y enfriándose. Se va
vaciando así el tanque calienta, al tiempo que se va llenando el tanque
frío.
Para plantas en donde se necesiten capacidades de almacenamiento muy grandes, se pueden utilizar varios sistemas de doble tanque asociados en paralelo entre sí. Este es el caso de la planta Solana,
en Estados Unidos [Abengoa, 2013]
campo solar Proceso
campo solar Proceso
campo solar Proceso
Energía Solar Térmica
56
Almacenamiento en calor latente
Cuando se almacena energía cambiando de fase un material se dice que se almacena energía en forma de calor latente.
La transición de fase puede ser entre sólido y líquido (fusión/solidificación), entre líquido y vapor
(vaporización/condensación), entre sólido y vapor (sublimación) o de sólido a sólido (al cambiar su fase cristalina). Debido a los grandes cambios en volumen sufridos cuando una de las fases con las
que trabajar es vapor, las transiciones sólido-vapor y líquido-vapor no suelen considerarse por la complejidad que infieren al diseño del sistema de almacenamiento.
La cantidad de energía almacenada es directamente proporcional a la
energía de cambio de fase
A diferencia de lo que ocurre con el almacenamiento en sensible, el proceso de almacenar energía
latente se produce a temperatura cuasi constante.
Materiales para almacenamiento en latente
Los materiales empleados para almacenar energía cambiando su estado se denominan materiales de cambio de fase (Phase Change Materials, PCM, en nomenclatura inglesa).
Existe una gran variedad de materiales de cambio de fase a utilizar (Ilustración 27) dependiendo,
principalmente, de la temperatura de trabajo.
Importante
Energía Solar Térmica
57
Ilustración 27: Clasificación de PCMs [Sharma, 2009]
Configuraciones de almacenamiento sensible
Salvo los materiales metálicos, los PCMs que se barajan para sistemas de almacenamiento el latente
tienen conductividades térmicas bajas y cambios de volumen no del todo despreciables al fundirse.
Esto hace que el diseño del módulo de almacenamiento latente sea complejo, teniendo que permitir una buena transferencia de calor debido al propio diseño y a pesar de la baja conductividad térmica
del PCM. A continuación se citan algunas técnicas utilizadas para mejorar la transferencia de energía en materiales con baja conductividad térmica que cambian de fase:
Empaquetamiento del PCM en una matriz con alta conductividad térmica, ya sea una espuma
metálica o conformando un composite o material
compuesto
Encapsulando el PCM en pequeños volúmenes,
aumentando así el área de intercambio de energía
con el fluido de transferencia, [www.pcmproducts.net/, 2013]
Utilizando superficies extendidas que distribuyan
el calor fácilmente
Ilustración 28: Algunos de los mecanismos hasta ahora propuestos para obtener buenas tasas de transferencia de energía, aun trabajando con materiales con baja conductividad térmica
Almacenamiento termoquímico.
El almacenamiento termoquímico se basa en la energía absorbida y cedida cuando se rompen y
forman enlaces moleculares en una reacción química completamente reversible. En este caso, la
energía almacenada depende de la cantidad de material y de la energía asociada a la reacción química.
La reacción química puede ser la descomposición de un compuesto en sus elementos constituyentes. Así a media-alta temperatura se considera la descomposición de carbonato cálcico en óxido cálcico y
anhídrido carbónico gaseoso y a baja temperatura podría considerarse la deshidratación de una sal
Energía Solar Térmica
58
sólida en vapor de agua y en una sal anhidra; o puede ser la concentración de una disolución. Aunque la capacidad de almacenar energía con este concepto es muy interesante, tecnológicamente
hablando hace falta aún un gran esfuerzo en desarrollo de tecnología.
Aplicaciones
Los sistemas de almacenamiento térmico en plantas solares térmicas sustituyen la fuente solar de
energía en aquellos momentos en donde no está disponible o no, al menos, en los niveles deseados. Esto significa que los sistemas de almacenamiento térmico para plantas solar térmicas se pueden
utilizar para: suavizar la interrupción/atenuación momentánea de radiación solar directa
debido al paso de nubes (Amortiguamiento)
desplazamiento del momento de suministro energético en un día (Desplazamiento)
ampliar el periodo de suministro energético (Extensión) optimización de la producción anual (Estacional)
El sistema con amortiguamiento realiza un almacenamiento de corta duración, es decir de menos del equivalente a una hora de producción. Su efecto sobre la eficiencia global del sistema solar es por
tanto pequeño. Se utilizan en instalaciones solares de ahorro de combustible conectadas en paralelo con las fuentes convencionales, evitándoles funcionamientos parcializados con cambios bruscos, y
contribuyendo al suministro energético únicamente durante las horas de sol.
El sistema con desplazamiento diario trasladan parte o toda la energía suministrada de las horas de
sol a las horas de mayor consumo o de mayor rentabilidad (horas pico). Este tipo de almacenamiento realmente no aumenta el tamaño del campo solar necesario, puesto que simplemente actúa como
'condensador' del sistema solar, posibilitando la descarga en un tiempo posterior al de generación. Tiene un tamaño que suele rondar las 3-6 horas de carga pico.
El sistema con extensión del periodo de suministro utiliza un almacenamiento que permite al sistema solar cubrir las necesidades del sistema durante las horas, no solo de sol, sino durante parte
de la noche y en días nublados durante los cuales los niveles de radiación son inferiores a los necesarios para cubrir la correspondiente demanda. Exige tamaños mayores del campo de captadores
que los correspondientes al sistema sin almacenamiento. Las capacidades típicas suelen ser de 6 a 24 horas.
El sistema de promediado anual está encaminado a la máxima utilización de la energía solar, con la consiguiente minimización de su tamaño y coste, al almacenar el exceso de energía producido
durante las estaciones en las que la carga es pequeña y/o el nivel de radiación es elevado. Se le conoce por el nombre de almacenamiento estacional.
Energía Solar Térmica
59
11. Situación Mundial En este capítulo se presenta la situación de la energía solar térmica con los datos disponibles en
2012, fecha de la primera edición de este texto. Aunque los datos concretos habrá que irlos actualizando, del análisis de estos resultados pueden extraerse una serie de observaciones que
entendemos interesantes para comprender mejor el desarrollo y promoción de este tipo de energía
renovable.
Sistemas solares para baja temperatura
Los sistemas solares térmicos son cada vez más populares en un número cada vez mayor de países. En consecuencia, el mercado solar térmico mundial ha ido creciendo de forma continua desde
principios de los 90. Según la estadística publicada en 2012 por el Programa Solar Heating and Cooling, de la Agencia Internacional de la Energía ([Weiss, 2012]), a finales de 2010 había una capacidad total instalada operativa de 195.8 GWth, lo que corresponde a unos 279.7 millones de
metros cuadrados de captadores, en los 55 países considerados en la estadística (corresponden al 61% de la población mundial).
La mayoría de esta capacidad en operación fue instalada en China (117.6GWth) y Europa (36.0 GWth), que en conjunto supone el 78% de la total instalada. El resto se divide entre Estados Unidos
y Canadá (con 16.0 GWth). Así -excluyendo China- (con 9.4 GWth), Australia y Nueva Zelanda (6.0
GWth), Países de Latinoamérica y Caribe (5.5 GWth), algunos países de la región del Mediterráneo y Norte de África (4.4 GWth) así como algunos países subsaharianos -como Namibia, Sudáfrica y
Zimbaue -(con0.8GWth).
Ilustración 29: Porcentaje, por regiones, de potencia instalada y en operación a finales de 2010 para sistemas térmicos de baja temperatura [Weiss, 2012]
Energía Solar Térmica
60
Esta capacidad total operativa se divide, según la tecnología de captador solar utilizado, en 111GWth de tubos de vacío, 62.1 GWth de capadores de placa plana, 21.5GWth de captadores de agua sin
cubierta y 1.3GWth de captadores de aire
En términos de capacidad instalada operativa por cada 1000 habitantes, Chipre (575 kWth/1000 hab), Israel (394 kWth/1000hab) y Austria (337 kWth/1000hab) son los países líderes. En países de
Latinoamérica y Caribe aparece destacado Barbados (323KWth/1000hab), seguido muy de lejos de Brasil (17kWth/1000hab) y Méjico (5KWth/1000hab).
Ilustración 30: Potencia instalada operativa a finales de 2010 por país en términos absolutos y por cada 100 habitantes (elaboración propia con datos de [Weiss, 2012])
Reflexione por un momento mirando los datos del gráfico de la Ilustración 30 ,
¿cree usted que es la disponibilidad de radiación solar el párametro
determinante para una buena implementación de los sistemas solares en estos
países?.
Es cierto que países como Chipre e Israel tienen niveles de radiación muy atractivos, sin
embargo, en tercer lugar en el ranking de potencia instalada por cada 1000 habitantes aparece Austria, un país con unos niveles de radiación bastante mediocres. Austria, con sus
337KWth/100hab tiene entre 10 y 20 veces más potencia instalada que países vecinos con
117.600,0
88
120 112
29
394
2
337
296
24 23
108
575
5
323
62
95
266
1735
0
1.000
2.000
3.000
4.000
5.000
6.000
7.000
8.000
9.000
10.000
Chin
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Turq
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MW
th)
en
2010
0
100
200
300
400
500
600
700
kW
th/1
000 h
ab
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tes
^ 117 600
Energía Solar Térmica
61
recursos solares mucho mejores como pueden ser España (35kWth/1000hab) o Italia (29kWth/1000hab). Es evidente que esta inmensa diferencia no es debida a barreras
tecnológicas importantes o condiciones objetivas, sino más bien a una adecuada promoción
del mercado solar y un adecuado marco político al respecto. Los prejuicios pueden, asimismo, jugar un papel relevante al ignorar que la energía solar térmica de baja
temperatura es, a fecha de hoy, una tecnología fiable y desarrollada.
Sistemas solares para media y alta temperatura
A nivel mundial, hay cerca de 2.9 GWe instalados con sistemas de concentración solar para
producción eléctrica (Ilustración 31). En un futuro cercano y, puesto que están actualmente en
construcción, habrá otras 37 plantas más, lo que supondrá un aporte de otros casi 2,6 GWe
instalados
Ilustración 31: Mapa de centrales termosolares de concentración en el mundo [social.csptoday.com/tracker/projects, 2013]
Energía Solar Térmica
62
Tabla 3: Situación, en 2012, de plantas termosolares de producción eléctrica (elaboración propia a partir de datos de [http://social.csptoday.com/tracker/projects]
Estado Potencia total
MWe
Número de
Plantas Potencia máxima por planta (MWe)
Potencia mínima por planta (MWe)
Planning 4215,8 43 400 2,8
Desarrollo 2839,5 32 800 1
Construcción 2590,7 37 280 1
Operación 2814,2 83 100 1
Barreras al despegue real de la energía solar térmica
La energía solar térmica puede proporcionar una contribución sustancial a la demanda de energía mundial, de una manera sostenible y asequible económicamente. Para 2050 se estima que, por
ejemplo, en la Unión Europea podría suministrar el 50% de la demanda de energía a baja temperatura, siempre y cuando el consumo de energía térmica de baja temperatura se redujera con
medidas de ahorro y racionalización efectivas. Sin embargo la energía solar en general y
particularmente la de baja temperatura, aparecen como olvidadas y abandonadas por los responsables políticos y las políticas para su promoción suelen estar mucho menos desarrolladas,
tanto en tiempo2 como en alcance.
La energía solar térmica de baja temperatura suele verse como una tecnología sencilla y elemental (‘low tech’ en su acepción inglesa). Sin embargo, dejando a un largo tecnologías renovables
tradicionales como son la biomasa y la hidráulica, la energía solar térmica de baja temperatura es la segunda fuente energética renovable después de la eólica, teniendo bastante por detrás, por
ejemplo, a la fotovoltaica (Ilustración 32).
2 Sirva de ejemplo España, en donde la medidas de promoción a la producción de energía eléctrica con renovables aparece por primera vez en 1998, considerando las tecnología eólica, biomasa, cogeneración y fotovoltaica, y no es hasta el año 2002 cuando la termosolar se promociona y con una prima muy inferior a la necesaria para su despegue real.
Energía Solar Térmica
63
Ilustración 32: Capacidad total en operación en 2011 y energía generada anualmente [Weiss, 2012]
A lo largo del curso se han mencionado ejemplos y aplicaciones que son fiables y económicamente
asequibles. Sin embargo existen aún muchas barreras que impiden el despegue de la energía solar.
Aunque cabría remarcar algunas diferencias entre solar térmica de baja temperatura y de media-alta temperatura de forma general se puede afirmar que
La falta de conocimiento y sensibilización del usuario final es una de las barreras. En aquellas
regiones donde la energía solar térmica se usa, la sensibilización de la población al respecto es alta:
amigos y vecinos tienen sistemas solares térmicos para ACS, por ejemplo, y saben que tendrán, incluso en días nublados, su agua caliente disponible. La falta de conocimiento o la desconfianza
hacia los sistemas solares térmicos es una de las principales causas por lo que estos sistemas no se eligen para sistemas de ACS y calefacción en regiones donde aún no existe un mercado desarrollado.
Siguiendo con energía solar térmica de baja temperatura, la falta de conocimientos en arquitectos e ingenieros es un gran problema. Los profesionales del sector de la construcción,
incluyendo los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado, juegan un papel primordial a
la hora de elegir qué sistema implementar en los edificios e industrias. Si estos profesionales no tienen formación suficiente en sistemas de energía solar térmica, no van a sentirse cómodos
recomendándolos, llegando incluso a desaconsejarlos a sus futuros potenciales usuarios. En este sentido, la falta de formación y educación reglada puede llevar a una instalación diseñada
inadecuadamente, que no funcione correctamente, fomentando así, de forma indirecta, una mala
imagen de la tecnología. Esto es también aplicable a la solar térmica de media-alta temperatura, ya que los ingenieros en su formación no suelen estudiar este tipo de sistemas sino es de forma
marginal y voluntaria, mientras que otros sistemas más convencionales de generación eléctrica sí que son obligatorios. Por tanto, es recomendable que la energía solar térmica se incluya en los planes
generales de formación y capacitación de los correspondientes profesionales. De esta forma, al
menos, para baja temperatura, los arquitectos e ingenieros verán los sistemas solares como una opción estándar entre las posibles a la hora de diseñar un edificio.
Energía Solar Térmica
64
Esto es muy importante porque los sistemas de baja temperatura tienen un coste mucho menor si ya se consideran desde un principio en el diseño del edificio (nuevas construcciones) que si se tienen
que incorporar posteriormente (edificios reformados). Esto nos lleva a otra gran barrera que es la
generalizada, pero errónea, idea de que la energía solar térmica es cara. Los sistemas de baja temperatura tienen precios entre 6.5 y 21 c$/KWh en Europa, siendo mucho menores en China. Esto
significa que, en muchos casos, los sistemas solares térmicos de baja temperatura son competitivos con sistemas convencionales. Esta forma de mostrar el coste, i.e., utilizando c$/KWh suele utilizarse
ampliamente para sistemas convencionales, puesto que el principal gasto energético es el asociado al propio combustible. Sin embargo, cuando se habla de renovables en general y de solar térmica para
baja temperatura en particular, el coste del combustible es cero (la energía solar es completamente
gratis), pero la inversión inicial para la instalación no. Considerando la inversión inicial para estos sistemas y la energía que proporcionan durante su vida estimada (20 años para los sistemas
antiguos, 25 años para los sistemas modernos) se puede tener una estimación del coste de la energía generada en términos de $/KWh y es así como se puede ver cuán competitiva es la energía solar
térmica. Del mismo modo, el coste de energía de las nuevas plantas solares térmicas de producción
eléctrica se comparan con el coste de energía de plantas convencionales ya amortizadas de gas y carbón, llevando a una comparación inadecuada y un tanto injusta. Como referencia del coste de
energía producida por plantas termosolares sí se pueden utilizar los datos de las plantas SEGS de California, plantas que llevan en funcionamiento desde los años 80. Según Marc Ulrich, vicepresidente
de Operaciones de Energía y Comercio de Southern California Edison (SCE), titular del contrato de
compra de energía (PPA) para los nueve plantas SEGS, "...redondeando, SCE paga a las plantas SEGS 6c$/KWh: a fecha de hoy se paga a 5.57c$/KWh en periodo de invierno. El próximo mes de junio
vamos a entrar en periodo de verano y los precios van a cambiar otra vez"3 (Muirhead, 2013) En resumen, hay formas muy diferentes en las que el suministro de energía se paga y como se hace
con las renovables, con una importante inversión inicial, puede llevar a la idea errónea de que la energía de origen solar es cara.
Reflexione por un momento, ¿identifica usted alguna ventaja adicional a la
forma de pago de la energía generada por un sistema solar?
Efectivamente, incluso podría argumentarse, muy razonablemente, que esta forma de
pagar la energía es toda una ventaja, puesto que el precio se fija desde el principio y es independiente de la variabilidad y fluctuaciones del mercado como ocurre con el pecio de
combustibles convencionales.
Una característica del mercado solar térmico ha sido el fuerte desequilibrio entre unos pocos países líderes, con mercados completamente desarrollados, y una gran mayoría de países con un desarrollo
de mercado muy lento. Este desequilibrio parece perpetuarse en el tiempo y es que cuando un país ha alcanzado un adecuado nivel de desarrollo comercial en energía solar, el crecimiento del mismo se
auto mantiene, incluso con un mínimo de apoyo político -es el caso de Grecia, por ejemplo-. Por otro lado, en aquellos países en donde apenas existe demanda de sistemas solares, se establece un
círculo vicioso que inhibe el crecimiento del mercado. En este sentido el apoyo político puede
ayudar sustancialmente a romper ese círculo vicioso, promoviendo y manteniendo un crecimiento del
3 "...SEGS are getting paid about 6 cents a kilowatt hour, for energy they deliver to SCE. I rounded it up: it’s current rates are
5.57 cents, during the winter period. Next month in June we’ll go into summer period and prices will change again.”
Energía Solar Térmica
65
mercado solar hasta que éste adquiera un volumen crítico que le permita crecer sin tal apoyo público. Este apoyo público ha de ser fiable y con una proyección a medio-largo plazo:
El apoyo público con proyección a medio-largo plazo y con objetivos claramente definidos es un requisito indispensable para mantener la confianza de fabricantes, suministradores y promotores, para que estos hagan las inversiones necesarias para el
crecimiento del mercado solar. La falta de continuidad y coherencia en los apoyos públicos ha de evitarse, por tanto, a toda costa.
Este apoyo público ha de estar bien diseñado y bien implementado. Se ha de tener en cuenta que la energía solar térmica tiene una componente local muy importante,
favoreciendo el desarrollo local de una forma sostenible. Se trata de tecnologías que
crean trabajo, tanto para pequeñas y medias empresas, como para grandes empresas. la mayoría de los trabajos generados son de instalación y mantenimiento que suelen
tener una componente local muy importante.
Para tener resultados efectivos, es necesario que las medidas para paliar todas esta barreras se
adopten de forma simultánea: campañas de información a usuarios finales e instaladores aseguraran que los sistemas instalados se usan más eficientemente, pero si estos sistemas están
diseñados inadecuadamente, debido a una deficiente formación del diseñador, la imagen de la solar térmica caerá en picado, por ejemplo.
De todo lo dicho anteriormente en relación a la madurez de algunas de las tecnologías solares térmicas no debe inferirse que no existe rango de maniobra para la extensión a aplicaciones nuevas
y/o emergentes -procesos industriales y refrigeración, por ejemplo-, así como para la optimización y mejora tanto de procesos como de productos. Las actividades de Investigación y Desarrollo,
por tanto, son importantes y prioritarias en un escenario de generación de energía sostenible.
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Índice de figuras
Tablas/Gráficos/Figuras
Ilustración 1: Balance energético en un captador solar térmico ............................................................ 9
Ilustración 2: Temperaturas proporcionadas por diferentes sistemas solares térmicos ..................... 12
Ilustración 3: Esquemas generales de captadores solar térmicos con cubierta ................................... 14
Ilustración 4: Esquemas de tubos de vacío, [www.sitiosolar.com; www.anpasol-energiasolar.com; www.climacity.com, 2013] ................................................................................................................... 15
Ilustración 5: Esquema de funcionamiento y vista ampliada de un captador CPC [www.ritter-xl-solar.com; andyschroder.com, 2013] ................................................................................................... 16
Ilustración 6: Métodos más comunes para concentrar la radiación solar directa. .............................. 17
Ilustración 7: Esquemas generales de las configuraciones típicas de sistemas solares térmicos de baja temperatura [Rabl, 1985] ..................................................................................................................... 21
Ilustración 8: Esquema de funcionamiento con (a) circulación forzada. y (b) natural, [Terra, 2013] .. 22
Ilustración 9: Equipos compactos ......................................................................................................... 23
Ilustración 10: Esquema de un sistema de refrigeración de ciclo cerrado con aporte de energía térmica [Henning&Wiemken, 2007] ..................................................................................................... 26
Ilustración 11: Esquema de un sistema de refrigeración de ciclo abierto con aporte de energía térmica [Henning&Wiemken, 2007] ..................................................................................................... 27
Ilustración 12: (a) Ciclo de compresión mecánica de vapo (b)Ciclo de absorción, [Rotartica, 2009] 28
Ilustración 13: Ciclo estándar desecativo usando una rueda desecante, [Henning&Wiemken, 2007] 30
Tabla 1: Nivel de temperatura requerido para diferentes procesos industriales según sectores, [Schweiger et al., 2000]. ....................................................................................................................... 34
Ilustración 14: Esquema del procesado y secado de frutas y hortalizas .............................................. 36
Ilustración 15: Puesta a punto de un dispotivo solar para secadod e café, en Perú (http://www.energias-renovables.com) ............................................................................................... 37
Ilustración 16: campo de captadores cilindroparabólicos de Minera El Tesoro [www.abengoasolar.com, 2013]) ......................................................................................................... 38
Ilustración 17: Principio de funcionamiento y componentes de un CCP. ............................................. 39
Ilustración 18: Esquema general y foto parcial del receptor de un captador solar cilindroparabólico 40
Ilustración 19: Rotación del captador sobre su eje (eje orientado N-S) ............................................... 42
Ilustración 20: generación de vapor con captadores solares cilindroparabólicos ................................ 44
Ilustración 21: Esquema y foto aérea de un campo típico de captadores cilindroparabólicos ............ 45
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Ilustración 22: (a) Vista de un helióstato típico (GM-100);(b) Mecanismo de accionamiento (SENER) .............................................................................................................................................................. 48
Ilustración 23: Movimiento aparente del Sol desde los dos hemisferios terrestres [es.wikipedia.org/wiki/Movimiento_diurno, 2013].............................................................................. 48
Ilustración 24: Receptores tubulares .................................................................................................... 49
Ilustración 25: (a) foto de un disco parabólico y (b) esquema de un motor Stirling ............................ 51
Tabla 2: Propiedades de materiales susceptibles de ser usados como medios d almacenamiento térmico .................................................................................................................................................. 53
Ilustración 26: tanque termoclino: (a) esquema de acoplamiento y (b) diferentes configuraciones de entradas de fluido en tanques de agua [IEA-Task32, 2005] ................................................................. 54
Ilustración 27: Clasificación de PCMs [Sharma, 2009] .......................................................................... 57
Ilustración 28: Algunos de los mecanismos hasta ahora propuestos para obtener buenas tasas de transferencia de energía, aun trabajando con materiales con baja conductividad térmica ................ 57
Ilustración 29: Porcentaje, por regiones, de potencia instalada y en operación a finales de 2010 para sistemas térmicos de baja temperatura [Weiss, 2012] ........................................................................ 59
Ilustración 30: Potencia instalada operativa a finales de 2010 por país en términos absolutos y por cada 100 habitantes (elaboración propia con datos de [Weiss, 2012]) ............................................... 60
Ilustración 31: Mapa de centrales termosolares de concentración en el mundo [social.csptoday.com/tracker/projects, 2013] ...................................................................................... 61
Tabla 3: Situación, en 2012, de plantas termosolares de producción eléctrica (elaboración propia a partir de datos de [http://social.csptoday.com/tracker/projects] ....................................................... 62
Ilustración 32: Capacidad total en operación en 2011 y energía generada anualmente [Weiss, 2012] .............................................................................................................................................................. 63
Autor: Rojas, E. (2013). Energía Solar Térmica
