La energía solar térmica ( STE ) es una forma de energía y una tecnología para aprovechar la energía solar para generar energía térmica para su uso en la industria y en los sectores residencial y comercial.
Los colectores solares térmicos están clasificados por la Administración de Información Energética de los Estados Unidos como colectores de temperatura baja, media o alta. Los colectores de baja temperatura generalmente no están vidriados y se utilizan para calentar piscinas o para calentar el aire de ventilación. Los colectores de temperatura media también suelen ser placas planas, pero se utilizan para calentar agua o aire para uso residencial y comercial.
Los colectores de alta temperatura concentran la luz solar utilizando espejos o lentes y generalmente se utilizan para satisfacer los requisitos de calor de hasta 300 ° C / 20 bar de presión en las industrias y para la producción de energía eléctrica. Dos categorías incluyen la energía solar térmica concentrada (CST) para satisfacer los requisitos de calor en las industrias, y la energía solar concentrada (CSP) cuando el calor recolectado se utiliza para la generación de energía eléctrica. CST y CSP no son reemplazables en términos de aplicación.
Las instalaciones más grandes están ubicadas en el desierto estadounidense de Mojave de California y Nevada. Estas plantas emplean una variedad de tecnologías diferentes. Los ejemplos más grandes incluyen, Ivanpah Solar Power Facility (377 MW), instalación de sistemas de generación de energía solar (354 MW) y Crescent Dunes (110 MW). España es el otro gran promotor de centrales termosolares. Los ejemplos más grandes incluyen la estación de energía solar Solnova (150 MW), la estación de energía solar Andasol (150 MW) y la estación de energía solar Extresol (100 MW).
Historia [ editar ]
Augustin Mouchot hizo una demostración de un colector solar con un motor de enfriamiento para hacer helado en la Exposición Universal de 1878 en París . La primera instalación de equipos de energía solar térmica ocurrió en el Sahara aproximadamente en 1910 por Frank Shuman cuando una máquina de vapor funcionaba con vapor producido por la luz solar. Debido a que los motores de combustible líquido se desarrollaron y se consideraron más convenientes, el proyecto Sahara se abandonó, solo para ser revisado varias décadas después. [1]
Calefacción y refrigeración a baja temperatura [ editar ]
Los sistemas para utilizar energía solar térmica de baja temperatura incluyen medios para la recolección de calor; generalmente almacenamiento de calor, ya sea a corto plazo o entre estaciones; y distribución dentro de una estructura o una red de calefacción urbana. En algunos casos, una sola característica puede hacer más de una de estas cosas (por ejemplo, algunos tipos de colectores solares también almacenan calor). Algunos sistemas son pasivos, otros son activos (requieren otra energía externa para funcionar). [2]
La calefacción es la aplicación más obvia, pero la refrigeración solar se puede lograr para un edificio o para la refrigeración urbana mediante el uso de un enfriador de absorción o adsorción impulsado por calor (bomba de calor). Existe una coincidencia productiva de que cuanto mayor es el calor de conducción de la insolación, mayor es la salida de enfriamiento. En 1878, Auguste Mouchout fue pionero en la refrigeración solar al fabricar hielo utilizando una máquina de vapor solar conectada a un dispositivo de refrigeración. [3]
En los Estados Unidos, los sistemas de calefacción , ventilación y aire acondicionado ( HVAC ) representan más del 25% (4,75 EJ) de la energía utilizada en edificios comerciales (50% en las ciudades del norte) y casi la mitad (10,1 EJ) de la energía utilizada. en edificios residenciales. [4] [5] Se pueden utilizar tecnologías de calefacción, refrigeración y ventilación solar para compensar una parte de esta energía. La tecnología de calefacción solar más popular para calentar edificios es el sistema integrado de recolección de aire solar transpirado que se conecta al equipo HVAC del edificio. Según la Asociación de Industrias de Energía Solar más de 500.000 m 2 (5,000,000 pies cuadrados) de estos paneles están en operación en América del Norte a partir de 2015.
En Europa, desde mediados de la década de 1990 se han construido alrededor de 125 grandes plantas termosolares de calefacción urbana, cada una con más de 500 m 2 (5400 pies 2 ) de colectores solares. Los más grandes son de unos 10.000 m 2 , con capacidades de 7 MW –el calor térmico y el solar cuesta alrededor de 4 céntimos de euro / kWh sin subvenciones. [6] 40 de ellos tienen capacidades nominales de 1 MW-térmico o más. El programa de calefacción de distrito solar (SDH) cuenta con la participación de 14 países europeos y la Comisión Europea, y está trabajando para el desarrollo técnico y de mercado, y celebra conferencias anuales. [7]
Colectores de baja temperatura [ editar ]
Los colectores solares acristalados están diseñados principalmente para calefacción de espacios. Ellos recirculan el aire del edificio a través de un panel de aire solar donde el aire se calienta y luego se dirige de regreso al edificio. Estos sistemas de calefacción solar de espacios requieren al menos dos penetraciones en el edificio y solo funcionan cuando el aire en el colector solar es más cálido que la temperatura ambiente del edificio. La mayoría de los colectores acristalados se utilizan en el sector residencial.
Los colectores solares no vidriados se utilizan principalmente para precalentar el aire de ventilación de reposición en edificios comerciales, industriales e institucionales con una alta carga de ventilación. Convierten paredes de edificios o secciones de paredes en colectores solares sin vidriar de bajo costo y alto rendimiento. También llamados "paneles solares transpirados" o " pared solar ", emplean un absorbedor de calor solar de metal perforado pintado que también sirve como la superficie de la pared exterior del edificio. La transferencia de calor al aire tiene lugar en la superficie del absorbedor, a través del absorbedor de metal y detrás del absorbedor. La capa límite de aire calentado por el sol se introduce en una perforación cercana antes de que el calor pueda escapar por convección al aire exterior. Luego, el aire caliente se extrae desde detrás de la placa absorbente hacia el sistema de ventilación del edificio.
Colector de aire solar transpirado no vidriado integrado en el edificio con paredes grises y toldo / conductos de recolección blancos
Una pared Trombe es un sistema de ventilación y calefacción solar pasivo que consta de un canal de aire intercalado entre una ventana y una masa térmica orientada al sol. Durante el ciclo de ventilación, la luz solar almacena calor en la masa térmica y calienta el canal de aire provocando la circulación a través de las rejillas de ventilación en la parte superior e inferior de la pared. Durante el ciclo de calentamiento, la pared Trombe irradia calor almacenado. [8]
Los estanques de techo solar para calefacción y refrigeración solar fueron desarrollados por Harold Hay en la década de 1960. Un sistema básico consiste en una vejiga de agua montada en el techo con una cubierta aislante móvil. Este sistema puede controlar el intercambio de calor entre ambientes interiores y exteriores cubriendo y destapando la vejiga entre el día y la noche. Cuando el calentamiento es una preocupación, la vejiga se descubre durante el día, lo que permite que la luz solar caliente la vejiga de agua y almacene el calor para el uso nocturno. Cuando el enfriamiento es una preocupación, la vejiga cubierta extrae calor del interior del edificio durante el día y se descubre durante la noche para irradiar calor a la atmósfera más fría. La casa Skytherm en Atascadero, California, utiliza un estanque de techo prototipo para calefacción y refrigeración. [9]
La calefacción solar de espacios con colectores solares de calor de aire es más popular en los EE. UU. Y Canadá que la calefacción con colectores solares de líquido, ya que la mayoría de los edificios ya tienen un sistema de ventilación para calefacción y refrigeración. Los dos tipos principales de paneles solares de aire son vidriados y no vidriados.
De los 21.000.000 pies cuadrados (2.000.000 m 2 ) de colectores solares térmicos producidos en los Estados Unidos en 2007, 16.000.000 pies cuadrados (1.500.000 m 2 ) eran de la variedad de baja temperatura. [10] Los colectores de baja temperatura se instalan generalmente para calentar piscinas, aunque también se pueden utilizar para calentar espacios. Los recolectores pueden usar aire o agua como medio para transferir el calor a su destino.
Almacenamiento de calor para calefacción de espacios [ editar ]
Una colección de tecnologías maduras llamadas almacenamiento de energía térmica estacional (STES) es capaz de almacenar calor durante meses a la vez, por lo que el calor solar recolectado principalmente en verano se puede usar para calefacción durante todo el año. La tecnología STES suministrada por energía solar se ha avanzado principalmente en Dinamarca, [11] Alemania, [12] y Canadá, [13] y las aplicaciones incluyen edificios individuales y redes de calefacción urbana. Drake Landing Solar Community en Alberta, Canadá, tiene un sistema de distrito pequeño y en 2012 logró un récord mundial al proporcionar el 97% de las necesidades de calefacción de espacios de la comunidad durante todo el año a partir del sol. [14]Los medios de almacenamiento térmico STES incluyen acuíferos profundos; rocas nativas que rodean grupos de pozos de pequeño diámetro equipados con intercambiadores de calor; pozos grandes, poco profundos y revestidos que están llenos de grava y con aislamiento superior; y tanques de agua de superficie grandes, aislados y enterrados.
La calefacción urbana centralizada las 24 horas del día también es factible con una planta de almacenamiento de energía solar térmica concentrada (CST). [15]
Almacenamiento entre estaciones. El calor solar (o el calor de otras fuentes) se puede almacenar eficazmente entre estaciones opuestas en acuíferos , estratos geológicos subterráneos, grandes pozos especialmente construidos y grandes tanques que están aislados y cubiertos con tierra.
Almacenamiento a corto plazo. Los materiales de masa térmica almacenan energía solar durante el día y liberan esta energía durante los períodos más fríos. Los materiales de masa térmica comunes incluyen piedra, hormigón y agua. La proporción y la ubicación de la masa térmica deben considerar varios factores, como el clima, la iluminación natural y las condiciones de sombra. Cuando se incorpora correctamente, la masa térmica puede mantener pasivamente temperaturas agradables al tiempo que reduce el consumo de energía.
Refrigeración impulsada por energía solar [ editar ]
En todo el mundo, en 2011 había alrededor de 750 sistemas de refrigeración con bombas de calor accionadas por energía solar, y el crecimiento anual del mercado fue del 40 al 70% durante los siete años anteriores. Es un mercado de nicho porque la economía es desafiante, y el número anual de horas de enfriamiento es un factor limitante. Respectivamente, las horas de enfriamiento anuales son aproximadamente 1000 en el Mediterráneo, 2500 en el sudeste asiático y solo de 50 a 200 en Europa Central. Sin embargo, los costos de construcción del sistema cayeron alrededor del 50% entre 2007 y 2011. Los grupos de trabajo del programa de calefacción y enfriamiento solar de la Agencia Internacional de Energía (IEA) (IEA-SHC) trabajan en el desarrollo de las tecnologías involucradas. [dieciséis]
Ventilación impulsada por calor solar [ editar ]
Una chimenea solar (o chimenea térmica) es una ventilación solar pasiva sistema compuesto de una masa térmica hueco que conecta el interior y el exterior de un edificio. A medida que la chimenea se calienta, el aire del interior se calienta provocando una corriente ascendente que empuja el aire a través del edificio. Estos sistemas se han utilizado desde la época romana y siguen siendo comunes en Oriente Medio.
Calor de proceso [ editar ]
Los sistemas de calefacción de proceso solar están diseñados para proporcionar grandes cantidades de agua caliente o calefacción de espacios para edificios no residenciales. [17]
Los estanques de evaporación son estanques poco profundos que concentran los sólidos disueltos a través de la evaporación . El uso de estanques de evaporación para obtener sal del agua de mar es una de las aplicaciones más antiguas de la energía solar. Los usos modernos incluyen la concentración de soluciones de salmuera utilizadas en la extracción de lixiviación y la eliminación de sólidos disueltos de las corrientes de desechos. En conjunto, los estanques de evaporación representan una de las aplicaciones comerciales más importantes de la energía solar en uso en la actualidad. [18]
Los colectores transpirados no vidriados son paredes perforadas orientadas al sol que se utilizan para precalentar el aire de ventilación. Los colectores transpirados también se pueden montar en el techo para su uso durante todo el año y pueden elevar la temperatura del aire entrante hasta 22 ° C y ofrecer temperaturas de salida de 45-60 ° C. El corto período de amortización de los colectores transpirados (de 3 a 12 años) los convierte en una alternativa más rentable a los sistemas de recogida acristalados. En 2015, se habían instalado más de 4000 sistemas con un área de colector combinada de 500,000 m 2 en todo el mundo. Los representantes incluyen un recolector de 860 m 2 en Costa Rica que se usa para secar granos de café y un recolector de 1300 m 2 en Coimbatore, India, que se usa para secar caléndulas. [19] [20]
Una planta de procesamiento de alimentos en Modesto, California, utiliza colectores cilindro-parabólicos para producir vapor que se utiliza en el proceso de fabricación. Se espera que el área de recolección de 5,000 m 2 proporcione 15 TJ por año. [21]
Colectores de temperatura media [ editar ]
Estos colectores podrían usarse para producir aproximadamente el 50% y más del agua caliente necesaria para uso residencial y comercial en los Estados Unidos. [22]En los Estados Unidos, un sistema típico cuesta entre $ 4000 y $ 6000 al por menor ($ 1400 a $ 2200 al por mayor para los materiales) y el 30% del sistema califica para un crédito fiscal federal + existe un crédito estatal adicional en aproximadamente la mitad de los estados. La mano de obra para un sistema simple de circuito abierto en los climas del sur puede llevar de 3 a 5 horas para la instalación y de 4 a 6 horas en las áreas del norte. El sistema Northern requiere más área de colector y tuberías más complejas para proteger al colector de la congelación. Con este incentivo, el tiempo de recuperación de la inversión para un hogar típico es de cuatro a nueve años, según el estado. Existen subsidios similares en partes de Europa. Un equipo de un plomero solar y dos asistentes con una formación mínima pueden instalar un sistema por día.La instalación de termosifón tiene costos de mantenimiento insignificantes (los costos aumentan si se usa anticongelante y la red eléctrica para la circulación) y en los EE. UU. Reduce los costos operativos de los hogares en $ 6 por persona por mes. El calentamiento solar de agua puede reducir el CO2 emisiones de una familia de cuatro por 1 tonelada / año (si se reemplaza el gas natural) o 3 toneladas / año (si se reemplaza la electricidad). [23] Las instalaciones de temperatura media pueden usar cualquiera de varios diseños: los diseños comunes son glicol presurizado, drenaje, sistemas por lotes y sistemas más nuevos tolerantes a la congelación de baja presión que utilizan tuberías de polímero que contienen agua con bombeo fotovoltaico. Se están revisando las normas europeas e internacionales para incorporar las innovaciones en el diseño y el funcionamiento de los colectores de temperatura media. Las innovaciones operativas incluyen la operación de "colector permanentemente mojado". Esta innovación reduce o incluso elimina la ocurrencia de tensiones de alta temperatura sin flujo llamadas estancamiento que de otra manera reducirían la esperanza de vida de los colectores.
Secado solar [ editar ]
La energía solar térmica puede ser útil para secar madera para construcción y combustibles de madera como astillas de madera para combustión. La energía solar también se utiliza para productos alimenticios como frutas, cereales y pescado. El secado de cultivos por medios solares es respetuoso con el medio ambiente y rentable al tiempo que mejora la calidad. Cuanto menos dinero se necesita para fabricar un producto, menos se puede vender, complaciendo tanto a los compradores como a los vendedores. Las tecnologías en el secado solar incluyen colectores de aire de placas transpiradas bombeadas de muy bajo costo basados en telas negras. La energía solar térmica es útil en el proceso de secado de productos como astillas de madera y otras formas de biomasa al elevar la temperatura mientras permite que el aire pase y elimine la humedad. [24]
Cocinar [ editar ]
Las cocinas solares utilizan la luz solar para cocinar, secar y pasteurizar . La cocción solar compensa los costos de combustible, reduce la demanda de combustible o leña y mejora la calidad del aire al reducir o eliminar una fuente de humo.
El tipo más simple de cocina solar es la cocina de caja construida por Horace de Saussure en 1767. Una cocina de caja básica consiste en un recipiente aislado con una tapa transparente. Estas cocinas se pueden utilizar eficazmente con cielos parcialmente cubiertos y normalmente alcanzarán temperaturas de 50 a 100 ° C. [25] [26]
Las cocinas solares de concentración utilizan reflectores para concentrar la energía solar en un recipiente de cocción. Las geometrías de reflector más comunes son la placa plana, el disco y el tipo cilindro parabólico. Estos diseños se cocinan más rápido y a temperaturas más altas (hasta 350 ° C) pero requieren luz directa para funcionar correctamente.
La cocina solar en Auroville , India , utiliza una tecnología de concentración única conocida como cuenco solar . A diferencia de los sistemas convencionales de reflector de seguimiento / receptor fijo, el cuenco solar utiliza un reflector esférico fijo con un receptor que sigue el foco de luz a medida que el Sol se mueve por el cielo. El receptor del recipiente solar alcanza una temperatura de 150 ° C que se utiliza para producir vapor que ayuda a cocinar 2.000 comidas diarias. [27]
Muchas otras cocinas solares en la India utilizan otra tecnología de concentración única conocida como reflector Scheffler. Esta tecnología fue desarrollada por primera vez por Wolfgang Scheffler en 1986. Un reflector Scheffler es un plato parabólico que utiliza el seguimiento de un solo eje para seguir el curso diario del Sol. Estos reflectores tienen una superficie reflectante flexible que puede cambiar su curvatura para adaptarse a las variaciones estacionales en el ángulo de incidencia de la luz solar. Los reflectores Scheffler tienen la ventaja de tener un punto focal fijo que mejora la facilidad de cocción y pueden alcanzar temperaturas de 450-650 ° C. [28] Construido en 1999 por Brahma Kumaris , el sistema reflector Scheffler más grande del mundo en Abu Road, Rajasthan India, es capaz de cocinar hasta 35.000 comidas al día.[29] A principios de 2008, se habían construido más de 2000 cocinas grandes del diseño de Scheffler en todo el mundo.
Destilación [ editar ]
Los alambiques solares se pueden utilizar para producir agua potable en áreas donde el agua limpia no es común. La destilación solar es necesaria en estas situaciones para proporcionar a las personas agua purificada. La energía solar calienta el agua en el destilador. Luego, el agua se evapora y se condensa en el fondo del cubreobjetos. [24]
Colectores de alta temperatura [ editar ]
Cuando son suficientes temperaturas por debajo de aproximadamente 95 ° C, como para la calefacción de espacios, generalmente se utilizan colectores de placa plana del tipo no concentrado. Debido a las pérdidas de calor relativamente altas a través del acristalamiento, los colectores de placa plana no alcanzarán temperaturas muy superiores a 200 ° C incluso cuando el fluido caloportador esté estancado. Estas temperaturas son demasiado bajas para una conversión eficiente en electricidad.
La eficiencia de los motores térmicos aumenta con la temperatura de la fuente de calor. Para lograr esto en las plantas de energía solar térmica, la radiación solar se concentra mediante espejos o lentes para obtener temperaturas más altas, una técnica llamada Energía Solar Concentrada (CSP). El efecto práctico de las altas eficiencias es reducir el tamaño del colector de la planta y el uso total de la tierra por unidad de energía generada, reduciendo los impactos ambientales de una planta de energía, así como su gasto.
A medida que aumenta la temperatura, se vuelven prácticas diferentes formas de conversión. Hasta 600 ° C, las turbinas de vapor , tecnología estándar, tienen una eficiencia de hasta el 41%. Por encima de 600 ° C, las turbinas de gas pueden ser más eficientes. Las temperaturas más altas son problemáticas porque se necesitan diferentes materiales y técnicas. Una propuesta para temperaturas muy altas es usar sales de fluoruro líquido que operan entre 700 ° C y 800 ° C, usando sistemas de turbinas de múltiples etapas para lograr un 50% o más de eficiencias térmicas. [30] Las temperaturas de funcionamiento más altaspermitir que la planta utilice intercambiadores de calor seco de mayor temperatura para su escape térmico, reduciendo el uso de agua de la planta, crítico en los desiertos donde las grandes plantas solares son prácticas. Las altas temperaturas también hacen que el almacenamiento de calor sea más eficiente, porque se almacenan más vatios-hora por unidad de fluido.
Las plantas comerciales de energía solar térmica de concentración (CSP) se desarrollaron por primera vez en la década de 1980. Las plantas de energía solar térmica más grandes del mundo son ahora la Planta de Energía Solar Ivanpah de 370 MW , puesta en servicio en 2014, y la instalación de CSP SEGS de 354 MW , ambas ubicadas en el desierto de Mojave de California, donde también se han realizado varios otros proyectos solares . Con la excepción de la estación de energía solar Shams , construida en 2013 cerca de Abu Dhabi , Emiratos Árabes Unidos, todas las demás plantas de CSP de 100 MW o más están ubicadas en los Estados Unidos o en España.
La principal ventaja de la CSP es la capacidad de agregar almacenamiento térmico de manera eficiente, lo que permite el envío de electricidad durante un período de hasta 24 horas. Dado que la demanda máxima de electricidad suele producirse entre las 4 y las 8 pm, [31] muchas plantas de energía termosolar utilizan de 3 a 5 horas de almacenamiento térmico. Con la tecnología actual, el almacenamiento de calor es mucho más barato y más eficiente que el almacenamiento de electricidad. De esta forma, la planta de CSP puede producir electricidad de día y de noche. Si el sitio de CSP tiene radiación solar predecible, entonces la planta de CSP se convierte en una planta de energía confiable. La confiabilidad se puede mejorar aún más instalando un sistema de combustión de respaldo. El sistema de respaldo puede utilizar la mayor parte de la planta de CSP, lo que reduce el costo del sistema de respaldo.
Las instalaciones de CSP utilizan materiales de alta conductividad eléctrica, como cobre , en cables de alimentación de campo , redes de puesta a tierra y motores para rastrear y bombear fluidos, así como en el generador principal y en los transformadores de alto voltaje . (Ver: Cobre en plantas de concentración de energía solar térmica ).
Con confiabilidad, desierto sin uso, sin contaminación y sin costos de combustible, los obstáculos para un gran despliegue de CSP son el costo, la estética, el uso de la tierra y factores similares para las líneas de conexión de alta tensión necesarias. Aunque solo un pequeño porcentaje del desierto es necesario para satisfacer la demanda mundial de electricidad, aún es necesario cubrir una gran área con espejos o lentes para obtener una cantidad significativa de energía. Una forma importante de reducir los costos es el uso de un diseño simple.
Al considerar los impactos del uso de la tierra asociados con la exploración y extracción hasta el transporte y la conversión de combustibles fósiles , que se utilizan para la mayor parte de nuestra energía eléctrica, la energía solar a escala de servicios públicos se compara como uno de los recursos energéticos más eficientes de la tierra disponibles: [32 ]
El gobierno federal ha dedicado casi 2,000 veces más acres a los arrendamientos de petróleo y gas que al desarrollo solar. En 2010, la Oficina de Administración de Tierras aprobó nueve proyectos solares a gran escala, con una capacidad de generación total de 3.682 megavatios, lo que representa aproximadamente 40.000 acres. En contraste, en 2010, la Oficina de Administración de Tierras procesó más de 5,200 solicitudes de arrendamientos de gas y petróleo, y emitió 1,308 arrendamientos, por un total de 3.2 millones de acres. Actualmente, 38.2 millones de acres de tierras públicas en tierra y 36.9 millones de acres adicionales de exploración en alta mar en el Golfo de México están bajo arrendamiento para el desarrollo, exploración y producción de petróleo y gas. [32] [ verificación fallida ]
Diseños de sistemas [ editar ]
Durante el día el sol tiene diferentes posiciones. Para sistemas de baja concentración (y bajas temperaturas), el seguimiento puede evitarse (o limitarse a unas pocas posiciones por año) si se utilizan ópticas sin imágenes . [33] [34] Sin embargo, para concentraciones más altas, si los espejos o lentes no se mueven, entonces el enfoque de los espejos o lentes cambia. Se requiere un sistema de seguimiento que siga la posición del sol. El sistema de seguimiento aumenta el costo y la complejidad. Teniendo esto en cuenta, se pueden distinguir diferentes diseños en la forma en que concentran la luz y siguen la posición del sol.
Diseños de colectores cilindroparabólicos [ editar ]
Las plantas de energía cilindroparabólica utilizan un canal espejado curvo que refleja la radiación solar directa sobre un tubo de vidrio que contiene un fluido (también llamado receptor, absorbedor o colector) que corre a lo largo del canal, ubicado en el punto focal de los reflectores. El canal es parabólico a lo largo de un eje y lineal en el eje ortogonal. Para cambiar la posición diaria del sol perpendicular al receptor, la vaguada se inclina de este a oeste para que la radiación directa permanezca enfocada en el receptor. Sin embargo, los cambios estacionales en el ángulo de la luz solar son paralelosa la artesa no requiere ajuste de los espejos, ya que la luz simplemente se concentra en otra parte del receptor. Por lo tanto, el diseño del canal no requiere seguimiento en un segundo eje. El receptor puede estar encerrado en una cámara de vacío de vidrio. El vacío reduce significativamente la pérdida de calor por convección.
Un fluido (también llamado fluido de transferencia de calor) pasa a través del receptor y se calienta mucho. Los fluidos comunes son aceite sintético, sal fundida y vapor presurizado. El fluido que contiene el calor se transporta a un motor térmico donde aproximadamente un tercio del calor se convierte en electricidad.
Los sistemas de colectores cilindro-parabólicos a gran escala constan de muchos de estos colectores dispuestos en paralelo sobre una gran superficie de tierra. Desde el año 1985 un sistema de energía solar con este principio ha estado en pleno funcionamiento en California en el Estados Unidos . Se llama sistema de sistemas de generación de energía solar (SEGS). [35] Otros diseños de CSP carecen de este tipo de larga experiencia y, por lo tanto, actualmente se puede decir que el diseño de cilindro parabólico es la tecnología de CSP más probada.
La SEGS es una colección de nueve plantas con una capacidad total de 354 MW y ha sido la planta de energía solar más grande del mundo, tanto térmica como no térmica, durante muchos años. Una planta más nueva es la planta Nevada Solar One con una capacidad de 64 MW. Las centrales solares de 150 MW Andasolestán en España y cada sitio tiene una capacidad de 50 MW. Sin embargo, tenga en cuenta que esas plantas tienen almacenamiento de calor que requiere un campo más grande de colectores solares en relación con el tamaño de la turbina-generador de vapor para almacenar calor y enviar calor a la turbina de vapor al mismo tiempo. El almacenamiento de calor permite una mejor utilización de la turbina de vapor. Con el funcionamiento diurno y nocturno de la turbina de vapor, Andasol 1 a una capacidad máxima de 50 MW produce más energía que Nevada Solar One a una capacidad máxima de 64 MW, debido al sistema de almacenamiento de energía térmica de la planta anterior y al campo solar más grande. La estación generadora Solana de 280MW entró en funcionamiento en Arizona en 2013 con 6 horas de almacenamiento de energía. Central eléctrica de ciclo combinado solar integrado Hassi R'Mel en Argelia yEl Centro de Energía Solar Martin Next Generation utiliza cilindros parabólicos en un ciclo combinado con gas natural.
Comedero cerrado [ editar ]
La arquitectura de canal cerrado encapsula el sistema solar térmico dentro de un invernadero similar a un invernadero. El invernadero crea un ambiente protegido para resistir los elementos que pueden afectar negativamente la confiabilidad y eficiencia del sistema térmico solar. [36]
Dentro de la estructura del invernadero están suspendidos espejos ligeros curvos que reflejan el sol. Un sistema de seguimiento de un solo eje coloca los espejos para seguir el sol y enfocar su luz en una red de tuberías de acero estacionarias, también suspendidas de la estructura del invernadero. [37] El vapor se genera directamente, utilizando agua de calidad de campo petrolífero, a medida que el agua fluye desde la entrada a lo largo de las tuberías, sin intercambiadores de calor ni fluidos de trabajo intermedios.
El vapor producido luego se alimenta directamente a la red de distribución de vapor existente en el campo, donde el vapor se inyecta continuamente en las profundidades del depósito de petróleo. Proteger los espejos del viento les permite alcanzar tasas de temperatura más altas y evita que se acumule polvo como resultado de la exposición a la humedad. [36] GlassPoint Solar , la compañía que creó el diseño Enclosed Trough, afirma que su tecnología puede producir calor para EOR por alrededor de $ 5 por millón de unidades térmicas británicas en regiones soleadas, en comparación con entre $ 10 y $ 12 para otras tecnologías térmicas solares convencionales. [38]
El sistema de canal cerrado de GlassPoint se ha utilizado en las instalaciones de Miraah en Omán , y recientemente se anunció un nuevo proyecto para que la compañía lleve su tecnología de canal cerrado al campo petrolero South Belridge , cerca de Bakersfield, California . [39]
Diseños de torres de energía [ editar ]
Torres de energía (también conocidas como plantas de energía de 'torre central' o ' helióstatos'centrales eléctricas) capturan y enfocan la energía térmica del sol con miles de espejos de seguimiento (llamados helióstatos) en aproximadamente un campo de dos millas cuadradas. Una torre reside en el centro del campo de helióstatos. Los helióstatos enfocan la luz solar concentrada en un receptor que se encuentra en la parte superior de la torre. Dentro del receptor, la luz solar concentrada calienta la sal fundida a más de 1,000 ° F (538 ° C). La sal fundida calentada luego fluye a un tanque de almacenamiento térmico donde se almacena, manteniendo una eficiencia térmica del 98%, y finalmente se bombea a un generador de vapor. El vapor impulsa una turbina estándar para generar electricidad. Este proceso, también conocido como el "ciclo Rankine" es similar a una planta de energía de carbón estándar, excepto que se alimenta con energía solar limpia y gratuita.
La ventaja de este diseño por encima del diseño de cilindro parabólico es la temperatura más alta. La energía térmica a temperaturas más altas se puede convertir en electricidad de manera más eficiente y se puede almacenar de manera más económica para su uso posterior. Además, hay menos necesidad de aplanar el área del suelo. En principio, se puede construir una torre de energía en la ladera de una colina. Los espejos pueden ser planos y la plomería se concentra en la torre. La desventaja es que cada espejo debe tener su propio control de doble eje, mientras que en el diseño de cilindro parabólico, el seguimiento de un solo eje se puede compartir para una gran variedad de espejos.
El NREL realizó una comparación de costo / rendimiento entre las torres de energía y los concentradores de cilindro parabólico, que estimó que para el 2020 se podría producir electricidad a partir de torres de energía por 5,47 ¢ / kWh y por 6,21 ¢ / kWh de colectores cilindro parabólicos. El factor de capacidad para torres de energía se estimó en 72,9% y 56,2% para colectores cilindro-parabólicos. [40] Existe la esperanza de que el desarrollo de componentes de plantas de energía de helióstatos baratos, duraderos y producibles en masa pueda reducir este costo. [41]
La primera central eléctrica de torre comercial fue PS10 en España con una capacidad de 11 MW, finalizada en 2007. Desde entonces se han propuesto varias plantas, varias se han construido en varios países (España, Alemania, EE. UU., Turquía, China , India), pero varias plantas propuestas se cancelaron debido a que los precios de la energía solar fotovoltaica se desplomaron. Una torre de energía solar se puso en funcionamiento en Sudáfrica en 2016. [42] La planta de energía solar Ivanpah en California genera 392 MW de electricidad a partir de tres torres, lo que la convierte en la planta de torre de energía solar más grande cuando entró en funcionamiento a finales de 2013.
Diseños de platos [ editar ]
Se sabe que CSP-Stirling tiene la mayor eficiencia de todas las tecnologías solares (alrededor del 30%, en comparación con aproximadamente el 15% de la energía solar fotovoltaica) [ necesita actualización ] , y se prevé que pueda producir la energía más barata entre todas las fuentes de energía renovables en alta -producción a escala y áreas calientes, semidesiertos, etc. [ cita requerida ] Un sistema Stirling de plato utiliza un plato parabólico reflectante grande (similar en forma a un plato de televisión por satélite). Enfoca toda la luz del sol que incide en el plato en un solo punto sobre el plato, donde un receptor captura el calor y lo transforma en una forma útil. Normalmente, el plato está acoplado con un motor Stirling.en un sistema Dish-Stirling, pero a veces también se utiliza una máquina de vapor . [43] Estos crean energía cinética rotacional que se puede convertir en electricidad usando un generador eléctrico. [44]
En 2005, Southern California Edison anunció un acuerdo para comprar motores Stirling con energía solar de Stirling Energy Systems durante un período de veinte años y en cantidades (20.000 unidades) suficientes para generar 500 megavatios de electricidad. En enero de 2010, Stirling Energy Systems y Tessera Solar encargaron la primera planta de energía de demostración de 1,5 megavatios ("Maricopa Solar") con tecnología Stirling en Peoria, Arizona. [45] A principios de 2011, la rama de desarrollo de Stirling Energy, Tessera Solar, vendió sus dos grandes proyectos, el proyecto Imperial de 709 MW y el proyecto Calico de 850 MW a AES Solar y K.Road, respectivamente. [46] [47] En 2012, la planta de Maricopa fue comprada y desmantelada porUnited Sun Systems . [48] United Sun Systems lanzó un sistema de nueva generación , basado en un motor Stirling en forma de V y una producción máxima de 33 kW. La nueva tecnología CSP-Stirling reduce el LCOE a USD 0,02 en la escala de servicios públicos. [ cita requerida ]
Según su desarrollador, Rispasso Energy , una empresa sueca, en 2015 su sistema Dish Sterling que se estaba probando en el desierto de Kalahari en Sudáfrica mostró una eficiencia del 34%. [49]
Tecnologías Fresnel [ editar ]
Un reflector de Fresnel linealLa planta de energía utiliza una serie de espejos largos, estrechos y de poca curvatura (o incluso planos) para enfocar la luz en uno o más receptores lineales colocados sobre los espejos. En la parte superior del receptor se puede colocar un pequeño espejo parabólico para enfocar más la luz. Estos sistemas tienen como objetivo ofrecer costos generales más bajos al compartir un receptor entre varios espejos (en comparación con los conceptos de canal y plato), mientras se sigue utilizando la geometría de enfoque de línea simple con un eje para el seguimiento. Esto es similar al diseño de canal (y diferente de las torres centrales y platos con doble eje). El receptor es estacionario y, por lo tanto, no se requieren acoplamientos hidráulicos (como en comederos y platos). Los espejos tampoco necesitan sostener el receptor, por lo que son estructuralmente más simples.Cuando se utilizan estrategias de puntería adecuadas (espejos dirigidos a diferentes receptores en diferentes momentos del día), esto puede permitir un empaquetamiento más denso de espejos en el área de tierra disponible.
Las tecnologías de seguimiento de eje único rivales incluyen las tecnologías de reflector Fresnel lineal (LFR) y LFR compacto (CLFR) relativamente nuevas. El LFR se diferencia del del cilindro parabólico en que el absorbedor está fijado en el espacio por encima del campo del espejo. Además, el reflector está compuesto por muchos segmentos de filas bajas, que se enfocan colectivamente en un receptor de torre largo elevado que corre paralelo al eje de rotación del reflector. [50]
Se han producido prototipos de concentradores de lentes Fresnel para la recolección de energía térmica por International Automated Systems . [51] No se conocen sistemas térmicos a gran escala que utilicen lentes de Fresnel, aunque ya se encuentran disponibles productos que incorporan lentes de Fresnel junto con células fotovoltaicas. [52]
MicroCSP [ editar ]
MicroCSP se utiliza para plantas de energía de tamaño comunitario (1 MW a 50 MW), para aplicaciones de `` calor de proceso '' industriales, agrícolas y de fabricación, y cuando se necesitan grandes cantidades de agua caliente, como piscinas de complejos turísticos, parques acuáticos, lavandería grande. instalaciones, esterilización, destilación y otros usos similares.
Canal parabólico cerrado [ editar ]
El sistema termosolar de cilindro parabólico cerrado encapsula los componentes dentro de un tipo de invernadero de invernadero estándar. El invernadero protege los componentes de los elementos que pueden afectar negativamente la confiabilidad y eficiencia del sistema. Esta protección incluye de manera importante el lavado nocturno del techo de vidrio con sistemas de lavado automatizados listos para usar con eficiencia de agua optimizados. [36] Los espejos reflectantes solares curvos y livianos están suspendidos del techo del invernadero mediante cables. Un sistema de seguimiento de un solo eje coloca los espejos para recuperar la cantidad óptima de luz solar. Los espejos concentran la luz solar y la enfocan en una red de tuberías de acero estacionarias, también suspendidas de la estructura del invernadero. [37]El agua se bombea a través de las tuberías y se hierve para generar vapor cuando se aplica una intensa radiación solar. El vapor está disponible para calor de proceso. Proteger los espejos del viento les permite alcanzar índices de temperatura más altos y evita que se acumule polvo en los espejos como resultado de la exposición a la humedad. [36]
Recolección e intercambio de calor [ editar ]
El calor en un sistema solar térmico se rige por cinco principios básicos: ganancia de calor; transferencia de calor ; almacenamiento de calor ; transporte de calor ; y aislamiento térmico . [53] Aquí, el calor es la medida de la cantidad de energía térmica que contiene un objeto y está determinada por la temperatura, la masa y el calor específico del objeto. Las plantas de energía solar térmica utilizan intercambiadores de calor que están diseñados para condiciones de trabajo constantes, para proporcionar intercambio de calor. Intercambiadores de calor de cobreson importantes en los sistemas de calefacción y refrigeración solar térmica debido a la alta conductividad térmica del cobre, la resistencia a la corrosión atmosférica y del agua, el sellado y la unión por soldadura y la resistencia mecánica. El cobre se utiliza tanto en receptores como en circuitos primarios (tuberías e intercambiadores de calor para tanques de agua) de los sistemas solares térmicos de agua. [54]
La ganancia de calor es el calor acumulado por el sol en el sistema. El calor solar térmico se atrapa mediante el efecto invernadero ; el efecto invernadero en este caso es la capacidad de una superficie reflectante para transmitir radiación de onda corta y reflejar la radiación de onda larga. El calor y la radiación infrarroja (IR) se producen cuando la luz de radiación de onda corta golpea la placa absorbente, que luego queda atrapada dentro del colector. El fluido, generalmente agua, en los tubos absorbedores recolecta el calor atrapado y lo transfiere a una bóveda de almacenamiento de calor.
El calor se transfiere por conducción o por convección. Cuando se calienta el agua, la energía cinética se transfiere por conducción a las moléculas de agua en todo el medio. Estas moléculas esparcen su energía térmica por conducción y ocupan más espacio que las moléculas frías que se mueven lentamente por encima de ellas. La distribución de energía del agua caliente ascendente al agua fría que desciende contribuye al proceso de convección. El calor se transfiere desde las placas absorbentes del colector en el fluido por conducción. El fluido del colector se hace circular a través de los tubos portadores hasta la bóveda de transferencia de calor. Dentro de la bóveda, el calor se transfiere por todo el medio por convección.
El almacenamiento de calor permite que las plantas solares térmicas produzcan electricidad durante horas sin luz solar. El calor se transfiere a un medio de almacenamiento térmico en un depósito aislado durante las horas con luz solar y se extrae para la generación de energía durante las horas que carecen de luz solar. Los medios de almacenamiento térmico se discutirán en una sección de almacenamiento de calor. La tasa de transferencia de calor está relacionada con el medio conductor y de convección, así como con las diferencias de temperatura. Los cuerpos con grandes diferencias de temperatura transfieren calor más rápido que los cuerpos con diferencias de temperatura más bajas.
El transporte de calor se refiere a la actividad en la que el calor de un colector solar se transporta a la bóveda de almacenamiento de calor. El aislamiento térmico es vital tanto en la tubería de transporte de calor como en la bóveda de almacenamiento. Evita la pérdida de calor, que a su vez se relaciona con la pérdida de energía o la disminución de la eficiencia del sistema.
Almacenamiento de calor para cargas de base eléctrica [ editar ]
El almacenamiento de calor permite que una planta termosolar produzca electricidad por la noche y en días nublados. Esto permite el uso de energía solar para la generación de carga base , así como para la generación de energía pico , con el potencial de desplazar tanto a las centrales eléctricas de carbón como a las de gas natural. Además, la utilización del generador es mayor, lo que reduce el costo. Incluso el almacenamiento a corto plazo puede ayudar a suavizar la " curva de pato " del cambio rápido en los requisitos de generación al atardecer cuando una red incluye grandes cantidades de capacidad solar.
El calor se transfiere a un medio de almacenamiento térmico en un depósito aislado durante el día y se extrae para la generación de energía durante la noche. Los medios de almacenamiento térmico incluyen vapor a presión, hormigón, una variedad de materiales de cambio de fase y sales fundidas como nitrato de calcio, sodio y potasio. [55] [56]
Acumulador de vapor [ editar ]
La torre de energía solar PS10 almacena calor en tanques como vapor presurizado a 50 bar y 285 ° C. El vapor se condensa y vuelve a convertirse en vapor cuando se reduce la presión. El almacenamiento es de una hora. Se sugiere que es posible un almacenamiento más prolongado, pero eso no se ha probado en una central eléctrica existente. [57]
Almacenamiento de sales fundidas [ editar ]
La sal fundida se utiliza para transportar calor en sistemas de torres de energía solar porque es líquida a presión atmosférica, proporciona un medio de bajo costo para almacenar energía térmica, sus temperaturas de funcionamiento son compatibles con las turbinas de vapor actuales y no es inflamable ni tóxico. La sal fundida también se utiliza en las industrias química y de metales para transportar calor.
La primera mezcla comercial de sales fundidas fue una forma común de salitre , 60% de nitrato de sodio y 40% de nitrato de potasio . El salitre se derrite a 220 ° C (430 ° F) y se mantiene líquido a 290 ° C (550 ° F) en un tanque de almacenamiento aislado. El nitrato de calcio puede reducir el punto de fusión a 131 ° C, lo que permite extraer más energía antes de que la sal se congele. Actualmente existen varios grados técnicos de nitrato de calcio estables a más de 500 ° C.
Este sistema de energía solar puede generar energía en tiempo nublado o de noche utilizando el calor del tanque de sal caliente. Los tanques están aislados y pueden almacenar calor durante una semana. Los tanques que alimentan una turbina de 100 megavatios durante cuatro horas tendrían aproximadamente 9 m (30 pies) de altura y 24 m (80 pies) de diámetro.
La central eléctrica de Andasol en España es la primera central termosolar comercial que utiliza sales fundidas para el almacenamiento de calor y la generación nocturna. Entró en funcionamiento en marzo de 2009. [59] El 4 de julio de 2011, una empresa en España celebró un momento histórico para la industria solar: la planta de energía solar de concentración de 19,9 MW de Torresol se convirtió en la primera en generar electricidad ininterrumpida durante 24 horas seguidas, utilizando un almacenamiento de calor de sales fundidas. [60]
En enero de 2019, el proyecto de la estación de energía fototérmica de energía solar de la torre de sal fundida de Shouhang Energy Saving Dunhuang de 100MW se conectó a la red y comenzó a funcionar. Su configuración incluye un sistema de almacenamiento de calor de sales fundidas de 11 horas y puede generar energía de forma consecutiva durante 24 horas. [61]
Materiales de cambio de fase para almacenamiento [ editar ]
Los materiales de cambio de fase (PCM) ofrecen una solución alternativa en el almacenamiento de energía. [62] Utilizando una infraestructura de transferencia de calor similar, los PCM tienen el potencial de proporcionar un medio de almacenamiento más eficiente. Los PCM pueden ser materiales orgánicos o inorgánicos. Las ventajas de los PCM orgánicos incluyen la ausencia de corrosivos, el subenfriamiento bajo o nulo y la estabilidad química y térmica. Las desventajas incluyen baja entalpía de cambio de fase, baja conductividad térmica e inflamabilidad. Los inorgánicos son ventajosos con mayor entalpía de cambio de fase, pero presentan desventajas con subenfriamiento, corrosión, separación de fases y falta de estabilidad térmica. La mayor entalpía de cambio de fase en los PCM inorgánicos hace que las sales de hidratos sean un fuerte candidato en el campo del almacenamiento de energía solar. [63]
Uso de agua [ editar ]
Un diseño que requiera agua para la condensación o enfriamiento puede entrar en conflicto con la ubicación de las plantas solares térmicas en áreas desérticas con buena radiación solar pero con recursos hídricos limitados. El conflicto está ilustrado por los planes de Solar Millennium , una empresa alemana, para construir una planta en el Valle Amargosa de Nevada que requeriría el 20% del agua disponible en el área. Algunas otras plantas proyectadas por la misma y otras compañías en el desierto de Mojave de California también pueden verse afectadas por la dificultad para obtener derechos de agua adecuados y apropiados. La ley de agua de California prohíbe actualmente el uso de agua potable para enfriar. [64]
Otros diseños requieren menos agua. La planta de energía solar de Ivanpah en el sureste de California conserva la escasa agua del desierto mediante el uso de refrigeración por aire para convertir el vapor de nuevo en agua. En comparación con el enfriamiento húmedo convencional, esto da como resultado una reducción del 90% en el uso de agua a costa de cierta pérdida de eficiencia. Luego, el agua se devuelve a la caldera en un proceso cerrado que es respetuoso con el medio ambiente. [sesenta y cinco]
Eficiencia de conversión eléctrica [ editar ]
De todas estas tecnologías, el plato solar / motor Stirling tiene la mayor eficiencia energética. Un solo plato solar: el motor Stirling instalado en la Instalación Nacional de Prueba Térmica Solar (NSTTF) de Sandia National Laboratories produce hasta 25 kW de electricidad, con una eficiencia de conversión del 31,25%. [66]
Se han construido plantas solares cilindroparabólicas con eficiencias de aproximadamente el 20%. [ cita requerida ] Los reflectores Fresnel tienen una eficiencia ligeramente menor (pero esto se compensa con el empaque más denso).
Las eficiencias brutas de conversión (teniendo en cuenta que los platos solares o comederos ocupan solo una fracción del área total de la planta de energía) están determinadas por la capacidad de generación neta sobre la energía solar que cae sobre el área total de la planta solar. La planta SCE / SES de 500 megavatios (MW) extraería aproximadamente el 2,75% de la radiación (1 kW / m²; consulte Energía solar para una discusión) que cae sobre sus 4.500 acres (18,2 km²). [67] Para la central eléctrica AndaSol de 50 MW [68] que se está construyendo en España (área total de 1300 × 1500 m = 1,95 km²), la eficiencia de conversión bruta es del 2,6%.
La eficiencia no se relaciona directamente con el costo: el costo total incluye el costo de construcción y mantenimiento.
Estándares [ editar ]
- EN 12975 (prueba de eficiencia)
Ver también [ editar ]
- Calefacción solar central
- Torre de energía (corriente descendente)
- EnerWorks
- Lista de centrales termosolares
- Conversión de energía térmica oceánica
- Colector solar híbrido térmico fotovoltaico
- Plantas de energía solar en el desierto de Mojave
- Seguidor solar
- Torre de corriente ascendente solar
- SolarPACES
Notas [ editar ]
Referencias [ editar ]
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Enlaces externos [ editar ]
 | Wikimedia Commons tiene medios relacionados con la energía solar térmica . |
- Es hora de que la energía solar brille MSN Money
- La energía solar térmica más grande del mundo en Arabia Saudita
- Tecnologías renovables in situ en el sitio web de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos
- Sitios web de energía solar renovable en Curlie
- Evaluación de la estrategia del Banco Mundial / FMAM para el desarrollo del mercado de energía termosolar de concentración
- Calculadora de energía solar térmica
- Energía solar de concentración Una descripción general de la tecnología por Gerry Wolff, coordinador de TREC-UK
- Sitio del programa de energía solar de concentración NREL
- Revisión integral de la tecnología y los mercados de los colectores cilindroparabólicos
- Nevada obtiene la primera planta termosolar de EE. UU.
- Barómetro de energía solar térmica y de energía solar concentrada [ enlace muerto permanente ] - 2013 Pdf
- Informe de evaluación de la preparación del mercado de TechScope para calentamiento solar de agua - PNUMA [ enlace muerto permanente ]
- Guía para campañas de sensibilización sobre calefacción y refrigeración solar - PNUMA
- Directrices para la estandarización y garantía de calidad de la energía solar térmica - PNUMA
- Directrices para la política y las condiciones marco de calentamiento y enfriamiento de agua solar - PNUMA
- Calentamiento solar de agua, una guía de planificación estratégica para ciudades de países en desarrollo - PNUMA [ enlace muerto permanente ]
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