CENTRALES SOLARES

1. Los Sistemas de Aprovechamiento a Baja y Media Temperatura.
   • Arquitectura Solar
   • Colectores solares
     1. Colectores Planos
     2. Colectores de Concentración
2. Los Sistemas de Aprovechamiento de Energía Solar a Alta Temperatura.

El Sol es un gigantesco reactor nuclear. En efecto es una enorme esfera gaseosa (con una masa 330.000 veces mayor que la de la Tierra), formado fundamentalmente por Helio, Hidrógeno y Carbono, en el seno de la cual se producen continuas reacciones nucleares de fusión, es decir, reacciones mediante las cuales se unen los núcleos de dos átomos de hidrógeno para formar un núcleo de helio, liberando en dicho proceso una gran cantidad de energía. De la enorme cantidad de energía que emite constantemente el Sol, una parte llega a la atmósfera terrestre en forma de radiación solar. De ella, un tercio es enviada de nuevo al espacio a consecuencia de los procesos de refracción y reflexión que tienen lugar en la atmósfera de la Tierra. De los dos tercios restantes, una parte es absorbida por las distintas capas atmosférica que rodean el globo terráqueo. El resto llega efectivamente a la superficie de la Tierra por dos vías: directamente, es decir, incidiendo sobre los objetivos iluminados por el Sol; e indirectamente, como reflejo de la radiación solar que es absorbida por el polvo y el aire. La primera recibe el nombre de radiación directa y a la segunda se le llama radiación difusa.

Por otro lado, la energía emitida por el Sol no llega a la Tierra de manera uniforme. Varía según la hora del día, según la inclinación estacional del globo terráqueo respecto del Sol, según las distintas zonas de la superficie terrestre, etc., debido a los movimientos de la Tierra y a la absorción de la radiación solar por parte de la atmósfera. En definitiva, se ha calculado que la energía por unidad de tiempo que recibe del Sol una superficie situada a nivel del mar es de unos 1.353 vatios por metro cuadrado.

Conviene tener en cuenta, por otro lado, que la energía solar tiene una importancia directa y esencial en la generación de diversas energía renovables. Así, la absorción de la energía solar por parte de las plantas -el proceso fotosintético- da lugar a la biomasa. La energía eólica, la energía mareomotriz, etc., tienen también su origen en los efectos de la radiación solar sobre la Tierra. Por otro lado la energía solar es incluso la causa última que explica la presencia de carbón, petróleo o gas natural en la corteza terrestre. No obstante, lo que nos interesa tratar en estas páginas son otras vías de aprovechamiento de la energía solar.

Su utilización presenta una serie de características muy particulares. Ante todo, se trata de una energía procedente de una fiente gratuita (la radiación solar) e inagotable a escala humana (se calcula que el Sol tiene unos 6.000 millones de años de existencia y que ésta se prolongará por otros tantos millones de años más).

Pero, aparte de estas dos características bien conocidas, la energía solar presenta la ventaja de que posee, además, una alta calidad energética, ya que mediante la concentración de la radiación solar pueden alcanzarse temperaturas de hasta 3.000ºC, que permiten en principio poner en marcha ciclos termodinámicos con rendimientos superiores a los que presentan los ciclos de las centrales convencionales (de carbón o fuel).

Frente a estas grandes ventajas, la energía solar plantea algunos serios inconvenientes para su aprovechamiento. Por un lado, es una energía que llega a la Tierra de manera semialeatroia y dispersa. Por otro, no puede ser almacenada directamente, sino que exige ser transformada de inmediato en otra forma de energía (calor, electricidad).

Pero posiblemente sus inconvenientes principales vengan por el lado económico y tecnológico. Para poder aprovechar a gran escala la energía solar es preciso utilizar sistemas de captación de grandes superficies por lo que la inversión inicial en un aprovechamiento de energía solar resulta aún muy elevada y costosa.

Los Sistemas de Aprovechamiento de la Energía Solar

En la actualidad, la energía solar está siendo aprovechada para fines energéticos a través de dos vías basadas en principios físicos diferentes.
Por un lado la vía térmica. Los sistemas que adoptan esta vía absorben la energía solar y la transforman en calor.
Por otro lado, la vía fotovoltaica. Este permite la transformación directa de la energía solar en energía eléctrica mediante las llamadas "células solares" o "células fotovotaicas". Dichas células hacen posible la producción de electricidad a partir de la radiación solar merced al efecto fotovoltaico, un efecto por el que se transforma directamente la energía luminosa en energía eléctrica y que se produce cuando la radiación solar entra en contacto con un material semiconductor cristalino.

Los sistemas basados en la vía térmica también pueden hacer posible el aprovechamiento de la energía solar en forma de energía eléctrica, pero siguinedo un método que podriamos llamar "indirecto". En efecto, algunos de estos sistemas absorben la energía solar en forma de calor mediante un captor térmico y después la transforman en electricidad mediante una máquina termodinámica.

La Vía Térmica

Habitualmente, se suele dividir a los sistemas de aprovechamiento de energía solar por vía térmica en dos grupos.

La utilización de la energía solar a baja y media temperatura
La utilización de energía solar a alta temperatura

1. Los sistemas de aprovechamiento a baja y media temperatura.

   
   Son los que ofrecen posibilidades más interesantes a corto plazo, utilizándose de cara a servicios de tipo domésticos, tales como la producción de agua caliente sanitaria, calefacción, climatización de piscinas, invernaderos, secaderos, etc.
   Normalmente, resulta conveniente en estos casos disponer de sistemas solares con apoyo de algún sistema convencional de producción de energía, para garantizar que el suministro energético es el adecuado, ya que, -como señalabamos anteriormente- la energía solar tiene un carácter disperso y semialeatorio, y, por lo tanto, pudiera suceder en un momento dado que la ausencia de una radiación solar suficiente hiciera imposible la cobertura de las necesidades energéticas mediante el sistema solar. Por otro lado, intentar basar un servicio exclusivamente en aportaciones energéticas de origen solar implicaría tener que instalar sistemas solares de grandes dimensiones y a precios aún prohibitivos, por lo que los sistemas mixtos solar-convencional resultan más racionales por el momento.
   El aprovechamiento de energía solar a baja temperatura se puede realizar a partir de varias vías diferentes.
   
   • Mediante la utilización pasiva de la energía solar o arquitectura solar.

     En efecto, arquitectos, promotores y constructores comienzan a ser sensibles ante las posibilidades que ofrecen la energía solar, por lo que intentan cada vez más que las viviendas que construyen se adapten adecuadamente al entorno y al clima en el que se encuentran localizados, evitando proyectos irracionales desde el punto de vista energético.
     Estas casas, por ejemplo tienen amplios ventanales orientados hacia el sur para calentar el interior en invierno y unas persianas diseñadas para generar un espacio refrigerado en el interior en verano. Además las paredes se construyen de maateriales cerámicos que en invierno guardan el calor y en verano lo expulsan además de utilizar depósitos de agua para guardar el calor para la noche de invierno.

   • Mediante los sistemas solares basados en colectores
     Un colector o captor es un instrumento que absorbe el calor proporcionado por el Sol con un mínimo de pérdidas y los transmite a un fluido (aire o más frecuentemente, agua). Generalmente se emplea para producir agua caliente de uso doméstico o para hacer funcionar sistemas de calefacción.
     Los hay de dos tipos:los sistemas de colecotres planos y los sistemas de colectores de concentración

     Colectores planos: son actualmente los más difundidos y representan alrededor del 90% de la producción de colectores. Se componen esquemáticamente de una lámina plana, o placa, capaz de absorber eficientemente la radiación solar y convertirla en calor, y de una serie de tubos en buen contacto térmico con la placa, por los que circula un líquido refrigerante (generalmente agua o agua con anticongelante). Este líquido que circula por los canales de distribución sirve para transmitir el calor absorbido por la placa a un sistema de producción de agua caliente o a un sistema de calefacción. La lámina es habitualmente metálica (de cobre o acero inoxidable, principalmente) y a menudo está recubierta de un tratamiento selectivo especial para hacer que la absortancia de la radiación solar por parte de la superficie de la lámina sea más intensa. Para disminuir las pérdidas de calor del colector, la parte posterior de la lámina posee un aislamiento térmico, y la parte superior una cubierta de láminas transparentes de cristal o -en algunos casos- plástico, que reduce las pérdidas de calor por radiación y convierte al colector en una especie de invernadero. Por último, una caja metálica es el soporte de todos estos elementos.

     

     Los colectores de concentración: se utilizan para instalaciones que trabajan a media temperatura, Estos colectores concentran la radiación solar que recibe la superficie captadora en un elemento receptor de superficie muy reducida (un punto, una línea). Al ser el recptor más pequeño que en los colectores planos puede estar fabricado a partir de materiales más sofisticados y caros que permiten una mejor absorción de la energía solar. por otro lado, al recibir la radiación solar de manera concentrada. los colectores de concentración son capaces de proporcionar temperaturas de hasta 300ºC con buenos rendimientos. Las centrales de colectores de concentración se utilizan para generar vepor a alta temperatura con destino a procesos industriales, para producir energía eléctrica, etc. Hay colectores de concentración de varios tipos. Pero todos ellos tienen en común que exigen estar dotados, para ser eficientes, de un sistema de seguimiento que les permita permanecer constantemente situados en la mejor posición para recibir los rayos del sol a lo largo del día. Los sitemas de seguimiento del sol de estos colectores son de varios tipos. El colector de concentración cilíndrico-parabólico (uno de los más difundidos) suele utilizar un reloj o sensor óptico. Este último combinado con un servomotor, hace girar al colector siguiendo la dirección del sol.

     Campos de colectores solares de concentración en la Plataforma Solar de Almería

     Uno de los inconvenientes de la mayoría de los colectores de concentración (y entre ellos, del cilídrico parabólico) es que sólo aprovechan la radiación directa del Sol, es decir, que sólo aprovechan los rayos solares que realmente inciden sobre su superficie. No son capaces, por el contrario, de captar la radiación solar difusa. Por ello, no resultan convenientes en zonas climáticas que, aunque reciben una aceptable cantidad de radiación solar, son relativamente nubosas. Sólo resultan realmente eficaces en zonas auténticamente soleadas.

     Esquema de una central eléctrica solar con colectores cilindro-parabólicos

2. Los sistemas de aprovechamiento de energía solar a alta temperatura

   El aprovechamiento de energía solar, a alta temperatura, para producir electricidad mediante vía termodinámica se basa en principios análogos a los que pueden contemplarse en una central eléctrica convencional que quema carbón o petróleo. Se consigue que la radiación solar caliente a alta temperatura un fluido primario (el fluido caloportador). Este fluido transmite el calor a un circuito secundario por el que circula un segundo fluido que, tras transformarse en vapor por la acción del calor, pone en marcha una trubina acoplada a un alternador. En algunos casos, es el propio fluido primario el que, convertido en vapor, acciona la turbina. Generalmente, todas estas instalaciones solares tienen incorporado un dispositivo que permite almacenar una cierta cantidad de enrgía en forma de calor para paliar en lo posible las fluctuaciones que puede presentar la radiación solar. Hay diversos tipos de centrales solares basadas en este principio. Las hay de caldera única, de receptores distribuidos, de discos parabólicos, etc. No obstante, las más extendidas son las centrales solares termoeléctricas de receptor central. En ellas, la radiación solar incide en un "campo de heliostatos". Este es una amplia superficie cubierta de grandes espejos (heliostatos) que concentran la radiación solar captada en un receptor. Los sistemas más comunes de este tipo tienen el receptor instalado en una torre, por lo que reciben el nombre de centrales solares de tipo torre central. Los heliostatos constan de una estructura soporte y de una superficie reflectante. Asimismo, tienen incorporados unos mecanismos que permiten que la superficie reflectante se mueva según dos ejes de giro, de modo que pueda captar de la mejor forma y en cada momento la radiación solar y concentrarla en el receptor instalado en la torre. Para mover los heliostatos, se utilizan medios electrónicos: cada espejo recibe periódicamente las órdenes que emite un programa incorporado a un ordenador central. El receptor tiene una serie de tubos por los que circula un fluido primario (agua, sodio, sales fundidas, aire,..., depende de la instalación) que transmite la energía recibida a un fluidosecundario que, convertido en vapor, acciona una trubina. En algunas instalaciones, es el propio fluido primario quien, converitdo en vapor por efecto de la radiación solar, acciona directamente la turbina, sin necesidad del fluido secundario. En determinadas centrales, el fluido primario transmite la energía previamente al dispositivo de almacenamiento, y luego se sigue el ciclo termodinámico. habitual.	Heliostato
   	Plataforma Solar de Almería, con las centrales DCS (colectores cilídricos-parabólicos) y CRS (tipo torre central), al fondo la CESA-1, también de torre central.
   	Torre central de la CESA-1 y plano parcial del campo de heliostatos
   	Esquema de una Central Eléctrica Solar con Heliostatos

   

   Otro esquema de una central solar

3. La Vía Fotovoltaica

   Según se ha señalado más arriba, los sistemas fotovoltaicos se basan en un conjunto de "células solares o fotovoltaicas" fabricadas de un material semiconductor cristalino, que, al ser incididas por la luz del sol, producen una corriente eléctrica por efecto fotovoltaico. Para construir las células fotovoltaicas, se utilizan compuestos que son capaces de suministrar una cantidad apreciable de energía al recibir la radiación solar. Normalmente, la casi totalidad de las pilas fotovoltaicas que se producen en el mundo se fabrican a base de silicio.

   Cristales de silicio

   El rendimiento de estas células viene a ser de entre un 15% y un 25%, es decir, que sólo una pequeña parte de la energía lumínica se aprovecha realmente en forma de energía eléctrica. este rendimiento es menor cuanto más alta es la temperatura.
   El problema fundamental que presentan las células fotovoltaicas es su alto coste. Aunque las investigaciones recientes están logrando abaratar a un ritmo apreciable su coste de producción, en la actualidad puede estimarse que cada vatio de potencia que se consigue merced a las pilas fotovoltaicas cuesta alrededor de 10 dolares, lo cual es excesivo. Hay otras pilas fotovoltaicas más baratas, que se fabrican a base de sulfuro de cadmio, pero su rendimiento es tres veces menor que el de las células de silicio.
   Aun cuando las perspectivas de utilización de pilas fotovoltaicas para producir electricidad son muy esperanzadoras a largo plazo su desarrollo está aun comenzando y no puede esperarse una auténtica extensión de su utilización a los costes actuales. Por el momento, su uso más eficaz consiste en su aplicación para instalaciones de baja potencia en lugares cuya lejanía respecto de las redes de transporte y distribución de electricidad puede hacer rentable la puesta en marcha de este tipo de sistema a pesar de su elevado coste.

   Panel de células fotovoltaicas instalados en una caseta de control de tráfico de una autovía

   

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