Energía Solar Térmica

El sol es el origen de la energía solar y de otras fuentes de energía renovable. La fusión nuclear transforma parte de su masa en energía de acuerdo con la ecuación de Einstein E=m.c².

De la cantidad de energía que emite el sol constantemente, llega a la tierra el 47.5% por 3 vías:

• Radiación directa: 22.5% sin cambiar de dirección y sin haber interaccionado con nada.
• Radiación difusa: 14.5% incide indirectamente, se desvía por el polvo y vapor de agua.
• Radiación reflejada: 10.5% es la radiación directa que se refleja en elementos del entorno (mar y zonas de nieve).

De toda la temperatura del sol de 5760 K con una potencia de 3.8 x 10²⁶ W, se reduce hasta 1367 W/m² en la parte superior de la atmósfera y 900 W/m² en el suelo.

La distribución de la energía solar que llega a la tierra no es uniforme, intervienen diversos factores:

• Las condiciones climatológicas.
• Época del año.
• Latitud del lugar.
• Orientación de la superficie receptora.

La tierra describe 2 movimientos:

• Traslación alrededor del sol con órbita elíptica.
• Rotación alrededor de un eje perpendicular al ecuador y con una inclinación de 23,45º respecto al plano de traslación.

La declinación solar (δ) varía entre +23,45º en el solsticio de verano (perihelio) y -23,45º en el solsticio de invierno (afelio). En los equinoccios es nula.

A la misma latitud, el rayo es más perpendicular en verano, es decir, el ángulo es menor.

Para medir la radiación solar se utilizan 2 aparatos:

• Piranómetros: Global (directa más difusa), fijo.
• Piroheliómetro: Directa, con movimiento de relojería.

Coordenadas Solares

Ángulo acimutal: Es el ángulo formado por la proyección sobre la superficie horizontal (hasta las 12:00 negativo).

Ángulo cenital: Es el ángulo que forma la línea sol-tierra con la vertical.

Acimut del panel: Ángulo norte-sur con la superficie captadora (base de la placa).

Cenit: Corresponde al punto de la vertical del observador en la superficie.

Nadir: Punto opuesto en la esfera celeste al cenit.

Sombras: No tener ningún obstáculo entre el sol y la placa, mejor en invierno (afelio) en el hemisferio norte, que es cuando el sol está más bajo y las longitudes de las sombras son más largas.

Energía Solar Térmica

• Baja (0-90ºC): Calefacción, ACS, etc.
• Media (90-400ºC): Calefacción, ACS, electricidad.
• Alta (400ºC >): Electricidad.

Solar Pasiva

Es la energía que se aprovecha mediante arquitectura bioclimática (materiales, tipo de cerramientos, orientación, colores, tipo de techo).

Baja Temperatura

Los subsistemas empleados en esta tecnología varían del tipo de instalación, en general son:

• Captación: Colectores o paneles solares térmicos planos, con menor frecuencia tubos de vacío.

En promedio, un colector/panel plano está formado por: cubierta protectora transparente, placa absorbedora, lámina reflectante, aislamiento térmico y carcasa.

• Acumulación: Acumula agua caliente hasta el momento en que se solicita.
• Intercambiador: Independiza el agua de consumo y el agua o fluido del captador.
• Auxiliar: Conjunto de elementos: válvula, tubería, bomba, purgadores.

Instalación Circuito Abierto

• Forzada con bomba.
• Natural termodinámica.

Instalación Circuito Cerrado

• Forzada natural: Primario, secundario.

Tecnología Solar Térmica de Media Temperatura

La tecnología solar térmica de media temperatura suele tener dos aplicaciones:

• Producción de calor (>150ºC, producción industrial).
• Generación de electricidad (Máx. 400ºC, producción de electricidad).

Subsistemas empleados en estas tecnologías:

• Subsistema de captación.
• Subsistema de intercambio de tanques de aceite.
• Subsistema de evaporación de gases.
• Subsistema de aplicación.

Subsistema de Captación

Está constituido por colectores cilíndricos parabólicos (CCP).

• Se utilizan a media temperatura hasta 400ºC.
• Todos los modelos disponen de un sistema de movimiento para que estén en la mejor posición para captar eficazmente la radiación solar durante el transcurso del día.
• Los CCP aprovechan la radiación directa pero desaprovechan la radiación indirecta, siendo estos no recomendables en zonas nubosas.
• Generan una potencia entre 50 MW y 200 MW.

2.1 Subsistema de Intercambio de Tanques de Aceite

• Se apoya en el calentamiento de aceite (HTF).
• Principio de funcionamiento.

Componentes o Elementos Principales de un CCP

• Reflector cilindro parabólico.
• Tubo absorbente.
• Sistema de seguimiento del sol.
• Estructura metálica.

Reflector Cilindro Parabólico se compone de:

• Chapa metálica: Suele usarse de aluminio pulido de alta reflectividad.
• Vidrio: Sobre él se aplica una capa reflexiva de plata. En función del grosor del cristal se denominan: vidrio grueso (3 mm) o vidrio delgado (1.5 mm).
• Plástico: Láminas en las que se aplica una película de plata o aluminio, pero este sistema suele durar un tiempo corto de vida.

Tubo Absorbente

De él depende en gran medida el rendimiento global del colector. Está formado por dos tubos absorbentes, uno metálico y el otro de cristal.

• El metálico posee una elevada absorción (>90%) y una baja emisividad en el espectro infrarrojo (<30%) y está pintado de óxido de titanio.
• El de cristal tiene la misión de reducir las pérdidas térmicas por convección y proteger de las inclemencias meteorológicas. Está hecho de borosilicato.

Sistema de Seguimiento del Sol

Como cualquier sistema solar de concentración, un CCP solo puede aprovechar la radiación solar directa y esto exige que el CCP vaya provisto de un sistema de seguimiento solar que mueve el colector de acuerdo con la posición del sol.

Estructura Metálica

La misión de la estructura del colector es la de dar rigidez al conjunto de elementos que lo componen, a la vez que actúa de interfaz con la cimentación del colector.

Tecnologías	Temperatura en ºC	Concentración de algunos concentrados por reflexión de 0 a 100.000
Colector plano	150	2
CCP	500	70
Central torre	800	800
Disco parabólico	1500	8000
Horno solar	2300	50000

Tecnologías de Generación de Energía Solar Termoeléctrica

Colectores	Receptores Cilindro- Parabólicos	Discos Parabólicos
Tamaño	30-320 MW*	10-200 MW*	5-25 MW*
Temperatura de trabajo ºC	390	565	750

• El campo solar calienta aceite (HTF).
  • Con el aceite se genera vapor. (Subsistema de evaporación de gases).
  • Con el vapor se genera electricidad. (Subsistema de aplicación).

Componente Básico de Planta Solar Termoeléctrica de HTF

• Campos de CCP (Colectores cilindro-parabólicos).
• Sistema de apoyo.
• BOP (Bloque de potencia).

El futuro apunta a la generación directa de vapor (GDV) y sus cualidades son:

• Reducción del 20% de coste (sistema de aceite + transporte de calor).
• Reducción de más del 20% de electricidad.
• Menores riesgos medioambientales.
• Rendimientos más altos.
• Reducción de la dependencia tecnológica.
• Creación de un núcleo industrial colocándonos en óptima posición internacional.

Centrales Solares Termoeléctricas de Media Temperatura

La tecnología principal de las centrales solares termoeléctricas de media temperatura son los CCP (colectores cilindro parabólicos) para producir electricidad.

Las vías a destacar en la reducción de costes son:

• Aporte auxiliar de combustibles fósiles.
• La integración de colectores solares de ciclo combinado.
• Innovaciones en concentración solar.
• Generación directa en tubos receptores.
• Bajos costes de producción y operación.

Eficacia

	Neta anual	Grado de Desarrollo	Grado de Demostración
	11 (d) – 16%*	Comercial	A gran escala
	7 (d) – 20%*	A gran escala	De prototipos
	12 – 25%* (e)	De prototipos

	Coste €/m2	Coste €/W
	480 – 210*	3 – 2*
	265 – 150*	3.4 – 1.9*
	2385 – 245*	9.7 – 1*

• * Variación entre los años 1997/2030.
• d: Valores demostrados.
• e: Valores estimados.