Centrales Solares
Energía Solar
La disponibilidad de energía solar es abundante: Llegan a la atmósfera 15.000 TW, cuando se consume energía a un rtimo de 13 TW.
La energía producida en el Sol se transmite por el espacio en forma de ondas electromagnéticas, que se desplazan a una velocidad c = 300 000 km s. Tardan, por lo tanto, 500 segundos (8 minutos y 20 segundos) en cubrir los 150 millones de kilómetros de distancia que existen entre el Sol y la Tierra. Este tipo de ondas no precisan de un medio material para propagarse. Las ondas electro magnéticas que llegan a la Tierra procedentes del Sol tienen longitudes de onda comprendidas entre unos 250.y 6000 nm, de la cuales la radiación visible corresponde al intervalo comprendido entre 380 y 780 nm. El conjunto de estas radiaciones forman el denominado espectro solar, que es una distribución de la densidad de potencia relativa por unidad de intervalo de longitud de onda) frente a longitud de onda.
Luego de atravesar la atmósfera y teniendo en cuenta el albedo, la tierra cuenta con una energía por unidad de área de 1kW/m^2 con variaciones debidas a nubosidad, latitud, vientos, etc.
La energía solar es considerada energía difusa porque no es estable en el tiempo.
Generación termodinámica: Solar térmica
Se calienta un fluido usando la radiación solar para usarlo domésticamente de forma directa, o bien, si se logran temperaturas mas altas para generar energía eléctrica.
Para producir energía se necesitan altas temperaturas por lo que la radiación debe concentrarse lo más posible.
Para todas las aplicaciones de energía solar térmica, el primer paso es convertir la energía de la radiación solar en calor. Tanto desde el punto de vista de los materiales como de la estructura mecánica, el requisito clave es absorber la mayor cantidad posible de luz solar y perder la menor cantidad de energía térmica posible. Se utilizan tres métodos:
- superficie de absorción selectiva
- vacío para bloquear la conducción y convección de calor
- luz solar enfocada para cambiar la proporción del área de superficie absorbente y el área de superficie emisora.
Superficies selectivas
El espectro de radiación de cuerpo negro de un líquido caliente está bien separado del de la radiación solar. Por lo tanto, al diseñar un material que tenga una alta capacidad de absorción para longitudes de onda inferiores a 2 μm y una baja emisividad para longitudes de onda más largas, se puede maximizar la absorción de la radiación solar y minimizar la pérdida de radiación. Las superficies selectivas tienden a maximizar esta situación y se utilizan materiales mixtos, con semiconducotes (buena selectividad, pero frágieles mecánicamente) y metales (buena reflectividad y resistencia mecánica).
Un espejo de metal recubierto con una fina capa de absorción es el tipo más popular de superficie selectiva. El espejo puede estar hecho de cualquier metal de alta reflectividad para la radiación infrarroja, como cobre, aluminio, níquel y acero inoxidable. La película de absorción se hace de óxidos metálicos y se los denomina "espejos oscuros".
Captores Planos
Los colectores de placa metálica y tubos consisten en una placa de metal ennegrecida a la que se encuentran adosados una serie de tubos dispuestos paralelamente, a través de los cuales circula agua. Todo ello lleva un aislamiento térmico en los costados y en la parte posterior, y va cubierto con una placa de vidrio que actúa como protección delantera. Al recibir la energía solar, la temperatura de la placa se eleva desde la temperatura ambiente temperatura Ta a Tp (temperatura de placa).
Los colectores planos absorben tanto la radiación directa como la difusa, por lo que siguen calentando aire o agua incluso en días nublados. Además, son relativamente baratos, por lo que cada vez está más extendida su utilización.
Casi limitados para uso de agua caliente doméstica, aunque si se usa agua caliente como fluido caloportador y freón para un ciclo térmico se puede conseguir energía en centrales de 30 a 500 KW.
Para sistemas de alta temperatura, por ejemplo, sistemas de energía solar térmica que funcionan a 400–500 C, especialmente con un requisito de estabilidad en el aire, se prefiere un recubrimiento de cermet. Un cermet es un material compuesto, mezcla De materiales cerámicos (cer) y metálicos (met) que pueden tener las propiedades tanto de una cerámica, como resistencia a altas temperaturas y dureza, como de un metal, como la capacidad de sufrir deformación plástica. Por lo tanto, los recubrimientos cermet diseñados correctamente pueden soportar altas temperaturas y son estables en el aire.
Existen variantes de los tubos colectores en cuanto a su composición y la forma en la que se distribuye el fluido para ser utilizado.
Por su composición
- Tubos de vidrio
- Tubos de vidrio en vacío
- Tubos de vacío a termosifón
- Tubos de vacío a alta presión
Por la distribución de la energía
- Flujo directo
- Termosifón y tanque
- Presurizados con intercambiadores de calor
- Con tanque intercambiador separador
Captores Concentradores
La forma más empleada para concentrar energía solar es por medio de reflectores parabólicos o reflectores de tipo Fresnel. Si el absorbente se coloca en el foco sobre el eje de simetría y sus dimensiones coinciden con las de la imagen del Sol cuando éste se encuentra sobre el eje de simetría del eje óptico, entonces puede conseguirse que entre radiación directa, pero sólo si se hace que el eje óptico siga al Sol.
Una propiedad importante de los sistemas concentradores es la relación de concentración de radiación, que viene dada por la relación entre el área del espejo reflector y la del absorbente. Un concentrador parabólico bien diseñado puede llegar a alcanzar una relación de concentración de hasta más de 1000, mientras que un colector cilíndrico parabólico podría alcanzar una relación de concentración de 50, lo que resulta suficiente para conseguir temperaturas capaces de generar vapor para mover turbinas del tipo de las que se emplean en centrales térmicas convencionales. La relación de concentración a emplear dependerá de la temperatura a la que se pretenda llegar en el punto ocupado por el foco.
Concentradores múltiples
- Heliostatos con receptor central
- Cilindro-parabólico con receptor distribuido
Para lograr alta potencia en un receptor centralizado, se disponen cientos o miles de helióstatos, espejos montados en un eje bidimensional para rastrear la posición del Sol por una computadora centralizada distribuida en un campo típicamente circular u ovalado. Debido a que se pueden alcanzar temperaturas muy altas (p. ej., 565 ◦C), normalmente se utiliza vapor sobrecalentado o sal fundida como fluido de trabajo. Finalmente, impulsa una turbina de vapor de ciclo Rankine estándar para generar energía eléctrica. La energía se suele desviar a una torre donde se contiene el fluido de trabajo. Ej: Cerro Domador en Chile.
Hasta la fecha, alrededor de dos tercios de la electricidad generada por las centrales termosolares de concentración proviene de sistemas cilindroparabólicos. La estructura del sistema se muestra en la foto debajo. Los espejos parabólicos están montados sobre un eje para seguir al Sol. En la línea focal de los espejos parabólicos hay un colector lineal, típicamente un tubo de vacío de alta temperatura
Único de radiación concentrada
El tercer tipo de planta de energía solar de concentración es el concentrador de plato paraboloidal con motor Stirling. Según un informe publicado por el Laboratorio Nacional Sandia en febrero de 2008, el sistema de motor Stirling ha demostrado una eficiencia de conversión de energía solar a red de 31.25%, la más alta de todas las conversiones de energía solar a electricidad, registrada en un día de invierno perfectamente claro y frío en Nuevo México.
Descripción del motor Stirling.
Generadores termoeléctricos: seebek
Celdas Peltier para aplicaciones limitadas en sitauciones fuera de la red que requieran energía.
Generadores fotovoltaicos
Generadores termoiónicos
Catodo caliente emite en el vacío a un ánodo frío. Poca aplicación. muy caro.