La energía solar térmica (STE) es una forma de energía y una tecnología para aprovechar la energía solar para generar energía térmica o energía eléctrica para su uso en la industria, y en los sectores residencial y comercial.
Visión de conjunto
Los colectores solares térmicos están clasificados por la Administración de Información Energética de los Estados Unidos como colectores de baja, media o alta temperatura. Los colectores de baja temperatura generalmente no están vidriados y se usan para calentar piscinas o para calentar el aire de ventilación. Los colectores de temperatura media también suelen ser planos, 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 usan para cumplir con los requisitos de calor de hasta 300 grados C / 20 bares de presión en las industrias y para la producción de energía eléctrica. Dos categorías incluyen Concentrated Solar Thermal (CST) para satisfacer los requisitos de calor en las industrias, y Concentrated Solar Power (CSP) cuando el calor recolectado se utiliza para la generación de energía. CST y CSP no son reemplazables en términos de aplicación. Las instalaciones más grandes se encuentran en el desierto de Mojave de California y Nevada. Estas plantas emplean una variedad de diferentes tecnologías. Los ejemplos más importantes 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 desarrollador importante de la planta de energía solar térmica. Los ejemplos más importantes 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).
Sistemas de calefacción y enfriamiento solar de baja temperatura
Los sistemas para utilizar energía solar térmica a baja temperatura incluyen medios para la recolección de calor; usualmente almacenamiento de calor, ya sea a corto plazo o intersecacional; y distribución dentro de una estructura o una red de calefacción urbana. En algunos casos, más de una de estas funciones es inherente a una característica única del sistema (por ejemplo, algunos tipos de colectores solares también almacenan calor). Algunos sistemas son pasivos, otros están activos (requieren otra energía externa para funcionar).
El calentamiento es la aplicación más obvia, pero se puede lograr la refrigeración solar para una red de refrigeración del edificio o del distrito mediante el uso de un enfriador de adsorción o absorción impulsado por calor (bomba de calor). Existe una coincidencia productiva de que cuanto mayor es el calor de conducción del aislamiento, mayor es la potencia de refrigeración. En 1878, Auguste Mouchout fue pionero en la refrigeración solar al hacer hielo utilizando un motor de vapor solar conectado a un dispositivo de refrigeración.
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. Las tecnologías de calefacción solar, refrigeración y ventilación se pueden utilizar para compensar una parte de esta energía. La tecnología de calefacción solar más popular para la calefacción de edificios es el sistema de captación de aire solar transpuesto integrado que se conecta al equipo de HVAC del edificio. Según Solar Energy Industries Association, más de 500,000 m2 (5,000,000 pies cuadrados) de estos paneles están en operación en Norteamérica a partir de 2015.
En Europa, desde mediados de la década de los 90, se han construido alrededor de 125 grandes plantas de calefacción termosolar, cada una con más de 500 m2 (5400 pies2) de colectores solares. Los más grandes son de aproximadamente 10,000 m2, con capacidades de 7 MW, el calor térmico y solar cuesta alrededor de 4 Eurocents / kWh sin subsidios. 40 de ellos tienen capacidades nominales de 1 MW-térmico o más. El programa de calefacción del distrito solar (SDH) cuenta con la participación de 14 naciones europeas y la Comisión Europea, y está trabajando para el desarrollo técnico y de mercado, y celebra conferencias anuales.
Colectores de baja temperatura
Los colectores solares acristalados están diseñados principalmente para la calefacción de espacios. Recirculan el aire del edificio a través de un panel de aire solar donde el aire se calienta y luego se dirige de vuelta al edificio. Estos sistemas de calefacción solar 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 vidriados se usan en el sector residencial.
Los colectores solares no vidriados se utilizan principalmente para precalentar aire de ventilación de maquillaje en edificios comerciales, industriales e institucionales con una alta carga de ventilación. Convierten paredes de edificios o secciones de muros en colectores solares no vidriados de bajo costo y alto rendimiento. También llamados «paneles solares transpirados» o «pared solar», emplean un absorbente 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 del aire calentado por el sol se introduce en una perforación cercana antes de que el calor pueda escapar por convección al aire exterior. El aire caliente se extrae desde detrás de la placa de absorción hacia el sistema de ventilación del edificio.
Una pared Trombe es un sistema pasivo de calefacción y ventilación solar que consiste en un canal de aire intercalado entre una ventana y una masa térmica orientada al sol. Durante el ciclo de ventilación, la luz del sol almacena calor en la masa térmica y calienta el canal de aire, causando la circulación a través de los respiraderos en la parte superior e inferior de la pared. Durante el ciclo de calentamiento, la pared Trombe irradia calor almacenado.
Los estanques solares de techo son sistemas únicos de calentamiento y enfriamiento solar 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 el interior y el exterior cubriendo y destapando la vejiga entre la noche y el día. Cuando la calefacción es una preocupación, la vejiga se destapa durante el día permitiendo que la luz solar caliente la vejiga del agua y almacene calor para el uso nocturno. Cuando el enfriamiento es una preocupación, la vejiga cubierta atrae calor del interior del edificio durante el día y se descubre por la noche para irradiar calor a la atmósfera más fría. La casa Skytherm en Atascadero, California, usa un prototipo de estanque de techo para calefacción y refrigeración.
La calefacción solar con colectores solares de calor es más popular en los Estados Unidos y Canadá que la calefacción con colectores de líquido solar, ya que la mayoría de los edificios ya cuentan con un sistema de ventilación para calefacción y refrigeración. Los dos tipos principales de paneles de aire solar son vidriados y sin esmaltar.
De los 21,000,000 pies cuadrados (2,000,000 m2) de colectores solares térmicos producidos en los Estados Unidos en 2007, 16,000,000 pies cuadrados (1,500,000 m2) eran de la variedad de baja temperatura. Los colectores de baja temperatura generalmente se instalan para calentar piscinas, aunque también se pueden usar para calentar espacios. Los recolectores pueden usar aire o agua como medio para transferir el calor a su destino.
Almacenamiento de calor en sistemas térmicos solares de baja temperatura
Almacenamiento interestacional. El calor solar (o el calor de otras fuentes) se puede almacenar eficazmente entre temporadas opuestas en acuíferos, estratos geológicos subterráneos, grandes pozos especialmente construidos y tanques grandes que están aislados y cubiertos de 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 tener en cuenta varios factores, como el clima, la luz natural y las condiciones de sombreado. Cuando se incorpora correctamente, la masa térmica puede mantener de forma pasiva temperaturas confortables a la vez que reduce el consumo de energía.
Enfriamiento impulsado por energía solar
En todo el mundo, en 2011 había alrededor de 750 sistemas de refrigeración con bombas de calor impulsadas por energía solar, y el crecimiento anual del mercado fue del 40 al 70% en los siete años anteriores. Es un nicho de mercado porque la economía es un desafío, y el número anual de horas de refrigeración es un factor limitante. Respectivamente, las horas anuales de refrigeración son aproximadamente 1000 en el Mediterráneo, 2500 en el sudeste asiático y solo 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 tareas del Programa de Calefacción y Enfriamiento Solar (IEA) de la Agencia Internacional de la Energía (IEA) trabajan en el desarrollo adicional de las tecnologías involucradas.
Ventilación solar impulsada por calor
Una chimenea solar (o chimenea térmica) es un sistema de ventilación solar pasiva compuesto por una masa térmica hueca que conecta el interior y el exterior de un edificio. A medida que la chimenea se calienta, el aire del interior se calienta y provoca una corriente ascendente que impulsa el aire a través del edificio. Estos sistemas han estado en uso desde la época romana y siguen siendo comunes en el Medio Oriente.
Calor de proceso
Los sistemas de calentamiento de procesos solares están diseñados para proporcionar grandes cantidades de agua caliente o calefacción para edificios no residenciales.
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 concentrar las soluciones de salmuera utilizadas en la extracción de lixiviación y eliminar los sólidos disueltos de las corrientes de desechos. En conjunto, los estanques de evaporación representan una de las aplicaciones comerciales más grandes de energía solar en uso hoy en día.
Los colectores transpirados no vidriados son paredes perforadas orientadas al sol que se utilizan para precalentar el aire de ventilación. Los colectores transpirados también pueden montarse 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 recuperación de los colectores transpirados (de 3 a 12 años) los convierte en una alternativa más rentable que los sistemas de recolección acristalados. A partir de 2015, se han instalado más de 4000 sistemas con un área combinada de colectores de 500,000 m2 en todo el mundo. Los representantes incluyen un colector de 860 m2 en Costa Rica utilizado para secar granos de café y un colector de 1300 m2 en Coimbatore, India, utilizado para secar caléndulas.
Una instalación de procesamiento de alimentos en Modesto, California, utiliza canales parabólicos para producir vapor utilizado en el proceso de fabricación. Se espera que el área de colectores de 5,000 m2 proporcione 15 TJ por año.
Colectores de temperatura media
Estos colectores podrían usarse para producir aproximadamente el 50% y más del agua caliente necesaria para uso residencial y comercial en los Estados Unidos. En los Estados Unidos, un sistema típico cuesta $ 4000- $ 6000 al por menor ($ 1400 a $ 2200 al por mayor por los materiales) y 30% del sistema califica para un crédito fiscal federal + existe crédito estatal adicional en aproximadamente la mitad de los estados. La mano de obra para un sistema simple de circuito abierto en climas meridionales puede tomar de 3 a 5 horas para la instalación y de 4 a 6 horas en las áreas del norte. El sistema norte requiere más área de colectores y tuberías más complejas para proteger al colector de la congelación. Con este incentivo, el tiempo de amortización para un hogar típico es de cuatro a nueve años, dependiendo del estado. Subsidios similares existen en algunas partes de Europa. Un equipo de un plomero solar y dos asistentes con un entrenamiento mínimo pueden instalar un sistema por día. La instalación de Termosifón tiene costos de mantenimiento insignificantes (los costos aumentan si se usa anticongelante y energía de la red eléctrica para la circulación) y en los EE. UU. Reduce los costos de operación de los hogares en $ 6 por persona por mes. El calentamiento solar de agua puede reducir las emisiones de CO2 de una familia de cuatro personas por 1 tonelada / año (si se reemplaza el gas natural) o 3 toneladas / año (si se reemplaza la electricidad). Las instalaciones de temperatura media pueden usar cualquiera de varios diseños: los diseños comunes son glicol presurizado, sistemas de drenaje por lotes y sistemas más nuevos de baja tolerancia a la congelación con tubos de polímero que contienen agua con bombeo fotovoltaico. Se están revisando los estándares europeos e internacionales para acomodar las innovaciones en el diseño y operación de colectores de temperatura media. Las innovaciones operativas incluyen la operación de «colector mojado permanentemente». Esta innovación reduce o incluso elimina la aparición de tensiones de alta temperatura sin flujo llamadas estancamiento, que de lo contrario reducirían la esperanza de vida de los recolectores.
Secado solar
La energía solar térmica puede ser útil para el secado de madera para la construcción y combustibles de madera, como astillas de madera para la combustión. Solar también se usa para productos alimenticios como frutas, granos 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, satisfaciendo tanto a los compradores como a los vendedores. Las tecnologías en el secado solar incluyen colectores de placas transpiradas bombeados de ultra bajo costo basados en telas negras. La energía solar térmica es útil en el proceso de secado de productos tales como astillas de madera y otras formas de biomasa al elevar la temperatura mientras permite que el aire pase y elimine la humedad.
Cocina
Las cocinas solares usan 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 olla de box construida por primera vez por Horace de Saussure en 1767. Una olla de caja básica consiste en un recipiente aislado con una tapa transparente. Estas cocinas se pueden usar de manera efectiva con cielos parcialmente cubiertos y típicamente alcanzarán temperaturas de 50-100 ° C.
Las cocinas solares de concentración usan reflectores para concentrar la energía solar en un recipiente para cocinar. Las geometrías del reflector más comunes son de placa plana, disco y 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 única de concentración conocida como cuenco solar. A diferencia de los sistemas convencionales de reflector de seguimiento / receptor fijo, el plato solar utiliza un reflector esférico fijo con un receptor que rastrea el foco de luz a medida que el Sol se mueve por el cielo. El receptor del cuenco solar alcanza una temperatura de 150 ° C que se utiliza para producir vapor que ayuda a cocinar 2,000 comidas diarias.
Muchas otras cocinas solares en India usan otra tecnología única de concentración conocida como el 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 ajustarse 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. 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. A principios de 2008, se habían construido más de 2000 cocinas grandes del diseño de Scheffler en todo el mundo.
Destilación
Los alambiques solares se pueden usar para hacer 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 alambique. El agua luego se evapora y se condensa en el fondo del vidrio que cubre.
Colectores de alta temperatura
Cuando las temperaturas por debajo de aproximadamente 95 ° C son suficientes, como para el calentamiento del espacio, generalmente se usan colectores de placa plana del tipo no concentrante. Debido a las pérdidas de calor relativamente altas a través del acristalamiento, los colectores de placa plana no alcanzarán temperaturas muy por encima de los 200 ° C, incluso cuando el fluido de transferencia de calor esté estancado. Dichas temperaturas son demasiado bajas para una conversión eficiente a electricidad.
La eficiencia de los motores de calor aumenta con la temperatura de la fuente de calor. Para lograr esto en 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 también su costo.
A medida que la temperatura aumenta, las diferentes formas de conversión se vuelven prácticas. Hasta 600 ° C, las turbinas de vapor, tecnología estándar, tienen una eficiencia de hasta 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 líquidas de fluoruro que operan entre 700 ° C y 800 ° C, utilizando sistemas de turbina de etapas múltiples para lograr 50% o más de eficiencia térmica. Las temperaturas de operación más altas permiten a la planta utilizar intercambiadores de calor seco de mayor temperatura para su escape térmico, lo que reduce el uso de agua de la planta, lo que es crítico en los desiertos donde las plantas solares grandes son prácticas. Las altas temperaturas también hacen que el almacenamiento de calor sea más eficiente, ya que se almacenan más vatios-hora por unidad de fluido.
Las plantas de concentración térmica solar (CSP) de concentración comercial se desarrollaron por primera vez en la década de 1980. Las plantas de energía termosolar más grandes del mundo son ahora la Instalación de energía solar Ivanpah de 370 MW, puesta en marcha en 2014, y la instalación de 354 MW SEGS CSP, ambas ubicadas en el Desierto Mojave de California, donde también se han realizado 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 se encuentran en los Estados Unidos o en España.
La principal ventaja de CSP es la capacidad de agregar de manera eficiente almacenamiento térmico, lo que permite el envío de electricidad durante un período de hasta 24 horas. Dado que la demanda pico de electricidad normalmente ocurre entre las 4 y 8 p. M. Aproximadamente, muchas centrales CSP 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 día y noche. Si el sitio CSP tiene radiación solar predecible, entonces la planta 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 usar 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 el cobre, en cables de alimentación de campo, redes de conexión a tierra y motores para el seguimiento y el bombeo de fluidos, así como también en el generador principal y los transformadores de alta tensión.
Con confiabilidad, desierto sin uso, sin contaminación y sin costos de combustible, los obstáculos para una gran implementación de CSP son el costo, la estética, el uso de la tierra y factores similares para las líneas de alta tensión de conexión necesarias. Aunque solo un pequeño porcentaje del desierto es necesario para satisfacer la demanda global de electricidad, todavía una gran área debe cubrirse con espejos o lentes para obtener una cantidad significativa de energía. Una forma importante de disminuir el costo 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 mayoría de nuestra energía eléctrica, la energía solar a escala comercial se compara como uno de los recursos energéticos terrestres más eficientes disponibles:
El gobierno federal ha dedicado casi 2.000 veces más superficie a concesiones de petróleo y gas que a 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, que representan aproximadamente 40,000 acres. Por el contrario, en 2010, la Oficina de Administración de Tierras procesó más de 5,200 aplicaciones de arrendamiento de gas y petróleo, y emitió 1,308 contratos de arrendamiento, para un total de 3,2 millones de acres. Actualmente, 38.2 millones de acres de terrenos públicos en tierra y otros 36.9 millones de acres de exploración costa afuera en el Golfo de México están bajo arrendamiento para el desarrollo, exploración y producción de petróleo y gas.
Diseños de sistema
Durante el día el sol tiene diferentes posiciones. Para sistemas de baja concentración (y bajas temperaturas), se puede evitar el seguimiento (o limitarse a algunas posiciones por año) si se utilizan dispositivos ópticos no visuales. Sin embargo, para concentraciones más altas, si los espejos o las lentes no se mueven, cambia el foco de los espejos o lentes (pero también en estos casos la óptica no imaginable proporciona los ángulos de aceptación más amplios para una concentración dada). Por lo tanto, parece inevitable que sea necesario un sistema de seguimiento que siga la posición del sol (para la energía solar fotovoltaica, un seguidor solar solo es opcional). El sistema de seguimiento aumenta el costo y la complejidad. Con esto en mente, se pueden distinguir diferentes diseños en cómo concentran la luz y rastrean la posición del sol.
Diseños de canales parabólicos
Las plantas de energía cilindroparabólica usan un canal curvo y reflejado que refleja la radiación solar directa en 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 el cambio de la posición diaria del sol perpendicular al receptor, el canal 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 luz solar paralelos al canal no requieren el ajuste de los espejos, ya que la luz simplemente se concentra en el resto 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 cilindroparabólicos de escala completa consisten en muchos de tales canales dispuestos en paralelo sobre una gran área de tierra. Desde 1985, un sistema solar térmico que utiliza este principio ha estado en pleno funcionamiento en California, en los Estados Unidos. Se llama Sistema de generación de energía solar (SEGS). Otros diseños de CSP carecen de este tipo de experiencia larga y, por lo tanto, actualmente se puede decir que el diseño de cilindro parabólico es la tecnología de CSP más probada.
El 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 Andasol de 150 MW se encuentran 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 del generador de turbina 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 con una capacidad máxima de 50 MW produce más energía que Nevada Solar One con una capacidad máxima de 64 MW, debido al sistema de almacenamiento de energía térmica de la antigua planta y al campo solar más grande. La estación de generación Solana de 280MW entró en funcionamiento en Arizona en 2013 con 6 horas de almacenamiento de energía. La central de ciclo combinado integrada solar Hassi R’Mel en Argelia y el Centro de energía solar Martin Next Generation utilizan conductos parabólicos en un ciclo combinado con gas natural.
Canal cerrado
La arquitectura de canal cerrado encapsula el sistema solar térmico dentro de un invernadero de tipo invernadero. El invernadero crea un entorno protegido para resistir los elementos que pueden afectar negativamente la confiabilidad y la eficiencia del sistema solar térmico.
Los espejos de reflector solar curvados livianos están suspendidos dentro de la estructura del invernadero. Un sistema de seguimiento de un eje posiciona los espejos para rastrear el sol y enfocar su luz en una red de tuberías estacionarias de acero, también suspendidas de la estructura del invernadero. El vapor se genera directamente, utilizando agua con calidad de campo de petróleo, ya que el agua fluye desde la entrada a lo largo de toda la tubería, sin intercambiadores de calor ni fluidos de trabajo intermedios.
El vapor producido se alimenta directamente a la red de distribución de vapor existente en el campo, donde el vapor se inyecta continuamente en el depósito de aceite. Proteger los espejos del viento les permite alcanzar mayores tasas de temperatura y evita la acumulación de polvo como resultado de la exposición a la humedad. GlassPoint Solar, la compañía que creó el diseño de canal cerrado, 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 por otras tecnologías térmicas solares convencionales.
El sistema de canal cerrado de GlassPoint se ha utilizado en las instalaciones de Miraah en Omán, y recientemente se ha anunciado un nuevo proyecto para que la compañía traiga su tecnología de canal cerrado al yacimiento petrolífero South Belridge, cerca de Bakersfield, California.
Diseños de torre de potencia
Las torres de poder (también conocidas como centrales eléctricas de «torre central» o plantas de energía «helióstatas») capturan y concentran la energía térmica del sol con miles de espejos de seguimiento (llamados heliostatos) en aproximadamente dos millas cuadradas de campo. Una torre reside en el centro del campo de helióstatos. Los helióstatos concentran 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 fluye luego a un tanque de almacenamiento térmico donde se almacena, manteniendo un 98% de eficiencia térmica y finalmente bombeada a un generador de vapor. El vapor impulsa una turbina estándar para generar electricidad. Este proceso, también conocido como el «ciclo de Rankine» es similar a una central eléctrica de carbón estándar, excepto que es alimentado por energía solar limpia y gratuita.
La ventaja de este diseño sobre el 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 forma 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 el lado de una colina. Los espejos pueden ser planos y las tuberías se concentran en la torre. La desventaja es que cada espejo debe tener su propio control de doble eje, mientras que en el diseño de canal 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 la torre de energía y los concentradores de colectores cilindro parabólicos, que estimó que para 2020 la electricidad podría producirse a partir de torres de energía a 5,47 cént. / KWh y a 6,21 centavos / kWh de colectores parabólicos. El factor de capacidad para las torres de energía se estimó en 72.9% y 56.2% para los colectores parabólicos. Existe cierta esperanza de que el desarrollo de componentes de plantas de heliostatos baratos, duraderos y de producción masiva pueda reducir este costo.
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 a medida que los precios de la energía solar fotovoltaica cayeron en picada. Se espera que una torre de energía solar se ponga en marcha en Sudáfrica en 2014. Ivanpah Solar Power Facility en California genera 392 MW de electricidad de tres torres, lo que la convierte en la planta de torre de energía solar más grande cuando entró en funcionamiento a fines de 2013.
Diseños de plato
Se sabe que CSP-Stirling tiene la mayor eficiencia de todas las tecnologías solares (alrededor del 30%, en comparación con la solar fotovoltaica de aproximadamente el 15%) y se prevé que pueda producir la energía más barata entre todas las fuentes de energía renovables en producción a gran escala y áreas calientes, semidesiertos, etc. Un plato El sistema Stirling usa un plato parabólico grande y reflectante (de forma similar a un plato de televisión satelital). Concentra toda la luz solar que incide sobre el plato en un único punto por encima del 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 también a veces se usa un motor de vapor. Estos crean energía cinética de rotación que se puede convertir en electricidad usando un generador eléctrico.
En 2005, Southern California Edison anunció un acuerdo para comprar motores Stirling de 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 pusieron en marcha la primera planta demostrativa de 1.5 megavatios («Maricopa Solar») utilizando la tecnología Stirling en Peoria, Arizona. A principios de 2011, el brazo 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. En 2012, la planta de Maricopa fue comprada y desmantelada por United Sun Systems. United Sun Systems lanzó un nuevo sistema de 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.
De acuerdo con su desarrollador, Rispasso Energy, una firma sueca, en 2015 su sistema Dish Sterling que se estaba probando en el desierto de Kalahari en Sudáfrica mostró un 34% de eficiencia.
Tecnologías Fresnel
Una planta de energía reflectora lineal de Fresnel utiliza una serie de espejos largos, estrechos y de curvatura superficial (o incluso planos) para enfocar la luz en uno o más receptores lineales situados encima de los espejos. En la parte superior del receptor se puede conectar un pequeño espejo parabólico para enfocar aún más la luz. Estos sistemas tienen como objetivo ofrecer costos globales más bajos al compartir un receptor entre varios espejos (en comparación con los conceptos de canal y plato), mientras se sigue usando la geometría simple de foco de línea con un eje para el seguimiento. Esto es similar al diseño del canal (y diferente de las torres centrales y platos con eje doble). El receptor es estacionario y por lo tanto no se requieren acoplamientos fluidos (como en los comederos y platos). Los espejos tampoco necesitan ser compatibles con 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 de espejos más denso en el área de terreno disponible.
Las tecnologías de rastreo de eje único rivales incluyen las relativamente nuevas tecnologías de reflector lineal de Fresnel (LFR) y LFR compacto (CLFR). La LFR difiere de la del cilindro parabólico en que el absorbente se fija en el espacio sobre el campo del espejo. Además, el reflector se compone de muchos segmentos de fila baja, que se centran colectivamente en un receptor elevado de torre elevada que corre paralelo al eje de rotación del reflector.
Prototipos de concentradores de lentes Fresnel han sido producidos para la recolección de energía térmica por International Automated Systems.No se conocen sistemas térmicos a gran escala que utilicen lentes Fresnel, aunque se encuentren disponibles productos que incorporan lentes Fresnel junto con células fotovoltaicas.
MicroCSP
MicroCSP se usa para plantas de energía de tamaño comunitario (1 MW a 50 MW), para aplicaciones industriales, agrícolas y de «proceso térmico» de fabricación, y cuando se necesitan grandes cantidades de agua caliente, como piscinas de centros turísticos, acuáticos, grandes instalaciones de lavandería, esterilización, destilación y otros usos similares.
Canal parabólico cerrado
El sistema térmico solar cilindroparabólico incluido encapsula los componentes dentro de un invernadero de tipo invernadero. El invernadero protege los componentes de los elementos que pueden afectar negativamente la confiabilidad y la eficiencia del sistema. Esta protección incluye, de manera importante, el lavado nocturno de techos de vidrio con sistemas optimizados de lavado automatizado y de bajo consumo. Los espejos de reflejos solares, livianos y curvados, están suspendidos del techo del invernadero por cables. Un sistema de seguimiento de un eje para posicionar los espejos para recuperar la cantidad óptima de luz solar. Los espejos concentran la luz solar y la enfocan en una red de tuberías estacionarias de acero, también suspendidas de la estructura del invernadero.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 que permiten alcanzar los niveles más altos de temperatura y evitar que el polvo se acumule en los lentes como resultado de la exposición a la humedad.