Understanding solar concentrators/es

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DOCUMENTO TÉCNICO N.° 30 COMPRENDIENDO LOS CONCENTRADORES SOLARES Por George M. Kaplan

Revisores técnicos
: Dr. Thomas E. Bowman,
Dr. Maurice Raiford,
Jesse Ribot

Ilustrado por Rick Jali

Publicado por

VITA
1600 Wilson Boulevard, Suite 500
Arlington, Virginia 22209 EE. UU.
Tel.: 703/276-1800 * Fax: 703/243-1865
Internet: pr-info@vita.org

Comprensión de los concentradores solares
ISBN: 0-86619-239-5
[C] 1985, Voluntarios en Asistencia Técnica

Este documento forma parte de una serie publicada por Voluntarios en Asistencia Técnica (VITA) para presentar tecnologías de vanguardia de interés para personas en países en desarrollo. Estos documentos sirven como guía para ayudar a las personas a elegir las tecnologías más adecuadas a sus necesidades. No incluyen detalles de construcción ni implementación. Se recomienda a las personas que se pongan en contacto con VITA o una organización similar para obtener más información y asistencia técnica si consideran que alguna tecnología en particular satisface sus necesidades.

Los artículos de la serie fueron escritos, revisados ​​e ilustrados casi en su totalidad por expertos técnicos voluntarios de VITA. Unos 500 voluntarios participaron en la producción de los primeros 100 títulos publicados, dedicando aproximadamente 5000 horas de su tiempo. El personal de VITA incluyó a Maria Giannuzzi como editora, Suzanne Brooks a cargo de la composición tipográfica y el diseño, y Margaret Crouch como jefa de proyecto.

El autor de este documento, George M. Kaplan, voluntario de VITA, es presidente de KAPL Associates, una consultora especializada en gestión de programas y proyectos, investigación y desarrollo, planificación, evaluación, energía y medio ambiente. Los revisores también son voluntarios de VITA. El Dr. Thomas E. Bowman es profesor y jefe del Departamento de Ingeniería Mecánica del Instituto Tecnológico de Florida en Melbourne, Florida. El Dr. Maurice Raiford es consultor de energía solar en Greensboro, Carolina del Norte. Jesse Ribot es analista y consultor energético, y ha colaborado en la elaboración de la Evaluación Nacional de Energía de Yibuti de VITA/USAID.

VITA es una organización privada sin fines de lucro que apoya a personas que trabajan en la resolución de problemas técnicos en países en desarrollo. VITA ofrece información y asistencia para ayudar a individuos y grupos a seleccionar e implementar tecnologías adecuadas a sus circunstancias. VITA cuenta con un Servicio Internacional de Consultas, un centro de documentación especializado y un directorio informatizado de consultores técnicos voluntarios; gestiona proyectos de campo a largo plazo; y publica diversos manuales y documentos técnicos.

Aunque la investigación, el desarrollo y los experimentos con sistemas de energía solar se llevaron a cabo a finales del siglo XIX y principios del XX, fue el fuerte aumento del precio del petróleo en 1974, precipitado por el embargo petrolero de Oriente Medio el año anterior, lo que impulsó la inversión nacional e internacional en energía solar. En Estados Unidos y otros países industrializados, las herramientas y los avances tecnológicos producidos durante la Segunda Guerra Mundial, la reconstrucción y la prosperidad de la posguerra, los programas nucleares y espaciales estadounidenses y otros logros tecnológicos se aplicaron a la investigación y el desarrollo de la energía solar. Como resultado, la investigación, que antes se limitaba a aficionados y pequeñas empresas especializadas, se extendió a universidades, laboratorios nacionales e industria. El presupuesto federal para energía solar pasó de menos de un millón de dólares a principios de la década de 1970 a más de mil millones a principios de la década de 1980; actualmente, el presupuesto ronda los 200 millones de dólares, de los cuales unos 50 millones se destinan a tecnología solar térmica.

La tecnología solar térmica se centra principalmente en el aprovechamiento de la energía solar mediante su conversión en calor. En los colectores solares de concentración, la energía solar se recoge y concentra para alcanzar temperaturas más elevadas; el límite lo marca la temperatura superficial del sol. Sin embargo, los materiales de construcción imponen un límite inferior, más práctico, para la capacidad de alcanzar dicha temperatura. Del mismo modo, la eficiencia global de la captación, concentración y retención de energía, en relación con el coste energético, impone un límite práctico a la capacidad de alcanzar dicha temperatura.

Si la energía solar se concentrara en un volumen diminuto, el resultado sería similar a un sol en miniatura. Si la misma energía se distribuyera a lo largo de una línea delgada, esta estaría más fría que el sol en miniatura, pero aún caliente. Si se distribuyera sobre una superficie grande, la superficie estaría menos caliente que la línea. Existen concentradores solares que enfocan la luz solar en un punto o una línea. También existen concentradores sin enfoque. Cada tipo tiene aplicaciones preferidas que dependen de la temperatura.

La cantidad de energía por unidad de área que puede recolectar anualmente un concentrador depende de su posición con respecto al sol. Algunos tipos de colectores funcionan adecuadamente (de manera rentable) si se dejan en una posición fija. Estos colectores generalmente tienen una capacidad de temperatura limitada y proporcionan poca o ninguna concentración de la luz solar incidente. La mayoría de los concentradores recolectarían tan poca energía en una posición fija que deben tener la capacidad de seguir el movimiento del sol diariamente desde la mañana (este) hasta la puesta del sol (oeste) para ser rentables. Algunos concentradores solo pueden ser rentables si siguen tanto la trayectoria diaria del sol como su inclinación anual (lo que hace que el sol parezca moverse en declinación 47 grados a lo largo del año). Por lo tanto, los concentradores pueden ser sin seguimiento, con seguimiento de un solo eje (que sigue de este a oeste) o con seguimiento de dos ejes (que sigue tanto de este a oeste como de norte a sur). El seguimiento de dos ejes proporciona la máxima recolección de energía solar, pero no es rentable para la mayoría de las aplicaciones o diseños de colectores.

El programa nacional de investigación en energía solar de Estados Unidos ha sido líder mundial tanto en inversión como en amplitud. Dado el gran potencial del mercado estadounidense, el programa nacional se centró en el mercado interno y no se concibió específicamente para la exportación. Por lo tanto, la experiencia estadounidense es aplicable principalmente a Estados Unidos y podría no ser relevante para otros países sin modificaciones.

En aplicaciones estadounidenses, por ejemplo, los concentradores de tipo espejo resultan más rentables que los de tipo lente para sistemas pequeños, medianos y grandes de generación y uso de calor. Los sistemas de seguimiento parecen ser más eficaces para aplicaciones de alta temperatura. Sin embargo, su eficacia en Estados Unidos podría deberse a la tecnología avanzada, la disponibilidad de personal de mantenimiento cualificado y repuestos, y una excelente infraestructura de apoyo, más que a una ventaja inherente de los espejos o los sistemas de seguimiento. En entornos menos industrializados, los concentradores de lente podrían ser más apropiados.

Si bien en este documento se utilizan indistintamente los términos «colector» y «concentrador», son términos distintos. Un colector puede no concentrar la radiación solar, mientras que los concentradores se consideran colectores. En este documento no se hará distinción alguna a menos que sea necesario.

El concepto de concentrar los rayos solares para calentar una zona específica se conoce desde hace al menos 4000 años. En la época de las tablillas de arcilla de Mesopotamia, se dice que se utilizaban vasijas de oro pulido para encender el fuego de los altares. Se cuenta que Arquímedes salvó a Siracusa de la invasión incendiando la flota romana con rayos solares concentrados reflejados en metal pulido.

En el siglo XVII se realizaron experimentos con placas de metal pulido para verificar la historia de Arquímedes. También en el siglo XVII se empezaron a usar lentes de vidrio para fundir hierro, cobre, mercurio y otros materiales a partir de sus minerales. El siglo XVIII trajo consigo los hornos solares. Los avances tecnológicos del siglo XIX dieron lugar a máquinas de vapor y motores de aire caliente que funcionaban con energía solar. A principios del siglo XX se construyeron numerosos motores y hornos solares. La experimentación continuó hasta la década de 1930, antes de decaer cuando los combustibles fósiles baratos, en particular el gas natural, se hicieron ampliamente accesibles.

El programa estadounidense de energía solar se inició en 1970 como parte del programa de Investigación Aplicada a las Necesidades Nacionales (RANN, por sus siglas en inglés) de la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos. Este programa se expandió enormemente como consecuencia del embargo petrolero de 1974 y el aumento del precio del petróleo y otros combustibles fósiles. A medida que los objetivos del programa evolucionaron, pasando de la investigación y el desarrollo a la comercialización, la responsabilidad del programa se transfirió a otras agencias federales. Actualmente, el programa forma parte del Departamento de Energía de Estados Unidos; el enfoque vuelve a centrarse en la investigación y el desarrollo a largo plazo, de alto costo y alto riesgo, que difícilmente emprenderá la industria; la responsabilidad de la comercialización ha regresado a la industria.

Los concentradores solares proporcionan radiación solar de alta densidad energética a un receptor objetivo, elevando así la temperatura de dicho receptor. Dependiendo del grado de concentración, las propiedades ópticas (absorción y radiación solar) de la superficie del receptor y la velocidad de enfriamiento del mismo, puede ocurrir lo siguiente:

• El objetivo se derretirá (alta concentración);
• El objetivo alcanzará una temperatura de equilibrio con enfriamiento natural (concentración moderada); o
• El objetivo alcanzará una temperatura de equilibrio con un refrigerante forzado (circulante) de concentración intermedia.

El primer ejemplo es el de un horno solar. El segundo puede considerarse una cocina solar o un horno solar. En el tercer caso, el refrigerante calentado se utiliza directamente como, por ejemplo, agua caliente o vapor en aplicaciones domésticas o industriales, o indirectamente, como vapor para generar electricidad. En el caso de la producción de electricidad, los dispositivos comunes de conversión de energía proporcionan un paso intermedio —la rotación del eje— entre el fluido calentado y su conversión en electricidad.

Si la luz solar concentrada incide sobre una célula fotovoltaica o un conjunto de células, se generará electricidad directamente. El grado de concentración solar, la eficiencia de conversión de la célula, el diseño del conjunto y el material de la célula determinarán si se requiere refrigeración por circulación natural o forzada para un funcionamiento eficiente. Actualmente, el costo por unidad de área de un concentrador es menor que el costo por unidad de área de la célula. Por consiguiente, se utilizan concentradores para reducir el área de la célula. Si el área de la célula se volviera menos costosa que el área del concentrador, estos dejarían de utilizarse.

Este artículo trata principalmente sobre concentradores para aplicaciones térmicas, en lugar de aplicaciones con células fotovoltaicas. Se hace especial hincapié en las aplicaciones en países menos desarrollados.

Antes de hablar de concentradores, conviene mencionar brevemente el sol. Más allá de la atmósfera terrestre, la intensidad de la luz solar es de aproximadamente 1350 vatios por metro cuadrado (429 unidades térmicas británicas [Btu] por hora por pie cuadrado). Al atravesar la atmósfera, la intensidad disminuye debido a la absorción por los diversos gases y vapores presentes en el aire, así como a la dispersión producida por estos gases y vapores y por las partículas de polvo y hielo también presentes en el aire. Por lo tanto, la luz solar que llega a la Tierra es una mezcla de radiación directa (no dispersa) y difusa (dispersa). A nivel del mar, la intensidad se reduce a aproximadamente 1000 vatios/metro cuadrado (295 Btu/hora/pie cuadrado) en un día soleado y despejado. La intensidad disminuye aún más en días nublados.

La mayoría de los concentradores utilizan únicamente radiación directa. Estos concentradores funcionan bien en días soleados y despejados, mal en días brumosos y no funcionan en absoluto en días grises y apagados, cuando la intensidad de la luz solar se reduce y la luz consiste principalmente en radiación difusa. Otro factor limitante es que el sol no es un punto, sino que tiene un diámetro equivalente a aproximadamente medio grado de arco. El diseño del concentrador debe tener en cuenta este arco.

Aunque la siguiente discusión trata sobre los concentradores como entidades, estos son solo una parte de un sistema de captación de energía. Para que sean útiles, los rayos concentrados deben dirigirse a un receptor, que los convierte en otra forma de energía: calor. El concentrador y el receptor deben estar perfectamente adaptados para un rendimiento óptimo. Con frecuencia, se espera que el receptor transfiera calor a un fluido para que este se utilice o se disipe. Cuando el objetivo principal del concentrador es obtener calor de forma eficaz, la combinación de concentrador y receptor debe diseñarse cuidadosamente para minimizar las pérdidas de energía, ya sea del concentrador o del receptor.

Hay muchas maneras de caracterizar a los concentradores. Estas incluyen:

• Métodos de concentración: reflexión o refracción
• Punto, línea o sin enfoque
• Concentrador fijo o de seguimiento
• Receptor fijo o de seguimiento

La concentración de la luz se logra con espejos (reflexión) o con lentes transparentes (refracción). Las cámaras y los telescopios pequeños utilizan lentes; los telescopios grandes utilizan espejos. Un espejo refleja la luz incidente de manera que el ángulo del rayo reflejado sea igual al ángulo del rayo incidente (Figura 1). Esta relación también

se mantiene cuando el espejo está inclinado (Figura 2). Un solo espejo plano

No se concentra directamente, pero la concentración puede obtenerse superponiendo los reflejos de muchos espejos. Alternativamente, la concentración puede lograrse doblando el espejo hasta darle una forma predeterminada y aprovechando las propiedades ópticas de la superficie curva resultante.

La lente se basa en desviar (refractar) la luz incidente para que converja en un foco común (Figura 3). A medida que aumenta el tamaño de la lente

A medida que aumenta la distancia, también aumenta el grosor de la lente. Una lente de Fresnel (Figura 4)

Mantiene las características ópticas de la lente estándar al conservar la misma curvatura por tramos. Esto permite una reducción significativa del grosor y el peso de la lente con una mínima pérdida de rendimiento.

Cada método de concentración tiene inconvenientes. El espejo requiere una superficie reflectante limpia y lisa: limpia porque las partículas de polvo podrían dispersar la luz lejos del receptor o la luz podría ser parcialmente absorbida por una película delgada y sucia; lisa porque el error de contorno también puede provocar que no se alcance el receptor. El material reflectante puede colocarse en la superficie del espejo (primera superficie, Figura 5), ​​o detrás de una superficie transparente (segunda superficie,

Figura 6). La plata es el material reflector preferido con

El aluminio es la segunda opción. La plata es muy susceptible a la degradación por la humedad y los contaminantes presentes en el aire. Los recubrimientos protectores disponibles no han demostrado ser eficaces para la plata en aplicaciones de primera superficie. El aluminio es más duradero, pero menos reflectante. Los espejos de segunda superficie presentan cierta pérdida de energía debido a la absorción de luz por la superficie transparente, generalmente vidrio o plástico, tanto al incidir como al reflejarse a través del material. Se prefiere el vidrio con bajo contenido de hierro al vidrio con alto contenido de hierro debido a su menor absorción de luz. Si se utiliza plástico, debe estabilizarse para evitar la degradación por la luz ultravioleta del sol.

Debido a su mayor grosor, la absorción de energía es superior a la de un espejo de segunda superficie. La lente de Fresnel, que puede ser mucho más delgada que una lente estándar, presenta una menor pérdida de energía por absorción.

La superficie de la lente también debe estar limpia y lisa por las mismas razones que la del espejo. El rendimiento de la lente de Fresnel mejora cuando la porción vertical presenta poca o ninguna inclinación. Los plásticos pueden moldearse para producir lentes de Fresnel de mayor calidad y menor costo que las de vidrio. Sin embargo, las lentes de plástico tienden a deteriorarse bajo la luz ultravioleta y deben estabilizarse.

Un criterio para seleccionar un concentrador específico es el grado de concentración y, por lo tanto, la temperatura que se desea alcanzar. Por regla general, concentrar la energía en un punto produce temperaturas altas o muy altas; y concentrarla en una línea, temperaturas moderadas o altas. Los concentradores no focalizados producen temperaturas bajas o moderadas.

El reflector parabólico (Figura 7) aprovecha las propiedades ópticas de su superficie curva para concentrar la luz directamente en el punto focal. Esta geometría parabólica es común en faros de automóviles, reflectores, radares y para la recepción de transmisiones satelitales.

Las lentes circulares estándar y las lentes de Fresnel también funcionan como concentradores de foco puntual. La lente de Fresnel se ha utilizado junto con células fotovoltaicas en varias instalaciones de prueba en Estados Unidos y en el extranjero.

Las imágenes superpuestas de muchos espejos planos pueden considerarse equivalentes al enfoque puntual. La forma focal no es un punto, sino más bien la imagen finita del sol, ampliada aún más por las características del material reflector y diversos errores de fabricación y en la precisión de la superposición de imágenes. Figura 8

La figura ilustra el concepto de receptor central, en el que heliostatos (espejos planos o ligeramente curvados montados sobre dispositivos de seguimiento) redirigen los rayos del sol hacia un receptor situado en la cima de una torre. Una central eléctrica de 10 megavatios que utiliza este principio funciona con éxito en California desde 1982.

Línea. El canal parabólico (Figura 9) es un ejemplo de enfoque lineal.

Óptica. La radiación directa incidente se refleja desde el colector solar hacia la línea focal a lo largo del mismo. Para maximizar la captación de energía, el colector está diseñado para seguir al sol. Puede orientarse con la línea focal en dirección este-oeste, norte-sur o norte-sur con inclinación simultánea hacia el sol (montura polar).

Cada orientación tiene sus propias características de recolección estacionales y anuales. Ninguna orientación es universalmente preferida (es decir, ninguna es más rentable).

Las lentes estándar y de Fresnel se pueden fabricar en forma lineal (Figura 10) con la misma sección transversal que la lente circular, pero

Ahora se produce una línea focal en lugar de un punto focal. Las lentes Fresnel lineales de plástico de buena calidad se pueden fabricar fácilmente por extrusión.

El cuenco hemisférico (Figura 11) es otro ejemplo de linealidad

Óptica focal. A diferencia de la cubeta o la lente, el seguimiento en dos ejes es obligatorio. El recipiente hemisférico permanece fijo y el receptor realiza el seguimiento. La línea focal coincide con la línea que conecta el centro de la esfera con el sol. La línea focal está restringida a la mitad inferior del radio debido a las propiedades ópticas del recipiente. Dado que algunos rayos alcanzan la línea focal con una sola reflexión y otros requieren múltiples reflexiones, la intensidad no es uniforme a lo largo de la línea focal. La figura 12 muestra un recipiente experimental de 19,7 metros (65 pies) de diámetro.

que ha funcionado con éxito en Texas durante muchos años. La captación anual de energía es menor que la de otras ópticas colectoras y no parece haber ventajas compensatorias, salvo que es mucho más fácil para un receptor pequeño seguir la imagen del sol que para un concentrador más grande y mucho más pesado.

Sin enfoque. El surco hemisférico (Figura 13) y el plano

Los colectores de placas con espejos de refuerzo son ejemplos de concentradores que no enfocan. Los concentradores que no enfocan no concentran la luz solar en una forma geométrica específica, sino que la reflejan hacia un receptor, aumentando así la cantidad total de luz solar recibida. La categoría de concentradores que no enfocan también incluye concentradores en los que el enfoque es de mala calidad. El colector cilíndrico (Figura 14), una variación del

El diseño de canal hemisférico resulta interesante porque todo el cilindro puede fabricarse con plástico inflable de bajo costo.

Un método sencillo para lograr un modesto aumento de concentración en una gran área es utilizar espejos de refuerzo junto con un colector de placa plana (Figura 15). Antes del mediodía, los espejos se orientan hacia

al este; después del mediodía se orientan hacia el oeste. La ventaja de captación de energía de los amplificadores para un colector de placa plana se muestra en la Figura 16.

Para obtener la máxima captación de energía diaria o anual, es necesario seguir la trayectoria del sol (o su imagen reflejada), ya que los concentradores, especialmente aquellos con alta capacidad de concentración, solo utilizan la radiación directa. Así, cuando un plato parabólico apunta al sol, los rayos reflejados pasan por el foco. A medida que el sol se mueve, algunos de los rayos reflejados no alcanzan el foco y, con el tiempo, todos lo hacen. Es necesario mover el plato para mantener los rayos reflejados en el foco. El receptor central, el plato parabólico, el colector parabólico, la lente estándar y la lente de Fresnel son ejemplos de sistemas concentradores con seguimiento solar.

El recipiente hemisférico también debe seguir continuamente la trayectoria del sol. Los recipientes grandes son demasiado difíciles de mover. Por lo tanto, se desplaza continuamente el receptor, que sigue la línea focal de la esfera (la imagen reflejada del sol) durante todo el día.

Al igual que el cuenco hemisférico, el concentrador Russell es fijo y el receptor debe seguir la imagen del sol (Figura 17).

El concentrador consta de espejos largos y estrechos cuyos centros se encuentran todos en el perímetro de un círculo. Los espejos están orientados de manera que todas las imágenes reflejadas se enfocan en un punto del mismo perímetro. A medida que el sol se mueve, el foco se mueve a lo largo del perímetro. El colector Winston se considera generalmente un concentrador sin seguimiento. Su captación de energía se puede aumentar mediante el seguimiento. Como colector de tipo canal (Figura 18), consta de un parabólico.

Superficie cuyo eje es horizontal y cuyo punto focal se encuentra cerca de la superficie. El colector suele tener forma de paraboloide, aunque también puede ser de canal. Recibe tanto radiación directa como difusa. El ángulo de recepción (ángulo de captación de la luz solar) depende de la altura de la parábola. Cuanto menor sea la altura, mayor será el ángulo de recepción y el tiempo de funcionamiento diario, pero menor será la concentración y la temperatura máxima alcanzable. Este colector se ha utilizado como un colector fijo de alta eficacia, que alcanza temperaturas superiores a las de un colector plano convencional.

El receptor central y el colector parabólico tienen receptores fijos, debido a las características ópticas de los sistemas. El receptor del colector parabólico se suele colocar en el foco para que se mueva con el colector mientras este sigue al sol. Ni el colector de cuenco ni el colector Russell siguen al sol, por lo que sus receptores deben seguir la imagen solar. El colector Winston, el colector cilíndrico y el colector de placa plana con espejos de refuerzo se utilizan normalmente en posición fija y con receptores fijos. La placa plana, por supuesto, funciona tanto como colector como receptor.

Hay muchos concentradores ingeniosos que funcionan bastante bien y pueden ser rentables en algunas aplicaciones. El colector de cúspide (Figura 19), cuya geometría de superficie es el lugar geométrico de la posición

del extremo de una cuerda al desenrollarse de una tubería puede proporcionar una concentración moderada adecuada para agua caliente. Un colector cónico (Figura 20) puede sustituir al paraboloide de Winston,

Se logra una mayor simplicidad en la fabricación, aunque con cierta penalización en el rendimiento. De manera similar, los reflectores planos pueden sustituir a los laterales parabólicos del colector parabólico Winston.

La Tabla 1 resume las características y los usos potenciales de los concentradores descritos anteriormente.

Tipo de concentrador: Plato parabólico
Tipo de enfoque: Puntual
Lente o espejo: Espejo
Concentración solar: > 1000
Seguimiento: Sí
Receptor de seguimiento: Sí
Temperatura (C): >2638
Temperatura (F): >3000
Aplicación típica: Electricidad
Comentarios: Aplicaciones a pequeña escala

Tipo de concentrador: Receptor central
Tipo de enfoque: Puntual
Lente o espejo: Espejo
Concentración solar: > 1000
Seguimiento: Sí
Receptor de seguimiento: No
Temperatura (C): >2638
Temperatura (F): >3000
Aplicación típica: Electricidad
Comentarios: Aplicaciones a gran escala

Tipo de concentrador: Lente (redonda)
Tipo de enfoque: Puntual
Lente o espejo: Lente
Concentración solar: > 1000
Seguimiento: Sí
Receptor de seguimiento: No
Temperatura (C): >2638
Temperatura (F): >3000
Aplicación típica: Electricidad
Comentarios: Celdas fotovoltaicas

Tipo de concentrador: Canal parabólico
Tipo de enfoque: Línea
Lente o espejo: Espejo
Concentración solar: 100
Seguimiento: Sí
Receptor de seguimiento: No
Temperatura (C): 538
Temperatura (F): 1000
Aplicación típica: Electricidad, calor
Comentarios: Sistemas pequeños o grandes

Tipo de concentrador: Espejo fijo Enfoque móvil
Tipo de enfoque: Línea Lente
o espejo: Espejo
Concentración solar: 100
Seguimiento: No
Receptor de seguimiento: Sí
Temperatura (C): 538
Temperatura (F): 1000
Aplicación típica: Electricidad, calor
Comentarios: Sistemas pequeños o grandes. No es económico según la experiencia en EE. UU.

Tipo de concentrador: Lente (lineal)
Tipo de enfoque:
Línea Lente o espejo: Espejo
Concentración solar: 100
Seguimiento: Sí
Receptor de seguimiento: Sí
Temperatura (C): 538
Temperatura (F): 1000
Aplicación típica: Electricidad, calor
Comentarios: Sistemas pequeños o grandes. Poca experiencia en EE. UU.

Tipo de concentrador: Esférico
Tipo de enfoque: Línea
Lente o espejo: Espejo
Concentración solar: 80
Seguimiento: No
Receptor de seguimiento: Sí
Temperatura (C): 538
Temperatura (F): 1000
Aplicación típica: Electricidad
Comentarios: Incómodo a gran escala

Tipo de concentrador: Cilindro
Tipo de enfoque: Línea
Lente o espejo: Espejo
Concentración solar: 2
Seguimiento: Sin
seguimiento Receptor: No
Temperatura (C): 121
Temperatura (F): 250
Aplicación típica: Calor
Comentarios:

Tipo de concentrador: Cúspide
Tipo de enfoque: Línea
Lente o espejo: Espejo
Concentración solar: 1,5-2,5
Seguimiento: Sin
seguimiento Receptor: No
Temperatura (C): 121
Temperatura (F): 250
Aplicación típica: Calor
Comentarios:

Tipo de concentrador: Winston
Tipo de enfoque: Línea
Lente o espejo: Espejo
Concentración solar: 3-6
Seguimiento: Sin
seguimiento Receptor: No
Temperatura (°C): 121
Temperatura (°F): 250
Aplicación típica: Calor
Comentarios: La concentración disminuye a medida que aumenta el ángulo de aceptación

Tipo de concentrador: Placa plana con amplificador
Tipo de enfoque: Área
Lente o espejo: Espejo
Concentración solar: Entre 1 y 2
Seguimiento: Sin
seguimiento Receptor: No
Temperatura (C): 121
Temperatura (F): 250
Aplicación típica: Calor
Comentarios:

Los colectores que mantienen sus superficies orientadas hacia el sol (ángulo recto en la mayoría de los casos) presentan la mayor eficiencia de captación anual. El plato parabólico y otros colectores de seguimiento de dos ejes son ejemplos de ello. El receptor central, si bien es un sistema de seguimiento de dos ejes, no orienta los reflectores del heliostato hacia el sol, sino que mantiene un ángulo con respecto al sol para que la imagen se refleje hacia el receptor. Como era de esperar, su eficiencia de captación es menor que la del plato parabólico. El colector parabólico de canal es un sistema de seguimiento de un solo eje; por lo tanto, su superficie solo se encuentra ocasionalmente en ángulo recto con respecto al sol y tiene una eficiencia de captación anual menor que la del receptor central.

Los colectores fijos con receptores de seguimiento, como el colector de cuenco y el colector Russell, presentan una eficiencia de recolección aún menor. La menor eficiencia la muestran los colectores y receptores fijos de Winston y otros similares.

La eficiencia teórica anual de los tres principales colectores concentradores utilizados en Estados Unidos es del 80 % para el plato, del 60 % para el receptor central y del 43 % para el colector parabólico. La eficiencia del colector se determina para el período que va desde el inicio del seguimiento, cuando el sol asciende a 15 grados sobre el horizonte, hasta que finaliza el seguimiento, cuando el sol desciende por debajo de los 15 grados al final del día. La eficiencia depende de la radiación solar directa y de la óptica del sistema.

La eficiencia real depende de la precisión de la superficie del espejo o la lente, la presencia de polvo y película en la superficie, la absorción de energía por la lente o el espejo, las propiedades del material reflectante, la precisión de apuntamiento, los efectos de las variaciones de temperatura sobre estos factores, las condiciones meteorológicas (incluidas las nubes, el polvo y la neblina), etc. La eficiencia se ve aún más reducida por el rendimiento del receptor y el diseño del subsistema del receptor, prestando especial atención a la reducción de la pérdida de calor por conducción, convección y radiación.

Un artículo reciente sobre el plato parabólico preparado por el Laboratorio de Propulsión a Chorro (*) describe nueve diseños patrocinados por Estados Unidos.

(*) VC Truscello, "Estado del concentrador de plato parabólico", Actas de la Conferencia de la Agencia de Investigación y Desarrollo de Energía sobre colectores solares de concentración, Instituto Tecnológico de Georgia, 26-28 de septiembre de 1977 (Washington, DC: Departamento de Energía de EE. UU., sin fecha, alrededor de 1982-1983).

Departamento de Energía, ocho diseños estadounidenses financiados con fondos privados y 10 platos desarrollados por otros países. Aunque no hay dos platos idénticos, se dividen en cuatro categorías:

1. Reflector rígido. La superficie reflectante está unida a una estructura curva rígida. Esta es la estructura estándar (tipo radar) (Figura 21).

2. Membrana estabilizada por presión. La superficie reflectante se adhiere a una membrana flexible, que adopta la forma de una estructura de soporte rígida y curvada mediante la creación de un vacío entre la membrana y la estructura. El objetivo es reducir los costos disminuyendo el peso de los materiales de construcción (Figura 22).

3. Lente o espejo de Fresnel. La lente se compone de varias partes concéntricas estrechas; el espejo es una serie de superficies reflectantes concéntricas. El objetivo es reducir el costo simplificando la curvatura compuesta del paraboloide (Figura 23).

4. Reflector secundario. Un segundo espejo, que puede ser hiperbólico (*) (cassegrain) o elíptico (**) (gregoriano), refleja los rayos del reflector parabólico hacia un receptor situado detrás de la parábola. El objetivo es eliminar las exigencias estructurales que supone el receptor para la antena y, además, facilitar el acceso al receptor para su mantenimiento (Figura 24).

El reflector rígido ha sido el más popular debido a su similitud con la tecnología de radar actual. El proyecto Shenandoah, un proyecto de demostración del Departamento de Energía de EE. UU. cerca de Atlanta, Georgia, desplegó 114 antenas parabólicas de 7 metros de diámetro recubiertas con una película reflectante para producir vapor a 399 °C (750 °F). Este vapor se utilizó para generar 400 kilovatios de electricidad y vapor de proceso a 9,70 kilogramos por centímetro cuadrado (138 libras por pulgada cuadrada manométrica [psig]) para una fábrica de prendas de punto adyacente. Tras algunos problemas iniciales, el sistema ahora funciona satisfactoriamente. El proyecto es un esfuerzo conjunto del Departamento de Energía de EE. UU., la compañía eléctrica local y la fábrica de prendas de punto. Su objetivo era demostrar la viabilidad de los colectores de reflector rígido, no ser un prototipo comercial.

(*) Una curva formada por la sección de un cono cortada por un plano que forma un ángulo mayor con la base que el lado del cono.

(**) De forma ovalada.

El mejor ejemplo estadounidense de receptor central es Solar One, un proyecto conjunto del Departamento de Energía de EE. UU. y dos compañías eléctricas del sur de California. Esta planta piloto de 10 megavatios utiliza 1818 heliostatos (o reflectores), cada uno con 41,8 metros cuadrados (450 pies cuadrados) de espejos de vidrio de segunda superficie. Los heliostatos rodean una torre donde se ubica el receptor. La mayoría de los heliostatos se encuentran al sur de la torre. La planta ha superado sus especificaciones y está funcionando con gran éxito. El diseño se basó en una planta de 100 megavatios y luego se redujo a 10 megavatios. Una planta optimizada de 10 megavatios probablemente tendría una configuración de campo de heliostatos diferente.

Las empresas de servicios públicos están considerando una versión de 100 megavatios (Solar 100) con tecnología similar, siempre y cuando se otorguen créditos fiscales a la inversión por parte del gobierno. Sin estos incentivos financieros, la planta no sería rentable en Estados Unidos debido a la caída de los precios del petróleo. Sin embargo, una planta de este tipo podría ser rentable en otros países con altos costos de energía.

Los heliostatos han evolucionado a través de una serie de diseños que redujeron su peso inicial de más de 97,6 kilogramos/metro cuadrado (20 libras/pie cuadrado) a unos 39 kilogramos/metro cuadrado (8 libras/pie cuadrado). Se han construido y probado más de 20 diseños de heliostatos. Actualmente, se prefiere un espejo de vidrio de segunda superficie sobre un soporte de vidrio. El Instituto de Investigación de Energía Solar del Departamento de Energía de EE. UU. está desarrollando un reflector ligero (plástico/plata/plástico) que promete reducir drásticamente el costo de los heliostatos. Una vez desarrollado, este material podría ser de interés para su uso en países menos industrializados.

El tamaño de los heliostatos viene determinado por la rigidez y los requisitos de carga de viento. Debido a los costes actuales de los heliostatos (influenciados por el hecho de que cada uno requiere su propio sistema de seguimiento), en Estados Unidos, los diseños de sistemas favorecen los heliostatos de gran tamaño. La distribución de los costes puede variar en otros países. Si bien en Estados Unidos solo los receptores centrales de mayor tamaño probablemente resulten económicos, algunos países en desarrollo avanzados podrían utilizar la tecnología Solar One, de menor tamaño, de forma rentable.

Las lentes circulares, ya sean estándar o de Fresnel, suelen tener un tamaño limitado, al igual que la antena parabólica. El tamaño también está limitado por las capacidades de fabricación actuales. Existen lentes de vidrio pequeñas para cámaras y focos, así como lentes de plástico más grandes. Sin embargo, una lente de 7 metros de diámetro (un tamaño comparable a la antena de Shenandoah) no está ampliamente disponible, ni en vidrio ni en plástico. En tamaños grandes, una lente de vidrio sería muy pesada; el plástico, probablemente con un diseño de Fresnel, es probable que sea la única lente práctica, si es que está disponible. Las lentes lineales de Fresnel podrían ofrecer la ventaja de poder fabricarse tanto en anchos como en longitudes pequeñas y grandes.

Se han diseñado, construido y probado numerosos colectores parabólicos, principalmente con fondos privados. Existen muchos tipos disponibles en el mercado. Estos colectores difieren en sus materiales reflectantes, materiales estructurales, conceptos de receptor, etc. La temperatura máxima alcanzable es de aproximadamente 540 °C (1000 °F). Los diseños varían según la temperatura de aplicación prevista, ya que el error de superficie, el error de seguimiento y las pérdidas del receptor adquieren gran importancia en un diseño para altas temperaturas.

Los colectores solares parabólicos se han utilizado en numerosos proyectos de demostración federales para proporcionar calor de proceso en aplicaciones industriales y suministrar vapor a motores pequeños adecuados (por ejemplo, bombas de riego). Todos los diseños presentaron problemas iniciales, generalmente con los materiales y los componentes no solares. Tras la reparación o modificación, el funcionamiento fue fiable y exitoso. Muchos proyectos financiados por el gobierno federal tendieron a cerrarse al finalizar y rara vez se reiniciaron debido a la falta de interés sostenido por parte de los usuarios. Una excelente fuente de información sobre fabricantes privados de colectores solares parabólicos es la Asociación de Industrias de Energía Solar (SEIA) en Washington, D.C.

Las cubetas pueden resultar atractivas por su relativa simplicidad. Debido a que su curvatura superficial es singular, y no compuesta como en el caso de los platos, las cubetas son más fáciles de fabricar. Se puede colocar fácilmente un plástico reflectante de segunda superficie con adhesivo sobre el sustrato curvo. Un simple tubo o conducto servirá adecuadamente como receptor, aunque diversas técnicas sencillas, como una camisa de vacío de vidrio alrededor del tubo receptor, mejorarán el rendimiento. El seguimiento de un solo eje es menos complejo que el de dos ejes.

La luz solar concentrada debe convertirse en una forma útil de energía, generalmente calor. Si se desea, el calor puede transformarse en electricidad mediante un motor y un generador. El receptor debe diseñarse para minimizar la pérdida de calor. Esta pérdida se produce por radiación hacia un objeto más frío; por corrientes de convección generadas por el calentamiento del aire en contacto con la superficie caliente del receptor; y por conducción desde las partes calientes del receptor hacia las partes más frías y hacia los elementos estructurales y el aislamiento conectados. La retención de calor por parte del receptor se mejora cubriéndolo con un revestimiento selectivo que absorbe prácticamente toda la radiación concentrada, pero reemite relativamente poca energía. Además, dado que la energía total radiada depende directamente del área radiante, la superficie del receptor debe minimizarse. La convección puede reducirse evitando la formación de corrientes de aire que eliminan el aire calentado por el receptor y le proporcionan aire más frío, lo que provoca una pérdida de calor continua. Una ventana transparente (de vidrio o plástico, según la temperatura) puede reducir las corrientes de aire.

La ventana introduce otros efectos de pérdida y ganancia de calor. Parte de la energía se refleja en las superficies frontal y posterior de la ventana y no llega al receptor. Otra parte de la energía es absorbida por la ventana y tampoco llega al receptor. La superficie interior de la ventana puede recubrirse con un material reflectante del calor, como el óxido de estaño, que reduce la pérdida de radiación al reflejar la energía radiada de vuelta al receptor. El grabado de la superficie exterior de una ventana de vidrio reduce la reflexión de dicha superficie.

El aislamiento térmico reduce las pérdidas por convección y radiación en las partes del receptor que se encuentran fuera de la trayectoria de la radiación incidente. Las pérdidas por conducción se reducen disminuyendo la sección transversal de las estructuras en contacto directo con el receptor y utilizando, siempre que sea posible, materiales con baja conductividad térmica para dichas estructuras. Crear un vacío entre la ventana y el receptor reducirá aún más las pérdidas por convección y conducción.

La figura 25 muestra la reflectividad de varios sistemas de espejos. Nota:

no solo las diferencias en reflectividad sino también que para algunos materiales la energía reflejada cae dentro de un pequeño ángulo sólido* (Figura 26). Estos materiales permiten un área objetivo pequeña para

recepción de los rayos reflejados. Si se requiere un ángulo sólido mayor para abarcar la reflexión, entonces debe buscarse un equilibrio entre el tamaño del objetivo y la pérdida de rayos reflejados. La energía que no se refleja se convierte en calor en la superficie reflectante. Esto puede requerir esfuerzos de enfriamiento para aliviar o eliminar el estrés térmico.

Concentrator cost represents only one portion of the cost of asystem. The cost of the quantity of heat delivered at the requiredtemperature is the preferred method of determining cost.For a given system, the cost per million kilowatt-hours, or kWh(per million Btu) usually decreases as the total number of kWh(Btu) delivered increases, i.e., as system size increases. Similarly,the cost per million kWh (per million Btu) is likely to beless at lower temperatures than at higher temperatures. In general,the higher the concentration and complexity, the higher thecost.

(*) If you have an angle, one side of which is vertical and theother side not vertical, and that side is rotated around the vertical(maintaining the same angle), the angle created is calledthe solid angle.

Cost is frequently represented by purchase price but not always.Sellers may reduce selling price to penetrate a market, to expandmarket share, to anticipate future manufacturing economies andcost reductions, and to limit or exclude potential competition.Sellers with a monopoly or a preferred position may sell athigher than reasonable rates. Sellers faced with unknown orindeterminate risks and liabilities for the product will try totransfer the risk to the purchaser through higher prices or othermeans.

In the United States, many solar energy systems are cost effectiveonly because of federal and state tax policies to aid thesolar energy industry. These systems cost two to five times morethan competing energy systems. However, energy costs in manyless-developed countries are several times greater than in theUnited States, and therefore solar systems may be cost effectivein those countries.

In the United States, the cost of a solar thermal electric systemutilizing relatively new technology and incorporating researchand development costs would range from $10 to about $30 per watt.The central receiver experiment in California (Solar One) costabout $15 per watt; a proposed 100-megawatt plant incorporatingthe lessons of Solar One and the economies of a ten-fold increasein size is anticipated to cost about $4 per watt. Heliostats wereabout one-third of the total cost of Solar One, and are expectedto be about one-half the cost of the large plant. (A coal-firedelectric plant costs about $1.00-$1.40 per watt of installedcapacity.)

Studies of dish technologies indicate costs ranging to $50 perwatt for the system, with dish costs of one-third to one-half ofthe system cost. Dish technology is well behind heliostat experience.Parabolic troughs appear to cost about $538 per squaremeter ($50 per square foot) at present with possible reduction toabout $270 per square meter ($25 per square foot) with a largermarket. Again, these costs reflect only one-third to one-half thesystem cost.

Of possible interest to developing countries is the class ofcollectors using transparent plastic in cylindrical form with thereflector film partially located in the lower arc and a "black"tube located at the focus. This type of collector appears tooffer low cost. Some versions using an evacuated glass tube withan inner blackened copper tube in "once through" (straight tube)or bayonet style are commercially available in the United States(Figures 27, 28, and 29).

The hemispherical bowl has been tested in Crosbyton, Texas, bythe U.S. Department of Energy. The unit, 20 meters in diameter,produced high temperatures and high pressure steam suitable formodern steam turbines. The compound curvature is difficult tobuild, as is the two-axis tracking required of the receiver.However, a tracking receiver is simpler than a tracking concentrator.The concentrator may be more acceptable in smaller sizeand lower concentration (temperature). The reduction in concentrationwill decrease temperature, which increases the number ofmaterials that can be used for the receiver, and may ease fabricationof the sphere.

To compare solar thermal technologies, costs should be reduced tocommon bases such as cost per watt electric or per kWh (Btu). Thebase should distinguish between average and peak capacity; theamount of storage incorporated; temperature, if heat is thedesired end product; and the yearly energy delivered. Othertechnologies have their own bases; photovoltaics use cost perpeak watt, and installed cost per annual kilowatt-hour produced.Electricity from wind energy, as well as from other solar electrictechnologies, may have different value to the user dependingon the time of generation. These considerations should be includedin any evaluation methodology for selection of cost-effectivesystems.

Simple flat plate collectors are the most widely used and mostcost-effective solar collectors. Their primary use is for domesticand commercial (e.g., hospitals, restaurants, etc.) hot waterapplications; however they may also be used in preheat systemsfor higher temperature applications. They can achieve a temperatureof about 38 [degrees] C (100 [degrees] F) above the ambient by capturing sunlight,converting sunlight to heat, and carefully minimizingunwanted heat loss from the collector.

Flat plate (usually non-tracking) collectors are the simplest tofabricate. Simple, unsophisticated, functioning collectors caneasily be built with simple tools. Care must be taken to enhancesolar collection and prevent thermal losses. Careful use of localmaterials to the maximum extent possible can reduce cost. Whileselective absorbers enhance performance and yield higher temperature,almost any "black" surface will perform adequately. Somesimple, low-cost flat plate collectors may be better than concentratorsfor temperatures below 93 [degrees] C (200 [degrees] F), particularly inless-industrialized countries. Expectations of better performancefor flat plate (non-concentrating) collectors over concentratingcollectors, for the same temperature application, have not beenverified in practice. The expectations were based on utilizationof both direct and diffuse radiation by flat plate collectors anduse of only direct radiation by concentrators.

Reports and Conference Proceedings

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Meinel, A.B., and Meinel, M.P. Applied Solar Energy. Reading, Massachusetts: Addison-Wesley Publishing Co., 1976.

Government Printing Office
Washington, D.C. 20402 USA

Laboratorio de Propulsión a Chorro
4800 Oak Grove Drive
Pasadena, California 91103 EE. UU.

Servicio Nacional de Información Técnica
5285 Port Royal Road
Springfield, Virginia 22161 EE. UU.

Asociación de Industrias de Energía Solar
1717 Massachusetts Avenue NW
Washington, DC 20036 EE. UU.

Instituto de Investigación de Energía Solar
1617 Cole Boulevard
Golden, Colorado 80401 EE. UU.

Departamento de Energía de los Estados Unidos,
Oficina de Sistemas Térmicos,
1000 Independence Avenue, SW,
Washington, DC 20585, EE. UU.

• Eficiencias de los componentes derivadas del funcionamiento del Crosbyton Solar Bowl
  

Conferencia de Ingeniería de Conversión de Energía, 1990. IECEC-90. Actas de la 25.ª
Conferencia Interinstitucional. Fecha de publicación: 12-17 de agosto de 1990.
Volumen: 5, páginas: 185-195.
ISBN: 0-8169-0490-1.