Understanding solar concentrators/es

▼Esta página está protegida por derechos de autor. Tenemos permiso para publicarla, pero no modifique el cuerpo del texto ni la reutilice sin autorización. Considérelo como acceso abierto , lo cual constituye una excepción a la licencia de Appropedia . Leer más...

DOCUMENTO TÉCNICO N.° 30: COMPRENSIÓN DE 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

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

Prefacio

Este documento forma parte de una serie publicada por Voluntarios en Asistencia Técnica para ofrecer una introducción a tecnologías de vanguardia de interés para personas en países en desarrollo. Su objetivo es servir de guía para ayudar a las personas a elegir las tecnologías adecuadas para sus necesidades. No pretenden proporcionar detalles de construcción o implementación. Se recomienda contactar con VITA o una organización similar para obtener más información y asistencia técnica si consideran que una 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, de forma totalmente voluntaria. 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 la maquetación, y Margaret Crouch como directora de proyectos.

El autor de este artículo, 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 director del Departamento de Ingeniería Mecánica del Instituto Tecnológico de Florida en Melbourne, Florida. El Dr. Maurice Raiford es consultor en energía solar en Greensboro, Carolina del Norte. Jesse Ribot es analista y consultor en energía y colaboró ​​en la preparación de la Evaluación Nacional de Energía de VITA/USAID en Yibuti.

VITA es una organización privada sin fines de lucro que apoya a quienes trabajan en la resolución de problemas técnicos en países en desarrollo. Ofrece información y asistencia para ayudar a individuos y grupos a seleccionar e implementar tecnologías adecuadas a sus necesidades. VITA mantiene un Servicio de Consulta internacional, un centro de documentación especializado y una lista informatizada de consultores técnicos voluntarios; gestiona proyectos de campo a largo plazo; y publica diversos manuales y artículos técnicos.

I. Introducción

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 intensificó 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 estadounidenses de energía nuclear y espacial, y otros logros tecnológicos se aplicaron a la investigación y el desarrollo de la energía solar. El resultado fue que la investigación, que se había limitado a aficionados y pequeñas empresas especializadas, se extendió a universidades, laboratorios nacionales y la industria. El presupuesto federal para energía solar aumentó de menos de un millón de dólares a principios de la década de 1970 a más de mil millones de dólares 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 capta y concentra para obtener temperaturas más altas; el límite es la temperatura superficial del sol. Sin embargo, los materiales de construcción imponen un límite inferior y más práctico para la capacidad de temperatura. De igual manera, la eficiencia general de la captación, concentración y retención de energía, en relación con el coste energético, impone un límite práctico para la capacidad de temperatura.

Si la energía solar se concentrara muy fuertemente en un volumen diminuto, el resultado se acercaría a un sol en miniatura. Si la misma energía se distribuyera a lo largo de una línea delgada, esta sería más fría que el sol en miniatura, pero seguiría caliente. Si se distribuyera sobre una superficie extensa, la superficie sería 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 un concentrador puede recolectar anualmente depende de su posición con respecto al sol. Algunos tipos de colectores funcionan adecuadamente (de forma 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, para ser rentables, deben tener la capacidad de rastrear diariamente la trayectoria solar desde la mañana (este) hasta la puesta del sol (oeste). Algunos concentradores solo pueden ser rentables rastreando tanto la trayectoria diaria del sol como su inclinación anual (que hace que parezca que el sol se declina 47 grados a lo largo del año). Por lo tanto, los concentradores pueden ser sin seguimiento, con seguimiento de un solo eje (de este a oeste) o con seguimiento de dos ejes (de este a oeste y 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 estadounidense de investigación en energía solar ha sido líder mundial tanto en inversión como en alcance. Dado el amplio mercado potencial estadounidense, el programa nacional se orientó al mercado nacional y no se concibió específicamente para la exportación. Por lo tanto, la experiencia estadounidense es principalmente aplicable a Estados Unidos y podría no ser relevante para otros países sin modificaciones.

Para aplicaciones en EE. UU., por ejemplo, los concentradores de tipo espejo son más rentables que los de tipo lente para sistemas pequeños, intermedios 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 EE. UU. podría deberse a la sofisticación de la tecnología, la disponibilidad de personal de mantenimiento cualificado y repuestos, y una excelente infraestructura de soporte, más que a una ventaja inherente de los espejos o los sistemas de seguimiento. En un entorno menos industrializado, los concentradores de lente podrían resultar más apropiados.

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

HISTORIA DE LOS CONCENTRADORES SOLARES

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

En el siglo XVII se realizaron experimentos para verificar la historia de Arquímedes con placas de metal pulido. En el siglo XVII, se utilizaron por primera vez lentes de vidrio para fundir hierro, cobre, mercurio y otros materiales a partir de sus minerales. El siglo XVIII trajo consigo hornos y estufas solares. El avance tecnológico del siglo XIX produjo máquinas de vapor y de aire caliente alimentadas por energía solar. A principios del siglo XX se construyeron numerosas máquinas y estufas solares. La experimentación continuó hasta la década de 1930, antes de decaer con la amplia disponibilidad de combustibles fósiles baratos, en particular el gas natural.

El programa estadounidense de energía solar se inició en 1970 como parte del programa de Investigación Aplicada a las Necesidades Nacionales (RANN) de la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos. Este programa se expandió enormemente como resultado del embargo petrolero de 1974 y el aumento del precio del petróleo y otros combustibles fósiles. A medida que los objetivos del programa cambiaron de la investigación y el desarrollo a la comercialización, la responsabilidad del programa se trasladó a otras agencias federales. El programa ahora forma parte del Departamento de Energía de Estados Unidos; el enfoque se centra nuevamente en la investigación y el desarrollo a largo plazo, de alto costo y alto riesgo, que es poco probable que la industria emprenda; la responsabilidad de la comercialización se ha transferido de nuevo a la industria.

NECESIDADES ATENDIDAS POR LA TECNOLOGÍA

Los concentradores solares proporcionan radiación solar de alta densidad energética a un receptor objetivo, lo que eleva su temperatura. Dependiendo del grado de concentración, las propiedades ópticas (absorción y radiación solar) de la superficie del objetivo y su velocidad de enfriamiento, pueden ocurrir las siguientes situaciones:

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

El primer ejemplo es el de un horno solar. El segundo puede considerarse una cocina u horno solar. En el tercer caso, el refrigerante calentado se utiliza directamente, por ejemplo, como 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 la conversión en electricidad.

Si el objetivo de la luz solar concentrada es una célula fotovoltaica o un conjunto de células, la electricidad se producirá directamente. El grado de concentración solar, la eficiencia de conversión de la célula, el diseño del conjunto de células y el material de la célula determinarán si se requiere refrigeración por circulación natural o forzada para su funcionamiento eficiente. Actualmente, el coste por unidad de superficie de un concentrador es menor que el coste por unidad de superficie de la célula. Por ello, se utilizan concentradores para reducir la superficie de la célula. Si el coste de la superficie de la célula fuera menor que el del concentrador, no se utilizarían concentradores.

Este artículo se centra principalmente en concentradores para aplicaciones térmicas, más que en aplicaciones con células fotovoltaicas. Se hace hincapié en las aplicaciones en países menos desarrollados.

II. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO

LUZ DEL SOL

Antes de hablar de los concentradores, conviene mencionar 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). El paso a través de la atmósfera reduce la intensidad debido a la absorción por los diversos gases y vapores del aire y a la dispersión de estos gases y vapores, así como de 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 claro y brillante. La intensidad se reduce aún más en días nublados.

La mayoría de los concentradores utilizan únicamente radiación directa. Estos concentradores funcionan bien en días claros y brillantes, deficientemente en días brumosos y nulos en días grises y monótonos, cuando la intensidad de la luz solar es reducida y la luz se compone principalmente de 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 considerar este arco.

TIPOS GENÉRICOS Y USO

Aunque la siguiente explicación trata sobre los concentradores como entidades, estos son solo una parte de un sistema de recolección de energía. Para ser útiles, los rayos concentrados deben dirigirse a un objetivo llamado receptor, que los convierte en otra forma de energía: calor. El concentrador y el receptor deben estar coordinados para un rendimiento óptimo. Con frecuencia, se espera que el receptor imparta calor a un fluido para que este se utilice o se disipe. Cuando el propósito principal del concentrador es obtener calor de manera efectiva, la combinación de concentrador y receptor debe diseñarse cuidadosamente para reducir la pérdida de energía dispersa, tanto del concentrador como del receptor.

Existen diversas maneras de caracterizar los concentradores. Estas incluyen:

• Medios de concentración: reflexión o refracción
• Punto, línea o no enfoque
• Concentrador fijo o de seguimiento
• Receptor fijo o de seguimiento

Medios de concentración

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, espejos. Un espejo refleja la luz incidente de modo que el ángulo del rayo reflejado es 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, pero se puede lograr superponiendo los reflejos de varios espejos. Alternativamente, se puede lograr la concentración doblando el espejo en una forma predeterminada y aprovechando las propiedades ópticas de la superficie curva resultante.

La lente se basa en la desviación (refracción) de la luz entrante para converger en un foco común (Figura 3). A medida que el tamaño de la lente...

aumenta, el grosor de la lente también aumenta. 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 sus inconvenientes. El espejo requiere una superficie reflectante limpia y lisa: limpia, ya que las partículas de polvo podrían dispersar la luz lejos del receptor o la luz podría ser absorbida parcialmente por una fina película sucia; lisa, ya que un error de contorno también puede provocar que el receptor no se detecte. El material reflectante puede colocarse sobre 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

Aluminio de segunda mano. La plata es muy susceptible a la degradación por la humedad y los contaminantes atmosféricos. 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 mano presentan cierta pérdida de energía debido a la absorción de luz por la superficie transparente, generalmente vidrio o plástico, tanto al incidir la luz 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 contra la degradación por la luz ultravioleta del sol.

Debido al mayor grosor de la lente, el grado de absorción de energía es mayor que el del espejo de segunda superficie. La lente de Fresnel, que puede fabricarse mucho más delgada que una lente estándar, presenta una menor pérdida de energía por absorción que esta última.

La superficie de la lente también debe estar limpia y lisa por las mismas razones que el espejo. El rendimiento de una lente Fresnel mejora cuando la sección vertical presenta un error de pendiente mínimo o nulo. Los plásticos se pueden moldear para producir lentes Fresnel de mayor calidad y menor costo que el vidrio. Sin embargo, las lentes de plástico tienden a deteriorarse bajo la luz ultravioleta y deben estabilizarse.

Punto, línea o no enfoque

Un criterio para la selección de un concentrador específico es el grado de concentración y, por lo tanto, la temperatura que se desea alcanzar. Por lo general, concentrar energía en un punto produce una temperatura de alta a muy alta; y en una línea, una temperatura de moderada a alta. Los concentradores sin enfoque producen una temperatura de baja a moderada.

El reflector de plato parabólico (Figura 7) aprovecha las propiedades ópticas de la superficie curva parabólica para concentrar la luz directa en el punto focal. Esta geometría de plato se utiliza habitualmente en faros de automóviles, reflectores, radares y para recibir transmisiones de satélites de radiodifusión.

Las lentes circulares y de Fresnel estándar también son 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 el equivalente al enfoque puntual. La forma focal no es un punto, sino la imagen finita del sol, ampliada aún más por las características del material del reflector y diversos errores de fabricación y en la precisión de la superposición de imágenes. Figura 8

Ilustra el concepto de receptor central, en el que helióstatos (espejos planos o ligeramente curvados montados sobre dispositivos de seguimiento) redirigen los rayos solares hacia un receptor situado en la cima de una torre. Una planta generadora eléctrica de 10 megavatios que emplea este principio ha operado 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 canal hasta la línea focal a lo largo de este. Para maximizar la captación de energía, el canal está diseñado para seguir al sol. El canal 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 estacional y anual. Ninguna orientación es universalmente preferida (es decir, no 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. Se pueden producir fácilmente lentes Fresnel lineales de plástico de buena calidad mediante extrusión.

El cuenco hemisférico (Figura 11) es otro ejemplo de cuenco lineal.

Óptica focal. A diferencia del canal o la lente, el seguimiento biaxial es obligatorio. El cuenco hemisférico siempre está fijo y el receptor realiza el seguimiento. La línea focal se encuentra en la línea que conecta el centro de la esfera con el sol. La línea focal está restringida a la mitad inferior del radio por las propiedades ópticas del cuenco. 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 cuenco 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 otros sistemas ópticos de colectores 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 pesado.

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

Los concentradores de placas con espejos amplificadores son ejemplos de concentradores sin enfoque. Estos concentradores no enfocan 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 sin enfoque también incluye concentradores con un enfoque deficiente. El colector cilíndrico (Figura 14), una variación del...

El canal hemisférico es de interés porque todo el cilindro puede fabricarse con plástico inflable de bajo costo.

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

Este; después del mediodía, miran al oeste. La ventaja de captación de energía de los amplificadores para un colector de placa plana se muestra en la Figura 16.

Concentradores fijos o de seguimiento

La máxima captación de energía, diaria o anual, requiere el seguimiento del sol (o de su imagen reflejada), ya que los concentradores, en particular los de alta concentración, utilizan únicamente radiación directa. Por lo tanto, una antena parabólica, al apuntar al sol, refleja rayos que pasan a través del 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 la antena parabólica para mantener los rayos reflejados en el foco. El receptor central, la antena parabólica, el canal parabólico, la lente estándar y la lente de Fresnel son ejemplos de sistemas de concentración con seguimiento.

El cuenco hemisférico también debe seguir continuamente el sol. Los cuencos grandes son demasiado difíciles de mover. Por lo tanto, el receptor se mueve continuamente. Sigue la línea focal de la esfera (la imagen reflejada del sol) a lo largo del día.

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

El concentrador consta de espejos largos y estrechos cuyos centros se encuentran en el perímetro de un círculo. Los espejos están orientados de modo que todas las imágenes reflejadas se enfoquen 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 suele considerarse un concentrador sin seguimiento. Su captación de energía puede incrementarse mediante el seguimiento. Como colector de tipo canal (Figura 18), consta de una parabólica.

Superficie cuyo eje es horizontal y cuyo punto focal está cerca de la superficie. El colector se presenta frecuentemente en forma de paraboloide, pero también puede tener forma de canal. El colector acepta radiación tanto directa como difusa. El ángulo de aceptación (ángulo de aceptación de la luz solar) depende de la altura de la parábola. Cuanto menor sea la altura, mayor será el ángulo de aceptación y el período de operación diaria, pero menor será la concentración y la capacidad de temperatura máxima. El colector se ha utilizado como un colector fijo de alta eficiencia, que alcanza temperaturas más altas que un colector de placa plana típico.

Receptores fijos o de seguimiento

El receptor central y el colector cilindro-parabólico tienen receptores fijos debido a las características ópticas de los sistemas. El receptor de plato parabólico suele ubicarse en el foco para que se mueva con el plato a medida que 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 auxiliares se utilizan normalmente en posición fija y con receptores fijos. El plato plano es, por supuesto, tanto el colector como el receptor.

Otros concentradores fijos

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

El 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 simplifica la fabricación con cierta reducción del rendimiento. De igual manera, los reflectores planos pueden sustituir los lados parabólicos del colector cilindro-winston.

En la Tabla 1 se resumen las características y usos potenciales de los concentradores descritos anteriormente.

Tipo de concentrador: Plato parabólico
Tipo de enfoque: Punto
Lente o espejo: Espejo
Concentración del sol: > 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: Punto
Lente o espejo: Espejo
Concentración del sol: > 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: Punto
Lente o espejo: Lente
Concentración del sol: > 1000
Seguimiento: Sí
Receptor de seguimiento: No
Temperatura (C): >2638
Temperatura (F): >3000
Aplicación típica: Electricidad
Comentarios: Células fotovoltaicas

Tipo de concentrador: Canal parabólico
Tipo de enfoque: Línea
Lente o espejo: Espejo
Concentración del sol: 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: Sin
seguimiento. Receptor: 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: Esfera
Tipo de enfoque: Línea
Lente o espejo: Espejo
Concentración del sol: 80
Seguimiento: Sin
seguimiento Receptor: 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 del sol: 2
Seguimiento: Sin
seguimiento Receptor: Sin
temperatura (C): 121
Temperatura (F): 250
Aplicación típica: Calor
Comentarios:

Tipo de concentrador: Cúspide
Tipo de enfoque: Línea
Lente o espejo: Espejo
Concentración del sol: 1,5-2,5
Seguimiento: Sin
seguimiento Receptor: Sin
temperatura (C): 121
Temperatura (F): 250
Aplicación típica: Calor
Comentarios:

Tipo de concentrador: Winston
Tipo de enfoque: Línea
Lente o espejo: Espejo
Concentración del sol: 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 del sol: Entre 1 y 2
Seguimiento: Sin
seguimiento Receptor: No
Temperatura (C): 121
Temperatura (F): 250
Aplicación típica: Calor
Comentarios:

EFICIENCIA DE RECOLECCIÓN ENERGÉTICA ANUAL

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

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

La eficiencia anual teórica de los tres principales colectores de concentración utilizados en Estados Unidos es del 80 % para el disco, del 60 % para el receptor central y del 43 % para el colector cilindro-parabólico. La eficiencia del colector se determina para el período comprendido entre el inicio del seguimiento, cuando el sol alcanza los 15 grados sobre el horizonte, y su finalización, 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 lente, el polvo y la película superficiales, 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 afectada aún más por el rendimiento del receptor y el diseño del subsistema del receptor, incluyendo la atención prestada a la reducción de la pérdida de calor por conducción, convección y radiación.

III. VARIACIONES DE DISEÑO Y EXPERIENCIA

COLECTORES SOLARES PARABÓLICOS

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

(*) VC Truscello, "Estado del concentrador de plato parabólico, Actas de la Conferencia de la Agencia de Investigación y Desarrollo Energético 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, circa 1982-1983).

Departamento de Energía, ocho diseños estadounidenses con financiación privada y diez antenas desarrolladas por otros países. Aunque no hay dos antenas idénticas, se clasifican en cuatro categorías:

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

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

3. Lente o espejo de Fresnel. La lente está formada por varias piezas estrechas y concéntricas; el espejo es una serie de superficies reflectantes concéntricas. El objetivo es reducir costes 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 a un receptor situado detrás de la parábola. El objetivo es eliminar las pesadas exigencias estructurales del receptor sobre la antena parabólica y facilitar el acceso al receptor para su mantenimiento (Figura 24).

El reflector rígido ha sido el más popular, ya que se asemeja a 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). El vapor se utilizó para generar 400 kilovatios de electricidad y procesar vapor a 9,70 kilogramos por centímetro cuadrado (138 libras por pulgada cuadrada manométrica [psig]) para una fábrica de tejidos 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 tejidos. Su objetivo era demostrar la viabilidad de los colectores de reflector rígido, no ser un prototipo comercial.

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

(**) De forma ovalada.

RECEPTORES CENTRALES

El mejor ejemplo estadounidense de receptor central es Solar One, un proyecto conjunto del Departamento de Energía de EE. UU. y dos empresas de servicios públicos del sur de California. Esta planta piloto eléctrica de 10 megavatios utiliza 1818 helióstatos (o reflectores), cada uno con 41,8 metros cuadrados (450 pies cuadrados) de espejos de vidrio de segunda superficie. Los helióstatos rodean una torre donde se ubica el receptor. La mayoría de los helióstatos se ubican al sur de la torre. La planta ha superado sus especificaciones y está operando 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 helióstatos diferente.

Las empresas de servicios públicos están considerando una versión de 100 megavatios (Solar 100) con tecnología similar, suponiendo que se otorguen créditos gubernamentales a la inversión. 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 energéticos.

Los helióstatos han evolucionado mediante una serie de diseños que redujeron su peso inicial de más de 97,6 kilogramos/metro cuadrado (20 libras/pie cuadrado) a aproximadamente 39 kilogramos/metro cuadrado (8 libras/pie cuadrado). Se han construido y probado más de 20 diseños de helióstatos. 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 helióstatos. Una vez desarrollado, el material podría ser de interés para su uso en países menos industrializados.

El tamaño de los helióstatos depende de los requisitos de rigidez y carga de viento. Debido al coste actual de los helióstatos (que se ve influenciado por el hecho de que cada helióstato necesita su propio sistema de seguimiento), en Estados Unidos, los diseños de sistemas favorecen los helióstatos de gran tamaño. La distribución de los costes puede variar en otros países. Si bien es probable que solo los receptores centrales de mayor tamaño resulten económicos en Estados Unidos, algunos países en desarrollo avanzados podrían utilizar la tecnología Solar One, de menor tamaño, de forma económica.

LENTES

Las lentes circulares, ya sean estándar o Fresnel, suelen tener un tamaño limitado, al igual que el plato parabólico. El tamaño también está limitado por la capacidad de fabricación actual. 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 al plato 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 diseño Fresnel, probablemente sea la única lente práctica, si está disponible. Las lentes Fresnel lineales pueden ofrecer la ventaja de poder fabricarse tanto en anchos y longitudes pequeños como grandes.

CILINDROS PARABÓLICOS

Se ha diseñado, construido y probado un número considerable de canales parabólicos, principalmente con financiación privada. Existen numerosos tipos disponibles en el mercado. Los canales difieren en sus materiales reflectantes, materiales estructurales, conceptos de receptor, etc. La temperatura alcanzable alcanza 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 son de gran importancia en un diseño para altas temperaturas.

Los canales se han utilizado en numerosos proyectos de demostración federales para proporcionar calor de proceso en aplicaciones industriales y suministrar vapor a pequeños motores adecuados (por ejemplo, bombas de riego). Todos los diseños presentaron problemas iniciales, generalmente con los materiales y el hardware no solar. Tras la reparación o modificación, su funcionamiento fue fiable y exitoso. Muchos proyectos financiados con fondos federales tendían a suspenderse al finalizar y rara vez se reiniciaban debido a la falta de interés continuo de los usuarios. Una excelente fuente de información sobre fabricantes privados de canales es la Asociación de Industrias de Energía Solar (SEIA) en Washington, D. C.

Los canales pueden resultar atractivos debido a su relativa simplicidad. Dado que la curvatura de su superficie es singular, no compuesta como la de las antenas parabólicas, son más fáciles de fabricar. Se puede colocar fácilmente un plástico reflectante de segunda superficie con respaldo adhesivo sobre el sustrato curvo. Un tubo o tubería simple 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.

IV. TEMAS ESPECIALES

RECEPTORES

La luz solar concentrada debe convertirse en una forma útil de energía, generalmente calor. Si se desea, el calor puede convertirse en electricidad mediante un motor y un generador. El receptor debe diseñarse para minimizar la pérdida de calor. Esta se produce por radiación hacia un objeto más frío; por corrientes de convección creadas al calentar el 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 adjuntos. La retención de calor en el receptor se mejora al cubrirlo con un revestimiento selectivo que absorberá prácticamente toda la radiación concentrada, pero reirradiará relativamente poca energía. Además, dado que la energía total radiada depende directamente del área de radiación, se debe minimizar el área de la superficie del receptor. La convección se puede reducir evitando la acumulación de corrientes de aire que extraen el aire calentado por el receptor y le proporcionan aire más frío para 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 reflejará en las superficies frontal y posterior de la ventana y nunca llegará al receptor. La energía adicional será absorbida por la ventana y no llegará al receptor. La superficie interior de la ventana puede estar recubierta con un espejo térmico, como 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 la superficie.

El aislamiento sirve para reducir las pérdidas por convección y radiación de las partes del receptor que se encuentran fuera de la trayectoria de la radiación entrante. Las pérdidas por conducción se reducen reduciendo la sección transversal de las estructuras en contacto directo con el receptor y utilizando conductores térmicos deficientes para estas estructuras siempre que sea posible. La creación de 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 encerrar la reflexión, se debe alcanzar un equilibrio entre el tamaño del objetivo y la pérdida de rayos reflejados. La energía no reflejada se convierte en calor en la superficie reflectante. Esto puede requerir enfriamiento para aliviar o eliminar la tensión térmica.

COSTO

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.

V. COMPARING THE ALTERNATIVES

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.

BIBLIOGRAPHY/SUGGESTED READING LIST

Reports and Conference Proceedings

Dougherty, D.A. Line-Pocus Receiver Heat Losses. SERI/TR-632-868. Golden, Colorado: Solar Energy Research Institute, July 1982.

Murphy, L.M. Technical and Cost Potential for Lightweight, Stretched-Membrane Heliostat Technology. SERI/TP-253-2070. Golden, Colorado: Solar Energy Research Institute, January 1984.

Scholten, W.B. A Comparison of Energy Delivery Capabilities of Solar Collectors. McLean, Virginia: Science Applications, Inc., 1983.

Solar Energy Research Institute. Solar Thermal Technology Annual Evaluation Report, Fiscal Year 1983. Golden, Colorado: Solar Energy Research Institute, August 1984.

Truscello, V.C. "Status of the Parabolic Dish Concentrator." Proceedings of the Energy Research and Development Agency Conference on Concentrating Solar Collectors. Georgia Institute of Technology, September 26-28, 1977. Washington, D.C.: U.S. Department of Energy, undated (circa 1982-1983).

U.S. Department of Energy. Solar Parabolic Dish Annual Technology Evaluation Report, Fiscal Year 1982. DOE/JPL1060-63. Washington, D.C.: U.S. Department of Energy, September 15, 1983.

U.S. Department of Energy/Sandia Laboratories. Proceedings of the Line-Focus solar Thermal Energy Technology Development Conference, A Seminar for Industry (September 9-11, 1980). Washington, D.C.: U.S. Department of Energy, September 1980.

Books

Duffie, J.A., and Beckman, W.A. Solar Engineering of Thermal Processes. New York, New York: John Wiley and Sons, 1980.

Kreith, F., and Kreider, J.F. Principles of Solar Engineering. Washington, D. C.: Hemisphere Publishing Corp., 1978.

Lunde, P.J. Solar Thermal Engineering. New York, New York: John Wiley and Sons, 1980.

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

SOURCES OF INFORMATION

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 Massachusses 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 EE. UU.
Oficina de Sistemas Térmicos
1000 Independence Avenue, SW
Washington, DC 20585 EE. UU.

Véase también

• Eficiencias de los componentes del funcionamiento del Crosbyton Solar Bowl
  

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