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
Comprensión de los concentradores solares
ISBN: 0-86619-239-5
[C] 1985, Voluntarios en asistencia técnica
Contenido
Prefacio
Este artículo forma parte de una serie publicada por Volunteers in Technical Assistance para proporcionar una introducción a tecnologías de vanguardia específicas de interés para las personas de los países en desarrollo. Los artículos pretenden ser utilizados como directrices para ayudar a las personas a elegir tecnologías que sean adecuadas para sus situaciones. No pretenden proporcionar detalles de construcción o implementación. Se insta a las personas a comunicarse con VITA o una organización similar para obtener más información y asistencia técnica si encuentran que una tecnología en particular parece satisfacer sus necesidades.
Los artículos de la serie fueron escritos, revisados e ilustrados casi en su totalidad por expertos técnicos de VITA Volunteer de forma puramente voluntaria. Unos 500 voluntarios participaron en la producción de los primeros 100 títulos publicados, aportando aproximadamente 5.000 horas de su tiempo. El personal de VITA incluía a Maria Giannuzzi como editora, Suzanne Brooks a cargo de la composición tipográfica y el diseño, y Margaret Crouch como directora de proyectos.
El autor de este artículo, el voluntario de VITA George M. Kaplan, es el presidente de KAPL Associates, una firma 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 de Tecnología 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 de energía y ha ayudado en la preparación de la Evaluación Energética Nacional de Djibouti de VITA/USAID.
VITA es una organización privada sin fines de lucro que apoya a personas que trabajan en problemas técnicos en países en desarrollo. VITA ofrece información y asistencia destinada a ayudar a personas y grupos a seleccionar e implementar tecnologías apropiadas para sus situaciones. VITA mantiene un Servicio de Consulta internacional, un centro de documentación especializado y una lista computarizada de consultores técnicos voluntarios; gestiona proyectos de campo a largo plazo; y publica una variedad de manuales y artículos técnicos.
I. Introducción
Aunque a finales del siglo XIX y principios del XX se llevaron a cabo experimentos de investigación, desarrollo y sistemas de energía solar, fue el fuerte aumento del precio del petróleo en 1974 precipitado por el embargo petrolero del Medio Oriente el año anterior lo que intensificó la inversión nacional e internacional en energía solar. En Estados Unidos y otros países industriales, las herramientas y avances tecnológicos producidos durante la Segunda Guerra Mundial, la reconstrucción y la prosperidad de la posguerra, los programas espaciales y de energía nuclear de Estados Unidos y otros logros tecnológicos se aplicaron a la investigación y el desarrollo de la energía solar. El resultado fue que la investigación, que había estado limitada a pequeños artesanos y pequeñas empresas especializadas, se extendió a las universidades, los laboratorios nacionales y la industria. El presupuesto solar federal aumentó de menos de 1 millón de dólares a principios de los años 1970 a más de mil millones de dólares a principios de los años 1980; el presupuesto es ahora de unos 200 millones de dólares, de los cuales unos 50 millones se destinan a la tecnología solar térmica.
La tecnología solar térmica se ocupa principalmente de la utilización de la energía solar convirtiéndola en calor. En el tipo de colector solar de concentración, la energía solar se recolecta y concentra para que se puedan obtener temperaturas más altas; el límite es la temperatura de la superficie del sol. Sin embargo, los materiales de construcción imponen un límite más bajo y más práctico para la capacidad de temperatura. De manera similar, la eficiencia general de la recolección, concentración y retención de energía, en lo que se refiere al costo de la energía, impone un límite práctico a la capacidad de temperatura.
Si la energía solar estuviera muy concentrada 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, la línea sería más fría que el sol en miniatura, pero aún estaría caliente. Si se distribuyera en una superficie grande, la superficie estaría menos caliente que la línea. Hay concentradores solares que enfocan la luz solar en un punto o una línea. También hay concentradores que no enfocan. 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 la posición del concentrador con respecto al sol. Algunos tipos de colectores funcionan adecuadamente (rentablemente) 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 que sean rentables, se les debe proporcionar la capacidad de seguir diariamente el sol desde la mañana (este) hasta el atardecer (oeste). Algunos concentradores sólo 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 de 47 [grados] durante el año). Por lo tanto, los concentradores pueden ser sin seguimiento, de un solo eje (que sigue de este a oeste) o de dos ejes (que sigue 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 de investigación de energía solar de Estados Unidos ha liderado el mundo tanto en inversión como en amplitud del programa. Debido a que el mercado potencial de Estados Unidos es grande, el programa nacional estadounidense estaba dirigido al mercado interno y no específicamente a la exportación. Por lo tanto, la experiencia estadounidense es aplicable principalmente a Estados Unidos y puede no ser relevante para otros países sin modificaciones.
Para aplicaciones estadounidenses, por ejemplo, los concentradores de tipo espejo son más rentables que los concentradores de tipo lente para sistemas pequeños, intermedios y grandes de generación y uso de calor. Los sistemas de seguimiento parecen más eficaces para aplicaciones de alta temperatura. Sin embargo, la eficacia en Estados Unidos puede deberse a una tecnología sofisticada, la disponibilidad de personal de mantenimiento capacitado 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 lentes pueden resultar más apropiados.
Aunque los términos "recolector" y "concentrador" se utilizan indistintamente en este documento, los términos son distintivos. Un colector no puede concentrar la radiación solar, mientras que los concentradores se consideran colectores. No se hará ninguna distinción en este documento a menos que sea necesario.
HISTORIA DE LOS CONCENTRADORES SOLARES
El concepto de concentrar los rayos solares para calentar un área objetivo se conoce desde hace al menos 4.000 años. En el período de las tablillas de arcilla de Mesopotamia, se decía que se utilizaban vasijas de oro pulido para encender fuegos en los altares. Se dice que Arquímedes salvó a Siracusa de la invasión quemando la flota romana con rayos solares concentrados reflejados en metal pulido.
En el siglo XVII se realizaron experimentos para verificar la historia de Arquímedes con placas de metal pulido. Las lentes de vidrio se utilizaron por primera vez para fundir hierro, cobre, mercurio y otros materiales a partir de sus minerales en el siglo XVII. El siglo XVIII trajo los hornos solares y los hornos solares. Los avances tecnológicos del siglo XIX produjeron 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 languidecer a medida que los combustibles fósiles baratos, en particular el gas natural, se hicieron ampliamente disponibles.
El programa de energía solar de Estados Unidos 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 de los precios del petróleo y otros combustibles fósiles. A medida que los objetivos del programa pasaron de la investigación y el desarrollo a la comercialización, la responsabilidad del programa pasó a otras agencias federales. El programa ahora forma parte del Departamento de Energía de Estados Unidos; la atención se centra nuevamente en la investigación y el desarrollo a largo plazo, de alto costo y alto riesgo, que es poco probable que sean llevados a cabo por la industria; La responsabilidad de la comercialización ha vuelto a recaer en la industria.
NECESIDADES ATENIDAS POR LA TECNOLOGÍA
Los concentradores solares proporcionan radiación solar de alta densidad de energía a un receptor objetivo, elevando así la temperatura del objetivo. Dependiendo del grado de concentración, las propiedades ópticas (absorción solar y radiación) de la superficie del objetivo y la velocidad de enfriamiento del objetivo, puede ocurrir lo siguiente:
- 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 caso 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 (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 celda, el diseño del conjunto de la celda y el material de la celda determinarán si es necesaria la circulación natural o el enfriamiento por circulación forzada para el funcionamiento eficiente de la celda. Actualmente, el costo/área unitaria de un concentrador es menor que el costo/área unitaria de celda. Como resultado, se utilizan concentradores para reducir el área celular. Si el área de la celda fuera menos costosa que el área del concentrador, no se utilizarían concentradores.
Este artículo trata principalmente de concentradores para aplicaciones térmicas más que para aplicaciones con células fotovoltaicas. Se hace hincapié en las aplicaciones en países menos desarrollados.
II. PRINCIPIOS DE OPERACION
LUZ DE SOL
Antes de hablar de los concentradores, conviene decir algunas palabras sobre el sol. Más allá de la atmósfera terrestre, la intensidad de la luz solar es de unos 1.350 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 y de las partículas de polvo y hielo también presentes en el aire. Por tanto, la luz solar que llega a la Tierra es una mezcla de radiación directa (no dispersada) y difusa (dispersada). Al nivel del mar, la intensidad se reduce a aproximadamente 1.000 vatios/metro cuadrado (295 Btu/hora/pie cuadrado) en un día despejado y brillante. La intensidad se reduce aún más en los días nublados.
La mayoría de los concentradores utilizan únicamente radiación directa. Estos concentradores funcionan bien en días claros y brillantes, mal en días brumosos y nada en días grises y monótonos, cuando la intensidad de la luz solar es reducida 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 considerar este arco.
TIPOS GENÉRICOS Y USO
Aunque la discusión que sigue trata de los concentradores como entidades, los concentradores son sólo una parte de un sistema de recolección de energía. Para que sean útiles, los rayos concentrados deben dirigirse a un objetivo llamado receptor, que convierte los rayos en otra forma de energía, calor. El concentrador y el receptor deben coincidir para lograr un rendimiento óptimo. Con frecuencia, se espera que el receptor imparta calor a un fluido para que el calor sea utilizado o disipado. Cuando el propósito principal del concentrador es obtener calor de manera efectiva, entonces la combinación de concentrador y receptor debe diseñarse cuidadosamente para reducir las pérdidas de energía perdidas ya sea del concentrador o del receptor.
Hay muchas formas de caracterizar los concentradores. Éstas incluyen:
- Medios de concentración: reflexión o refracción.
- Punto, línea o sin enfoque
- Concentrador fijo o de seguimiento
- Receptor fijo o de seguimiento
Medios de concentración
La concentración de la luz se consigue con espejos (reflexión) o con lentes transparentes (refracción). Las cámaras y los pequeños telescopios utilizan lentes; Los telescopios grandes utilizan espejos. Un espejo refleja la luz entrante 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 concentra, pero la concentración se puede obtener superponiendo los reflejos de muchos espejos. Alternativamente, la concentración se puede lograr doblando el espejo en una forma predeterminada y confiando en las propiedades ópticas de la superficie curva resultante.
La lente se basa en doblar (refractar) la luz entrante para converger en un foco común (Figura 3). Como el tamaño de la lente.
aumenta, el espesor 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 partes. Esto permite una reducción significativa en el grosor y el peso de la lente con sólo una modesta penalización en el rendimiento.
Cada método de concentración tiene desventajas. El espejo requiere una superficie reflectante limpia y lisa: limpia, ya que las partículas de polvo podrían dispersar la luz fuera del receptor o la luz podría ser parcialmente absorbida por una fina película sucia; suave porque el error de contorno también puede resultar en perder el receptor. El material reflectante se puede colocar 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
Segundo de aluminio. La plata es muy susceptible a la degradación por la humedad y los contaminantes transportados por el aire. Los recubrimientos protectores disponibles no han demostrado ser efectivos para la plata en la primera aplicación superficial. El aluminio es más duradero pero menos reflectante. Los espejos de segunda superficie tienen cierta pérdida de energía debido a la absorción de luz por la superficie transparente, generalmente vidrio o plástico, a medida que la luz incide y se refleja a través del material. Se prefiere el vidrio con bajo contenido de hierro al vidrio con alto contenido de hierro debido a la reducción de la absorción de luz. Si se utiliza plástico, debe estabilizarse contra la degradación por la luz ultravioleta del sol.
Debido al mayor espesor de la lente, el grado de absorción de energía es mayor que el del espejo de la segunda superficie. La lente Fresnel, que puede hacerse mucho más delgada que una lente estándar, tiene menos pérdida de energía debido a la absorción de energía que la lente estándar.
La superficie de la lente también debe estar limpia y lisa por las mismas razones que el espejo. El rendimiento de la lente Fresnel mejora cuando la porción vertical tiene poco o ningún error de pendiente. Se pueden formar plásticos para producir lentes Fresnel de mayor calidad y menor costo que con vidrio. Sin embargo, las lentes de plástico tienden a deteriorarse bajo la luz ultravioleta y deben estabilizarse.
Punto, línea o sin enfoque
Un criterio para la selección de un concentrador específico es el grado de concentración y, por tanto, la temperatura que se debe alcanzar. Como regla general, concentrar energía en un punto produce temperaturas altas o muy altas; y sobre una línea, temperatura moderada a alta. Los concentradores sin enfoque producen temperaturas de bajas a moderadas.
El reflector parabólico (Figura 7) utiliza las propiedades ópticas de la superficie curva parabólica para concentrar la luz directa en el punto focal. La geometría del plato es familiar y se utiliza para faros de automóviles, reflectores, radares y para recibir transmisiones de satélites de transmisión.
Las lentes circulares estándar y Fresnel también son concentradores de enfoque puntual. La lente Fresnel se ha utilizado junto con células fotovoltaicas en varias instalaciones de prueba en los 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 más bien la imagen finita del sol ampliada aún más por las características del material reflector y varios errores en la fabricación y en la precisión de la superposición de las imágenes. Figura 8
ilustra el concepto de receptor central en el que los helióstatos (espejos planos o ligeramente curvados montados en dispositivos de seguimiento) redirigen los rayos del sol hacia un receptor situado en lo alto de una torre. Desde 1982 funciona con éxito en California una central eléctrica de 10 megavatios que emplea este principio.
Línea. El cilindroparabólico (Figura 9) es un ejemplo de enfoque lineal.
óptica. La radiación directa incidente se refleja desde el canal hacia la línea focal a lo largo del canal. Para maximizar la recolección de energía, el canal está diseñado para seguir el sol. La vaguada puede orientarse con la línea focal de este a oeste, de norte a sur o de norte a sur con una inclinación simultánea hacia el sol (montaje polar).
Cada orientación tiene sus propias características de recolección estacional y anual. Ninguna orientación es universalmente preferida (es decir, es más rentable).
Las lentes estándar y Fresnel se pueden fabricar en forma lineal (Figura 10) con la misma sección transversal que la lente circular pero
ahora produciendo una línea focal en lugar de un punto focal. Las lentes Fresnel lineales de plástico de buena calidad pueden producirse fácilmente mediante extrusión.
El cuenco semiesférico (Figura 11) es otro ejemplo de lineal.
óptica focal. A diferencia del canal o la lente, el seguimiento en dos ejes es obligatorio. El cuenco hemisférico siempre está fijo y el receptor realiza el seguimiento. La línea focal cae sobre 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. Debido a 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 65 pies (19,7 metros) de diámetro.
que ha operado con éxito en Texas durante muchos años. La captación anual de energía es menor que la de otras ópticas de colector y no parece haber ventajas compensatorias, excepto 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. La depresión hemisférica (Figura 13) y la depresión plana
El colector de placas con espejos reforzados son ejemplos de concentradores que no enfocan. Los concentradores sin enfoque no enfocan la luz solar en una forma geométrica específica, sino que reflejan la luz solar 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 canal hemisférico es interesante porque todo el cilindro puede fabricarse con plástico inflable económico.
Un método sencillo para lograr un modesto aumento de la concentración en un área grande es utilizar espejos reforzados junto con un colector de placa plana (Figura 15). Antes del mediodía los espejos se enfrentan
este; después del mediodía miran al oeste. La ventaja de recolección de energía de los impulsores para un colector de placa plana se muestra en la Figura 16.
Concentradores Fijos o de Seguimiento
La recolección máxima de energía diaria o anual requiere el seguimiento del sol (o la imagen reflejada del sol), ya que los concentradores, particularmente aquellos capaces de una alta concentración, utilizan sólo radiación directa. Así, un plato parabólico, cuando apunta al sol, refleja los rayos que pasan a través del foco. A medida que el sol se mueve, algunos de los rayos reflejados perderán el foco y, con el tiempo, todos perderán el foco. El plato debe moverse para mantener los rayos reflejados en el foco. El receptor central, el plato parabólico, el cilindro-parabólico, la lente estándar y la lente de Fresnel son ejemplos de sistemas concentradores de seguimiento.
El cuenco hemisférico también debe seguir continuamente al sol. Los tazones grandes son demasiado difíciles de manejar para moverlos. 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). Este
El concentrador consta de espejos largos y estrechos cuyos centros caen todos 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 recolector Winston generalmente se considera un concentrador sin seguimiento. Su recolección de energía se puede aumentar mediante el seguimiento. Al ser un colector de tipo artesa (Figura 18), consta de una válvula parabólica
Superficie cuyo eje es horizontal y cuyo punto focal está cerca de la superficie. El colector suele tener forma de paraboloide, pero también puede tener forma de artesa. 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 capacidad de concentración y temperatura máxima. El colector se ha utilizado como un colector fijo altamente eficaz, que alcanza temperaturas más altas que un colector de placa plana típico.
Receptores fijos o de seguimiento
El receptor central y el cilindro-parabólico tienen receptores fijos, debido a las características ópticas de los sistemas. El receptor parabólico generalmente se coloca en el foco para moverse con el plato mientras éste sigue al sol. Ni el cuenco ni el colector Russell siguen al sol, por lo que sus receptores deben seguir la imagen del sol. El colector Winston, el colector cilíndrico y el colector de placa plana con espejos reforzados se utilizan normalmente en posición fija y con receptores fijos. La placa plana es, por supuesto, a la vez colector y receptor.
Otros concentradores fijos
Hay muchos concentradores ingeniosos que funcionan bastante bien y pueden resultar rentables en algunas aplicaciones. El colector de cúspides (Figura 19), cuya geometría de superficie es el lugar geométrico de la posición.
del extremo de una cuerda cuando se desenvuelve de una tubería puede proporcionar una concentración modesta adecuada para agua caliente. Se puede sustituir el paraboloide de Winston por un colector cónico (Figura 20).
ganando simplicidad de fabricación con cierta penalización en el rendimiento. De manera similar, los reflectores planos pueden sustituir los lados parabólicos del colector Winston.
La Tabla 1 resume las características y usos potenciales de los concentradores descritos anteriormente.
Tipo de concentrador: Plato parabólico
Tipo de enfoque:
Lente puntual o espejo: Espejo
Concentración solar: > 1000
Seguimiento: Sí
Receptor de seguimiento: Sí
Temperatura (C): >2638
Temperatura (F): >3000
Aplicación típica: Electricidad
Comentarios: Pequeño- aplicaciones de escala
Tipo de concentrador: Receptor central
Tipo de enfoque:
Lente puntual o espejo: Espejo
Concentración solar: > 1000
Seguimiento: Sí
Receptor de seguimiento: No
Temperatura (C): >2638
Temperatura (F): >3000
Aplicación típica: Electricidad
Comentarios: Grande- aplicaciones de escala
Tipo de concentrador: Lente (redonda) Tipo de enfoque: Lente
puntual 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: Pequeño o grande Sistemas
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: Pequeño o Grandes Sistemas. No es económica la experiencia estadounidense.
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: Pequeño o Grandes Sistemas. Poca experiencia en Estados Unidos
Tipo de concentrador: Esfera
Tipo de enfoque: Línea
Lente o espejo: Espejo
Concentración solar: 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 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 se acepta el ángulo aumenta
Tipo de concentrador: Placa plana con refuerzo
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:
Comentarios de calor :
EFICIENCIA DE RECAUDACIÓN ENERGÉTICA ANUAL
Los recolectores que mantienen sus superficies mirando al sol (ángulo recto para la mayoría de los recolectores) tienen la mayor eficiencia de recolección 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 dirige los reflectores del heliostato hacia el sol, sino que mantiene un ángulo con respecto al sol para que la imagen se refleje en el receptor. Como era de esperar, su eficiencia de recolección es menor que la del plato. El cilindro-parabólico es un sistema de seguimiento de un solo eje; por lo tanto, la superficie sólo ocasionalmente forma un ángulo recto con el sol y tiene una eficiencia de recolección anual menor que el receptor central.
Los recolectores fijos con receptores de seguimiento, como el recipiente y el recolector Russell, tienen una eficiencia de recolección aún menor. Winston y otros colectores y receptores fijos exhiben la menor eficiencia.
La eficiencia anual teórica de los tres principales colectores de concentración utilizados en los Estados Unidos es del 80 por ciento para el plato, del 60 por ciento para el receptor central y del 43 por ciento para el cilindro-parabólico anualmente. La eficiencia del colector se determina para el período que se extiende desde el inicio del seguimiento, cuando el sol sube a 15 grados sobre el horizonte, hasta que el seguimiento se detiene 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, el polvo y la película de la superficie, la absorción de energía por la lente o el espejo, las propiedades del material reflectante, la precisión de la orientación, los efectos de las variaciones de temperatura en estos factores, el clima, incluidas las nubes, el polvo y la neblina. , etcétera. La eficiencia se reduce aún más por el rendimiento del receptor y el diseño del subsistema del receptor, incluida 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 Jet Propulsion Laboratory(*) describe nueve diseños patrocinados por los EE.UU.
(*) VC Truscello, "Status of the Parabolic Dish Concentrator, Actas de la Conferencia de la Agencia de Investigación y Desarrollo Energético sobre Colectores Solares de Concentración, Instituto de Tecnología de Georgia, 26 al 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 está unida a una membrana flexible, que toma la forma de una estructura de soporte curvada y rígida mediante la creación de un vacío entre la membrana y la estructura. La intención es reducir costos reduciendo el peso de los materiales de construcción (Figura 22).
3. Lente Fresnel o espejo Fresnel. La lente está formada por varias partes concéntricas estrechas; el espejo es una serie de superficies reflectantes concéntricas. La intención 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 a un receptor detrás de la parábola. La intención es eliminar las pesadas exigencias estructurales del receptor sobre el plato y también proporcionar un fácil acceso al receptor para su mantenimiento (Figura 24).
El reflector rígido ha sido el más popular porque se parece 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 platos de 7 metros de diámetro recubiertos con una película reflectante para producir vapor a 399 [grados] C (750 [grados] 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 [psig]) para una fábrica de prendas de punto adyacente. Después de algunos problemas iniciales, el sistema ahora funciona satisfactoriamente. El proyecto es un esfuerzo conjunto del Departamento de Energía de Estados Unidos, la compañía eléctrica local y la fábrica de prendas de punto. Su objetivo era demostrar la viabilidad de los colectores de reflectores rígidos, 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 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 Estados Unidos y dos empresas de servicios públicos del sur de California. Esta planta piloto eléctrica de 10 megavatios utiliza 1.818 helióstatos (o reflectores), cada uno con 41,8 metros cuadrados (450 pies cuadrados) de espejos de vidrio en la segunda superficie. Los helióstatos rodean una torre en la que se encuentra el receptor. La mayoría de los helióstatos se encuentran al sur de la torre. La planta ha superado sus especificaciones y está funcionando con mucho 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 proporcionen créditos de inversión del gobierno. Sin estos incentivos financieros, la planta no sería económica en Estados Unidos debido a la caída de los precios del petróleo. Sin embargo, una planta de este tipo puede resultar económica en otros países con elevados costes energéticos.
Los helióstatos han evolucionado a través de una serie de diseños que redujeron el 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 cristal de segunda superficie sobre un soporte de cristal. 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 coste de los helióstatos. Una vez desarrollado, el material puede ser de interés para su uso en países menos industrializados.
El tamaño del helióstato se rige por los requisitos de rigidez y carga de viento. Debido a los elementos de costo actuales de los helióstatos (que están influenciados por el hecho de que cada helióstato necesita su propio sistema de seguimiento), en los Estados Unidos, los diseños de sistemas favorecen los helióstatos grandes. La distribución de los elementos de costos puede variar en otros países. Si bien es probable que en Estados Unidos sólo los receptores centrales más grandes sean económicos, algunos países en desarrollo avanzados pueden ser capaces de utilizar económicamente la tecnología Solar One, más pequeña.
LENTES
Las lentes circulares, ya sean estándar o Fresnel, tienden a tener un tamaño limitado, al igual que el plato parabólico. El tamaño también está limitado por las capacidades de fabricación actuales. Se encuentran disponibles lentes de vidrio pequeñas para cámaras y focos, al igual que lentes de plástico más grandes. Pero una lente de 7 metros de diámetro (un tamaño comparable al plato de Shenandoah) ciertamente no está ampliamente disponible ni en vidrio ni en plástico. En tamaños grandes, una lente de cristal sería muy pesada; El plástico, probablemente con un diseño de Fresnel, será probablemente el único objetivo práctico, si está disponible. Las lentes lineales de Fresnel pueden ofrecer la ventaja de poder fabricarse en anchos y largos tanto pequeños como grandes.
CANAL PARABÓLICOS
Se ha diseñado, construido y probado un número importante de colectores cilindroparabólicos, principalmente con fondos privados. Hay muchos tipos disponibles en el mercado. Los canales se diferencian por sus materiales reflectantes, materiales estructurales, conceptos de receptor, etc. La temperatura alcanzable alcanza aproximadamente 540 [grados] C (1000 [grados] F). Los diseños varían según la aplicación de temperatura prevista, ya que el error de superficie, el error de seguimiento y las pérdidas del receptor asumen una importancia considerable para un diseño de alta temperatura.
Muchos proyectos de demostración federales han utilizado canales para proporcionar calor de proceso para aplicaciones industriales y para suministrar vapor a motores pequeños adecuados (por ejemplo, dispositivos de bombas de riego). Todos los diseños tuvieron problemas iniciales, generalmente con materiales y hardware no solar. Después de la reparación o modificación, el funcionamiento fue fiable y exitoso. Muchos proyectos financiados con fondos federales tendieron a cerrarse cuando finalizaron y rara vez se reiniciaron debido a la falta de interés sostenido por parte del usuario. Una excelente fuente de información sobre fabricantes privados de canales es la Asociación de Industrias de Energía Solar (SEIA) en Washington, DC.
Los comederos pueden resultar atractivos debido a su relativa simplicidad. Debido a que la curvatura de su superficie es singular, no compuesta como en el caso de los platos, los comederos se fabrican más fácilmente. Se puede colocar fácilmente un plástico reflectante de segunda superficie con respaldo adhesivo sobre el sustrato curvo. Un simple tubo o tubería servirá adecuadamente como receptor, aunque varias técnicas simples, 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 seguimiento de dos ejes.
IV. TEMAS ESPECIALES
RECEPTORES
La luz solar concentrada debe convertirse en una forma útil de energía, normalmente calor. Si se desea, el calor se puede convertir en electricidad mediante un motor y un generador. El receptor debe diseñarse para minimizar la pérdida de calor. La pérdida de calor se produce por radiación a un objeto más frío; a través de corrientes de convección creadas al calentar el aire en contacto con la superficie caliente del receptor; y a través de la conducción desde las partes calientes del receptor a las partes más frías y a los miembros estructurales adjuntos y al aislamiento. La retención de calor por parte del receptor se mejora cubriéndolo con una capa selectiva que absorberá prácticamente toda la radiación concentrada pero reirradiará relativamente poca energía. Además, dado que la energía total irradiada depende directamente del área radiante, se debe minimizar la superficie del receptor. La convección se puede reducir evitando la acumulación de corrientes de aire que eliminan el aire calentado por el receptor y proporcionan al receptor aire más frío para una pérdida continua de calor. Una ventana transparente (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 desde la superficie delantera y trasera de la ventana y nunca llegará al receptor. La ventana absorberá energía adicional y no llegará al receptor. La superficie interior de la ventana puede estar recubierta con un espejo térmico como, por ejemplo, óxido de estaño, que reduce la pérdida de radiación al reflejar la energía irradiada de regreso al receptor. El grabado de la superficie exterior de una ventana de vidrio reduce el reflejo de la superficie.
El aislamiento sirve para reducir las pérdidas por convección y radiación de partes del receptor fuera del camino de la radiación entrante. La pérdida de conducción se reduce disminuyendo la sección transversal de las estructuras en contacto directo con el receptor y utilizando malos conductores de calor para estas estructuras cuando sea posible. 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 sólo las diferencias en la reflectividad sino también que para algunos materiales la energía reflejada cae dentro de un pequeño ángulo sólido* (Figura 26). Estos materiales permiten una pequeña área objetivo para
recepción de los rayos reflejados. Si se requiere un ángulo sólido mayor para encerrar la reflexión, entonces se debe llegar a 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 positivos para aliviar o eliminar el estrés térmico.
COSTO
El costo del concentrador representa solo una parte del costo de un sistema. El costo de la cantidad de calor entregado a la temperatura requerida es el método preferido para determinar el costo. Para un sistema determinado, el costo por millón de kilovatios-hora, o kWh (por millón de Btu), generalmente disminuye a medida que aumenta el número total de kWh (Btu) entregados, es decir, a medida que aumenta el tamaño del sistema. De manera similar, es probable que el costo por millón de kWh (por millón de Btu) sea menor a temperaturas más bajas que a temperaturas más altas. En general, cuanto mayor sea la concentración y la complejidad, mayor será el costo.
(*) Si tiene un ángulo, un lado del cual es vertical y el otro no vertical, y ese lado se gira alrededor de la vertical (manteniendo el mismo ángulo), el ángulo creado se llama ángulo sólido.
El costo suele estar representado por el precio de compra, pero no siempre. Los vendedores pueden reducir el precio de venta para penetrar un mercado, ampliar la participación de mercado, anticipar futuras economías de fabricación y reducciones de costos, y limitar o excluir la competencia potencial. Los vendedores con un monopolio o una posición preferente pueden vender a precios superiores a los razonables. Los vendedores que se enfrentan a riesgos y responsabilidades desconocidos o indeterminados por el producto intentarán transferir el riesgo al comprador mediante precios más altos u otros medios.
En los Estados Unidos, muchos sistemas de energía solar son rentables sólo gracias a las políticas fiscales federales y estatales para ayudar a la industria de la energía solar. Estos sistemas cuestan entre dos y cinco veces más que los sistemas energéticos de la competencia. Sin embargo, los costos de la energía en muchos países menos desarrollados son varias veces mayores que en los Estados Unidos y, por lo tanto, los sistemas solares pueden ser rentables en esos países.
En Estados Unidos, el costo de un sistema eléctrico solar térmico que utilice tecnología relativamente nueva e incorpore costos de investigación y desarrollo oscilaría entre 10 y 30 dólares por vatio. El experimento del receptor central en California (Solar One) costó alrededor de 15 dólares por vatio; Se prevé que una planta propuesta de 100 megavatios que incorpore las lecciones de Solar One y las economías de un tamaño diez veces mayor cueste alrededor de 4 dólares por vatio. Los helióstatos representaron aproximadamente un tercio del costo total de Solar One y se espera que representen aproximadamente la mitad del costo de la planta grande. (Una planta eléctrica alimentada con carbón cuesta entre 1,00 y 1,40 dólares por vatio de capacidad instalada).
Los estudios de tecnologías de antenas indican costos que oscilan entre 50 dólares por vatio para el sistema, con costos de antena de entre un tercio y la mitad del costo del sistema. La tecnología parabólica está muy por detrás de la experiencia de los helióstatos. Los colectores cilindroparabólicos parecen costar actualmente unos 538 dólares por metro cuadrado (50 dólares por pie cuadrado), con una posible reducción a unos 270 dólares por metro cuadrado (25 dólares por pie cuadrado) con un mercado más grande. Nuevamente, estos costos reflejan sólo entre un tercio y la mitad del costo del sistema.
De posible interés para los países en desarrollo es la clase de colectores que utilizan plástico transparente en forma cilíndrica con la película reflectora ubicada parcialmente en el arco inferior y un tubo "negro" ubicado en el foco. Este tipo de coleccionista parece ofrecer un bajo coste. Algunas versiones que utilizan un tubo de vidrio al vacío con un tubo interior de cobre ennegrecido en estilo "de un solo paso" (tubo recto) o estilo bayoneta están disponibles comercialmente en los Estados Unidos (Figuras 27, 28 y 29).
El cuenco hemisférico ha sido probado en Crosbyton, Texas, por el Departamento de Energía de Estados Unidos. La unidad, de 20 metros de diámetro, producía vapor a altas temperaturas y a alta presión, adecuado para las modernas turbinas de vapor. La curvatura compuesta es difícil de construir, al igual que el seguimiento de dos ejes que se requiere del receptor. Sin embargo, un receptor de seguimiento es más sencillo que un concentrador de seguimiento. El concentrador puede ser más aceptable en un tamaño más pequeño y una concentración (temperatura) más baja. La reducción de la concentración disminuirá la temperatura, lo que aumenta la cantidad de materiales que se pueden usar para el receptor y puede facilitar la fabricación de la esfera.
Para comparar las tecnologías solares térmicas, los costos deben reducirse a bases comunes como el costo por vatio eléctrico o por kWh (Btu). La base debería distinguir entre capacidad media y máxima; la cantidad de almacenamiento incorporado; temperatura, si el calor es el producto final deseado; y la energía entregada anualmente. Otras tecnologías tienen sus propias bases; la energía fotovoltaica utiliza el costo por vatio pico y el costo de instalación por kilovatio-hora anual producido. La electricidad procedente de la energía eólica, así como de otras tecnologías eléctricas solares, puede tener un valor diferente para el usuario según el momento de generación. Estas consideraciones deben incluirse en cualquier metodología de evaluación para la selección de sistemas rentables.
V. COMPARACIÓN DE LAS ALTERNATIVAS
Los colectores solares de placa plana simples son los más utilizados y rentables. Su uso principal es para aplicaciones de agua caliente domésticas y comerciales (por ejemplo, hospitales, restaurantes, etc.); sin embargo, también se pueden utilizar en sistemas de precalentamiento para aplicaciones de temperatura más alta. Pueden alcanzar una temperatura de aproximadamente 38 [grados] C (100 [grados] F) por encima de la ambiental capturando la luz solar, convirtiéndola en calor y minimizando cuidadosamente la pérdida de calor no deseada del colector.
Los colectores de placa plana (normalmente sin seguimiento) son los más sencillos de fabricar. Se pueden construir fácilmente colectores sencillos, poco sofisticados y funcionales con herramientas sencillas. Se debe tener cuidado para mejorar la captación solar y evitar pérdidas térmicas. El uso cuidadoso de materiales locales en la mayor medida posible puede reducir los costos. Si bien los absorbentes selectivos mejoran el rendimiento y producen una temperatura más alta, casi cualquier superficie "negra" funcionará adecuadamente. Algunos colectores de placa plana simples y de bajo costo pueden ser mejores que los concentradores para temperaturas inferiores a 93 [grados] C (200 [grados] F), particularmente en países menos industrializados. Las expectativas de un mejor rendimiento para los colectores de placa plana (no concentradores) en comparación con los concentradores, para la misma aplicación de temperatura, no se han verificado en la práctica. Las expectativas se basaban en la utilización de radiación directa y difusa por parte de los colectores de placas planas y en el uso únicamente de radiación directa por parte de los concentradores.
BIBLIOGRAFÍA/LISTA DE LECTURAS SUGERIDAS
Informes y actas de conferencias
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Murphy, LM Potencial técnico y de costos para la tecnología de heliostato liviano de membrana estirada. SERI/TP-253-2070. Golden, Colorado: Instituto de Investigación de Energía Solar, enero de 1984.
Scholten, WB Una comparación de las capacidades de suministro de energía de los colectores solares. McLean, Virginia: Aplicaciones científicas, Inc., 1983.
Instituto de Investigaciones en Energía Solar. Informe de evaluación anual de tecnología solar térmica, año fiscal 1983. Golden, Colorado: Instituto de Investigación de Energía Solar, agosto de 1984.
Truscello, VC "Estado del concentrador de plato parabólico". Actas de la Conferencia de la Agencia de Investigación y Desarrollo Energético sobre colectores solares de concentración. Instituto de Tecnología de Georgia, 26 al 28 de septiembre de 1977. Washington, DC: Departamento de Energía de Estados Unidos, sin fecha (alrededor de 1982-1983).
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Libros
Duffie, JA y Beckman, WA Ingeniería solar de procesos térmicos. Nueva York, Nueva York: John Wiley and Sons, 1980.
Kreith, F. y Kreider, JF Principios de ingeniería solar. Washington, DC: Hemisphere Publishing Corp., 1978.
Lunde, PJ Ingeniería Solar Térmica. Nueva York, Nueva York: John Wiley and Sons, 1980.
Meinel, AB y Meinel, MP Energía solar aplicada. Reading, Massachusetts: Addison-Wesley Publishing Co., 1976.
FUENTES DE INFORMACIÓN
Oficina de Imprenta del Gobierno
Washington, DC 20402 EE. UU.
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.
Oficina de Sistemas Térmicos del Departamento de Energía de EE. UU
. 1000 Independence Avenue, SW
Washington, DC 20585 EE. UU.
Ver también
Conferencia de Ingeniería de Conversión de Energía, 1990. IECEC-90. Actas de la 25.ª
publicación intersociedad Fecha: 12-17 de agosto de 1990
Volumen: 5, En páginas: 185-195
ISBN: 0-8169-0490-1]