En este campo se ubican los aprovechamientos en temperaturas medias y altas.

Capítulo 8

Radiación solar concentrada:

Generalidades:

En este campo se ubican los aprovechamientos en temperaturas medias y altas.

En todos los casos se pueden definir algunas características comunes a todos ellos, a saber: ‰ En primer lugar y obviamente, en todos los casos el colector primario, o primera etapa de

transformación de energía, cuenta con una dioptra* o conjunto de ellas, que son las encargadas de concentrar la radiación en un área siempre menor que la abertura máxima del colector primario.

‰ A causa de lo antedicho, todos estos sistemas funcionan con la imagen del Sol, por lo que deben disponer de la capacidad de mantener dicha imagen enfocada, es decir, deben ser

heliostáticos.

‰ La cantidad de energía por unidad de superficie y tiempo que manejan sigue siendo directamente proporcional al área de su abertura; la diferencia con los casos anteriores es que al concentrar dicha energía en un área mucho menor, la densidad de energía aumenta en la misma proporción, por lo que las superficies colectoras pueden trabajar a temperaturas mucho mayores; si se considera el rendimiento termodinámico del trasductor, es de esperar una mayor eficiencia, por contar con una fuente de mejor calidad (mayor temperatura) conservando la temperatura de referencia (del aire atmósferico o la fuente fría que se haya elegido):

‰ Se pueden definir los siguientes rangos de temperaturas de trabajo: Temperaturas extremas: 3 a 5000°C

Altas temperaturas: ≈ 740 °C Temperaturas medias: ≈ 350 °C

‰ Las temperaturas extremas se utilizan para usos no energéticos, como hornos de prueba de aleaciones y refractarios. Consisten en un sistema de espejos concentrador y desviador que concentran la energía en un área pequeña a fin de lograr dichas temperaturas.

‰ Los sistemas de alta temperatura y los de media temperatura se usan exclusivamente para generar energía eléctrica.

T1 T2 M A.Lu Q1 Q2 1 2

1

T

T

=

−

η

donde T1 : temperatura de la fuente caliente

T2 : temperatura de la fuente fría

Q1 : calor entregado a la máquina

Q2 : calor cedido a la atmósfera

entonces se tiene que:

por lo que queda demostrado que a mayor temperatura de la fuente caliente, mejor es el rendimiento global del ciclo en que se emplee.

*Dioptra: sistema óptico centrado, que puede trabajar por reflexión o por refracción; en el caso de los sistemas de aprovechamiento de la radiación solar es exclusivamente de reflexión, por la dificultad técnica de obtener grandes dioptras de refracción.

Sistemas de temperaturas extremas.

Constituyen una utilización de dioptras de reflexión de tipo paraboloide o hiperboloide de revolución, construidas sobre la base de mosaicos de espejos planos elementales.

Dicha solución representa la única solución viable para dioptras de diámetros grandes, superiores a 10 metros. Dichos espejos elementales se montan sobre una estructura metálica lo más rígida posible, que asegure que cada elemento sea tangente en su punto medio a la superficie generatriz primitiva.

Ello implica que en vez de obtenerse un punto focal (“coma”), se obtenga una mancha focal, tal como se muestra en los esquemas de la figura 18, donde a la izquierda se representa el enfoque de una supuesta dioptra continua, y a la derecha, otra con la misma geometría, pero construida por espejos elementales:

Figura 18

En este caso, las áreas de abertura no pueden ser muy grandes porque toda la estructura deberá ser heliostática, es decir, deberá poder seguir la trayectoria aparente del Sol durante un lapso de varias horas por día.

Por ello en general, se adoptan soluciones como la esquematizada en la figura 19, en la que el receptor está integrado a la estructura; en otros casos, puede recurrirse a una segunda dioptra de reflexión (espejo plano) a los fines de desviar el haz concentrado hacia un

MF F Espejo continuo Espejo elemental

receptor fijo, finalmente, una tercer variante consiste en utilizar la dioptra auxiliar plana como “seguidora” del Sol, y mantener la dioptra concentradora y al receptor fijos.

La utilización entonces, queda limitada por la cantidad de energía a concentrar, la cual, para la misma insolación media, depende directamente de la magnitud del área de abertura de la dioptra, es decir, del tamaño final de la estructura portante heliostática.

Figura 19

Sistemas de alta temperatura:

Estos sistemas se utilizan en una escala de potencia del orden de los 10 MW eléctricos, en zonas de alta insolación y alto índice de diafanidad (cielos despejados), como Almería (España) y Nuevo México (sur de California).

El sistema de concentración está basado en un espejo parabólico de revolución de tipo “Fresnell”, es decir, en anillos concéntricos coplanares. Dicho espejo está constituido en realidad por un conjunto de espejos planos individuales, cada uno con su propio montaje heliostático, tal como se indica en el esquema de la figura 20.

Este sistema se conoce también como de campo de espejos y torre central, sin que haga falta mayor aclaración al respecto.

También resulta evidente que la limitación en cuanto a la superficie que puede abarcar es función de la máxima altura que puede tener la torre, por la distancia focal del conjunto, quedando limitada u unos 2 Km² , para una potencia como la antedicha (10 MWe), para lo cual

las alturas de las torres superan los 130 m, constituyendo esto de por sí un problema tecnológico importante.

Figura 20

El esquema funcional de las instalaciones obedece en general al esquema de la figura 21:

Figura 21

Estos sistemas admiten dos posibilidades diferentes para su implementación:

C

‰ Sistemas con aleación sodio-potasio como fluido térmico. ‰ Sistemas con aire como fluido térmico.

En ambos casos, las temperaturas de trabajo son similares, como asimismo el rendimiento de los ciclos térmicos correspondientes.

La diferencia fundamental se da en dos aspectos constructivos, a saber, ‰ La disposición relativa de la torre respecto al campo de espejos, y

‰ La forma del dispositivo colector.

El dispositivo colector para el caso de utilizarse como fluido de transmisión una aleación Na-K, consiste en una superficie cilíndrica obtenida mediante la yuxtaposición de tubos ennegrecidos, cada uno con su correspondiente válvula de paso modulante, a los efectos de controlar en cada caso el caudal en el tubo para que la temperatura de salida del fluido sea la misma en todos, y no haya problemas en el colector superior de salida, tal como se puede ver en el esquema de la figura 22 siguiente:

Figura 22

Se debe tener en cuenta que tanto la entrada como la salida del fluido de transferencia térmica (aleación Na-K), se efectúa por dentro de los anillos colectores.

Asimismo, las válvulas modulantes de los tubos calentadores no se encuentran expuestas a la radiación, es decir, quedan fuera del área irradiada por el campo de espejos. En este caso, para que la irradiación sea sobre toda la superficie del cilindro receptor, la ubicación en planta es como se indica en la figura 23:

COLECTOR SUPERIOR COLECTOR INFERIOR SALIDA DE FLUIDO ENTRADA DE FLUIDO VÁLVULAS MODULANTES TUBOS YUXTAPUESTOS ENNEGRECIDOS RADIACIÓN SOLAR CONCENTRADA

Figura 23

En caso de utilizarse aire como fluido de transferencia, el colector consiste en una única chapa ennegrecida y con perforaciones distribuidas de tal manera que el flujo que las atraviesa sea igual en toda el área.

Dicho colector se ubica dentro de un cono de inducción del aire que llega precalentado lateralmente, y sin mezclarse con el aire exterior (efecto “cortina de aire”), atraviesa la placa recogiendo el calor aportado por la radiación concentrada proveniente de la dioptra formada por el campo de espejos, como se ve en el esquema de la figura24:

Figura 24

En este caso, como la radiación solar concentrada proveniente del campo de espejos debe llegar de un solo lado, la disposición en planta es en este caso como se indica en la figura 25:

En ambos casos, la excentricidad de las filas de espejos es proporcional a la latitud geográfica del lugar, es decir que se corresponde con la inclinación respecto a la horizontal que debería tener la dioptra en caso de no ser plana.

ESPEJOS TORRE CON COLECTOR RADIACIÓN SOLAR CONCENTRADA AIRE PRECALENTADO A ~ 560°C AIRE CALIENTE A ~ 740°C PLACA PERFORADA ENNEGRECIDA (COLECTOR) Fig. 25

Sistemas de temperaturas medias:

Estos sistemas representan una particularidad dentro de los casos de generación eléctrica por medio de la radiación solar directa.

Quizá la característica más destacada es el módulo práctico de potencia, 110 MW, que supera más de diez veces la capacidad anteriormente vista.

Otra característica significativa consiste en su buen rendimiento, y especialmente al valor de la energía generada, es decir, en términos de $ / KW.h.

Finalmente, las instalaciones en uso prácticamente son de tipo auto modulante, utilizándose como centrales de pico, es decir, para abastecer demandas puntuales dentro del período de suministro normal.

Como característica distintiva se puede consignar que las dioptras utilizadas en este caso son de tipo paraboloide o hiperboloides cilíndricos (generatrices paralelas).

En este caso, en vez de punto focal se tiene una línea focal. Dicha línea focal es a su vez, eje de giro de la dioptra de reflexión, como único movimiento heliostático.

En cuanto al colector, de tipo tubular, se dispone con su eje coincidente con dicha línea focal, tal como se indica en el esquema de la figura 26.

En dicho esquema se pueden notar algunas particularidades del diseño (Registrado por Solar Inc. – California, U. S. A.)

COSTILLA GENERATRIZ BASE FLUIDO TÉRMICO ELEMENTO DE GIRO COLECTOR FOCAL DE VIDRIO REFLECTOR DE MYLAR RAYOS SOLARES Fig. 26

El espejo se construye mediante una lámina de plástico flexible de alta reflectividad (Mylar), el cual se conforma por medio de costillas generatrices separadas, que forman el marco del espejo.

Dicho marco pivota sobre el eje de giro coincidente con la línea focal por medio de una articulación, que a su vez, sirve de anclaje a los soportes laterales que lo vinculan a la base.

En cuanto al colector propiamente dicho, se trata de un tubo de vidrio con extremos metálicos “soldados”, los cuales sirven de eje de giro para el sistema simple de relojería que proporciona el movimiento azimutal para conseguir el efecto heliostático necesario, como de conexión para el fluido de trabajo.

Dicho fluido es en general, un aceite de transferencia térmica tipo Therminol (Duperial), que posee las condiciones óptimas de trabajo (no vaporiza a las temperaturas de trabajo, no ataca los conductos ni demás elementos, no posee alta viscosidad, y su calor específico relativo es suficientemente alto como para no requerir grandes caudales).

Los colectores se disponen directamente sobre el piso nivelado sin ningún tipo de preparación, sus dimensiones y peso hacen que su armado sea totalmente manual, ubicándose en arreglos serie-paralelo, con uniones entre colectores mediante cañería flexible apta para alta temperatura. Asimismo, por ser de baja altura, el reemplazo del reflectante cuando se deteriora por abrasión climática, se hace en forma manual.

Todo esto hace que los costos de instalación y operación se reduzcan mucho respecto a otros sistemas de aprovechamiento solar, pero la razón por la cual este es el sistema preferido como central de pico en localidades de alta insolación (Medio Oriente), es su circuito térmico, como se muestra en la figura 27:

Figura 27

Este circuito, similar al de la Figura 21, difiere sin embargo en que no cuenta con capacidad térmica, es decir, no posee autonomía de funcionamiento.

Ello es posible porque esas instalaciones se utilizan prácticamente en forma exclusiva para proporcionar la energía extra que requieren las redes cuando se ponen en marcha los sistemas de aire acondicionado, por lo cual no se les requiere energía de noche ni cuando las condiciones climáticas son adversas.

Esto, además de simplificar y abaratar la instalación en sí, por no requerir autonomía, es decir, como en este caso (único), la curva de carga coincide con la curva

RADIACIÓN SOLAR CONCENTRADA COLECTORES TURBINA CALDERA FLUIDO TÉRMICO

De suministro, no es necesaria un área de colectores mayor que la correspondiente a la energía requerida, como asimismo tampoco requiere la capacidad para almacenar el exceso que hubiese sido necesario en cualquier otro tipo de instalación, como se ve en el Gráfico 2.

Ello es así porque la carga de los equipos de aire acondicionado tiene exactamente la misma ley de variación de la insolación en el lugar, y simplemente se suma punto a punto a la curva de carga "normal” de la zona.

Conclusiones:

El aprovechamiento de la radiación solar en alta, media y baja temperatura presenta una gran variedad de posibilidades de acuerdo a los distintos requerimientos, desde usos de baja potencia y elevadas temperaturas, hasta los usos de gran potencia en media y baja temperatura.

En cuanto a la conversión directa, también presenta una gama de posibilidades, estando aún limitada por el costo de instalación en la generalidad de los casos.