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Concentrador solar

Concentrador solar

Un concentrador solar es un sistema de concentración de energía solar que se utilizan para convertir la energía solar en energía térmica. Su funcionamiento se basa en la explotación de la reflexión de los rayos solares obtenidos a través de superficies reflectantes (sustancialmente de espejos), con el fin de concentrarse en un receptor de tamaño contenida. Similar a una lupa enfocando su luz en un punto, los concentradores reflejan la luz solar por medio de un arreglo de espejos alineados hacia un objetivo capaz de captar dicha energía para su aprovechamiento.

En general, el calor se convierte en energía mecánica por medio de un motor térmico (típicamente una turbina de vapor) al que se conecta el eje de accionamiento (ya sea de manera integral o mediante una transmisión mecánica).

En un sistema de concentración solar, en comparación con los colectores solares planos clásicos, se obtienen las siguientes ventajas:

  • Energía: expresable en términos de eficiencia de conversión solar-térmica (ya que las pérdidas por convección y radiación son directamente proporcionales al área del receptor, que por definición es más pequeña que el área del reflector). De acuerdo con las leyes de la termodinámica.
  • Económico: los costos de construcción se mueven principalmente en las superficies reflectantes y en los dispositivos señaladores relativos.

Tipos de concentradores solares

Existen dos tipos de concentradores solares que permiten maximizar el rendimiento de la instalación solar:

  • Los concentradores solares parabólicos cilíndricos. Estos concentradores tienen una curvatura única; por este motivo se les llama concentradores “2D” por ser de “dos dimensiones”. Este sistema permite obtener temperaturas medias en el entorno focal de 200-300 ºC.
  • Los concentradores solares paraboloides de revolución. Estos concentradores tienen una doble curvatura. Por este motivo se les llama concentradores “3D” o de tres dimensiones. Estos sistemas permiten temperaturas aún superiores a los 3000 ºC.

El seguimiento del sol

Una de las dificultades de estos sistemas basados en concentradores solares, es garantizar a toda hora del día, que la radiación solar incida paralelamente al eje del paraboloide.

Para ello se necesita un sistema de seguimiento del movimiento aparente del sol (tracking) guiado por un sistema de control. Este sistema está básicamente formado por un colimador o tubo estrecho al que ingresa la radiación, que posee en el fondo una celda fotovoltaica. Cuando el concentrador está bien orientado hacia el sol, la radiación llega al fondo del tubo del colimador, y la célula fotovoltaica genera electricidad. Cuando esto no ocurre se genera un giro del concentrador hasta volver a establecer la tensión de la celda.

En concentradores solares pequeños, como el de una cocina solar, este seguimiento del movimiento aparente del sol puede garantizarse con un sistema de tracking aplicado directamente al concentrador (o inclusive puede ajustarse su posición a mano cada x tiempo).

Pero en concentradores solares de grandes dimensiones la tecnología se complica. En estos casos aparecen deformaciones de la superficie parabólica que afectan el funcionamiento.

En estos casos se recurre a uno o más espejos planos intermediarios, llamados helióstatos.

Un sistema concentrador tiene entonces dos reflexiones: La primera, de la luz solar en la superficie reflectante del helióstato, y luego este rayo reflejado vuelve a reflejarse en el concentrador pasando por el entorno focal. Estas dos reflectividades hace que haya pérdida de intensidad, ya que en cada paso hay un porcentaje de la radiación solar que no se refleja (se absorbe o se refracta).

Sin embargo, los beneficios de mover los helióstatos planos superan esta pérdida de reflectividad.

Aplicaciones de los concentradores solares

Las aplicaciones de los concentradores solares son múltiples. El uso más habitual es la generación de electricidad, pero también existen plantas solares que aprovechan la radiación solar para usarla en la industria metalúrgica o incluso, se pueden utilizar para crear cocinas solares.

Generación de electricidad

La generación de electricidad es la aplicación más utilizada de los concentradores solares. Para ello se pueden utilizar indistintamente concentradores solares 2D o 3D, pero las tecnologías son distintas.

En el caso de los concentradores solares en 2D un fluido confinado circula por tuberías que coinciden con el entorno focal calentándose a temperaturas de unos 200 ºC y convirtiéndose en vapor.

Por otro lado, en los concentradores solares en 3D, la electricidad se genera, colocando en la zona focal una máquina térmica capaz de convertir calor en electricidad, por ejemplo, un motor Stirling de ciclo confinado de hidrógeno.

Cocinas solares

Con pequeños concentradores 3D pueden realizarse cocinas solares. El concentrador puede tener entre 80 cm y 2 metros. En la zona focal se coloca una “hornalla” donde se apoya el recipiente con los contenidos a preparar.

Aplicaciones industriales

Los concentradores solares permiten aprovechar la energía solar en múltiples aplicaciones industriales, como, por ejemplo, en la industria metalúrgica.

Las altas temperaturas logradas en el entorno focal en grandes concentradores 3D permiten aprovecharlos para aplicaciones metalúrgicas como por ejemplo la obtención de aleaciones para la industria.

Historia de los concentradores solares

Ya en la antigüedad, se dice que Arquímedes de Siracusa logró repeler a los romanos, que intentaron asediar la ciudad siciliana del mar, mediante el uso de concentradores solares rudimentarios obtenidos de escudos de bronce pulidos.

Especialmente a fines del siglo XIX y principios del siglo XX muchas máquinas se construyeron con sistemas de concentración solar. Este enfoque positivo hacia un uso extensivo de la energía solar, sin embargo, se detuvo debido al advenimiento del petróleo y la Primera Guerra Mundial, y luego se reanudó a principios de los años 70 tras la crisis del petróleo de 1973.

Hasta la fecha, pasamos de una fase de prueba a una precomercialización de plantas de CSP, principalmente para la producción de electricidad. También está emergiendo una nueva clase de plantas de concentración llamada CPV (de fotovoltaica concentrada en inglés), capaz de aprovechar al máximo y hacer que el uso de células fotovoltaicas de alta eficiencia, como las células de múltiples uniones, sea ventajoso.

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Última revisión: 21 de febrero de 2018

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