Un concentrador solar es un dispositivo diseñado para enfocar y concentrar la radiación solar, y su aplicación puede ser tanto en la generación de energía solar térmica como en la generación de energía solar fotovoltaica.
Su funcionamiento se basa en la utilización de superficies reflectantes, típicamente formadas por una serie de espejos dispuestos en un arreglo alineado. La finalidad principal de estos concentradores solares es capturar la mayor cantidad de radiación solar posible y dirigirla hacia un receptor de dimensiones reducidas.
En el contexto de la energía solar térmica a mayor escala, esta radiación solar concentrada se emplea para calentar un fluido térmico, como agua o aceite, con el fin de generar vapor. El vapor resultante impulsa turbinas de vapor, transformando así la radiación solar en energía mecánica mediante para accionar un generador eléctrico o realizar un trabajo físico.
Por otro lado, los concentradores solares también encuentran aplicaciones en el ámbito de la energía solar fotovoltaica. En este caso, en lugar de generar calor, la radiación solar concentrada incide directamente en células fotovoltaicas de alta eficiencia.
Principio de funcionamiento
Los concentradores solares se basan en el principio de concentrar la luz solar en un punto o a lo largo de una línea para aumentar la intensidad de la radiación solar incidente en ese punto. Esto se logra mediante la reflexión de los rayos solares utilizando espejos o lentes. Una vez que la luz solar se concentra en el punto focal o a lo largo de una línea, se puede utilizar para generar calor o electricidad, dependiendo del tipo de concentrador.
En el caso de los concentradores solares térmicos, como los de disco parabólico, la luz solar concentrada se utiliza para calentar un fluido térmico. Este fluido puede ser agua, aceite u otro medio, y se utiliza para generar vapor que impulsa una turbina conectada a un generador eléctrico.
En cambio, los concentradores solares fotovoltaicos concentran la luz solar en células fotovoltaicas, que convierten la radiación solar en electricidad directamente.
Tipos de concentradores solares
Existen varios tipos de concentradores solares, cada uno diseñado para optimizar la captura de la luz solar de manera diferente.
Los principales tipos de concentradores incluyen:
Concentrador solar de disco parabólico
Este tipo de concentrador utiliza una serie de espejos parabólicos que concentran la luz solar en un punto focal. En este punto, se coloca una tubería que contiene un fluido térmico, como aceite, que se calienta y se utiliza para generar vapor, impulsando una turbina que produce electricidad.
Los concentradores solares de disco parabólico son ideales para aplicaciones de generación de energía a gran escala y se utilizan comúnmente en plantas de energía solar termosolar.
Concentrador solar lineal Fresnel
La principal ventaja de los concentradores lineales Fresnel es su capacidad para ser utilizados en aplicaciones de baja y alta temperatura, lo que los hace versátiles.
Concentrador solar parabólico de canal compuesto
Este diseño es similar al concentrador de disco parabólico, pero utiliza un canal en lugar de un punto focal para recoger la luz solar. Esto permite que se utilice para aplicaciones de refrigeración solar, además de la generación de energía.
Concentrador solar Solar Trough
Un concentrador solar Solar Trough es una variante del concentrador de disco parabólico, diseñado para ser más asequible y fácil de instalar. Está especialmente indicado para la generación de energía en aplicaciones descentralizadas, como instalaciones industriales y comerciales.
Sistema activo de seguimiento del sol
En el caso de concentradores solares de menor escala, se puede garantizar un seguimiento eficaz del sol mediante la aplicación directa de un sistema de tracking al concentrador. Sin embargo, a medida que aumenta el tamaño de los concentradores solares, pueden surgir deformaciones en la superficie parabólica que afectan su funcionamiento.
Para abordar este desafío, se recurre a la utilización de uno o más espejos planos intermediarios conocidos como heliostatos. Estos heliostatos ayudan a mantener la reflexión solar en el punto focal del concentrador, incluso cuando se presentan deformaciones en la superficie, garantizando así un funcionamiento óptimo del sistema.
Aplicaciones de los concentradores solares
El uso más habitual es la generación de electricidad. No obstante, también existen otras técnicas para aprovechar la energía térmica directamente.
1. Generación de electricidad
La generación de electricidad es la aplicación más utilizada de los concentradores solares. Para ello se puede conseguir de dos formas:
- Generar vapor y accionar turbinas de vapor.
- Mediante un motor Stirling conectado a un generador eléctrico.
En ocasiones también se utiliza esta técnica para alimentar células fotovoltaicas. Entonces son instalaciones de energía solar fotovoltaica.
2. 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.
3. Aplicaciones industriales
Los concentradores solares permiten aprovechar la energía solar en múltiples aplicaciones industriales, como, por ejemplo, en la industria metalúrgica, en la fundición de metales, la producción de vapor para la industria química y la calefacción de procesos.
4. Desalinización de agua
Los concentradores solares pueden utilizarse para calentar el agua de mar y generar vapor, que luego se condensa para obtener agua dulce. Esto es especialmente útil en regiones con escasez de agua.
5. Calefacción residencial y comercial
Los sistemas de concentradores solares también se utilizan para proporcionar calefacción y agua caliente en edificios residenciales y comerciales, lo que reduce la dependencia de combustibles fósiles.
Ventajas
Los concentradores solares ofrecen varias ventajas significativas en comparación con los sistemas solares convencionales que no utilizan concentración:
- Mayor eficiencia: Al concentrar la luz solar, los concentradores aumentan la eficiencia de la conversión de energía solar en electricidad o calor. Esto permite una generación de energía más eficiente, especialmente en áreas con altos niveles de radiación solar.
- Menor uso de materiales: Dado que se requieren menos paneles solares o células fotovoltaicas para generar la misma cantidad de energía, los concentradores solares pueden ayudar a reducir la cantidad de materiales necesarios en la instalación.
- Almacenamiento térmico: Los concentradores solares térmicos permiten el almacenamiento de calor, lo que facilita la generación de electricidad durante la noche o en días nublados. Esto resuelve uno de los principales desafíos de la energía solar intermitente.
- Aplicaciones múltiples: Los concentradores solares pueden utilizarse tanto para la generación de electricidad como para aplicaciones de calefacción y refrigeración solar, lo que aumenta su versatilidad.