Los concentradores solares son dispositivos que captan y concentran la luz solar en un área pequeña para convertirla en energía térmica o eléctrica. La idea es captar más luz en menos espacio, usando técnicas de concentración.
Para lograr este propósito, se utiliza espejos o lentes que enfocan la luz en un punto o línea específica. Son muy usados en plantas de energía solar de concentración, que a menudo se encuentran en áreas de mucho sol.
Pero, ¿qué tipos existen y en qué se diferencian?
1. Concentradores cilíndrico-parabólicos
Este tipo de concentrador es de los más comunes y ampliamente utilizados en el mundo de la energía solar de concentración.
Imagina una especie de canal largo con forma de U que se va curvando para crear una parábola, como un espejo largo y curvado. Este canal o colector tiene espejos en su superficie interna que concentran la luz en una línea.
¿Cómo funciona?
La luz solar incide sobre los espejos y, debido a la forma parabólica, se concentra en un tubo receptor que se encuentra justo en el foco de la parábola. Dentro de este tubo suele haber un fluido de transferencia de calor (como un aceite especial) que se calienta con la luz concentrada. Este calor puede usarse directamente o para producir vapor que haga funcionar una turbina y genere electricidad.
Estos concentradores son ideales en zonas donde el sol se encuentra a una altura bastante constante, ya que solo necesitan seguimiento en un eje para seguir la posición del sol. Su eficiencia es muy alta, pero están limitados a capturar la luz solar directa, es decir, no funcionan tan bien en días nublados.
Los concentradores cilíndrico-parabólicos típicamente alcanzan temperaturas de hasta 400°C, lo que permite generar vapor a presión para mover turbinas y producir electricidad. Este tipo de planta también permite almacenar energía térmica en sales fundidas, lo que significa que puede seguir generando electricidad incluso después de la puesta de sol.
Ejemplo
La planta solar Solana en Arizona, EE. UU., es uno de los mayores ejemplos de una instalación que usa concentradores cilíndrico-parabólicos.
Esta planta tiene una capacidad de 280 MW, suficiente para abastecer de electricidad a aproximadamente 70,000 hogares.
2. Concentradores Fresnel lineales
Parecidos a los anteriores, los concentradores lineales Fresnel también utilizan una estructura lineal, pero en lugar de usar un espejo parabólico curvado, emplean una serie de espejos planos o casi planos colocados en diferentes ángulos.
Estos espejos están organizados en filas y enfocan la luz solar en un tubo receptor, ubicado a una distancia elevada sobre los espejos.
La ventaja de los Fresnel sobre los parabólicos es que son más sencillos y económicos de construir, porque los espejos planos son menos costosos que los espejos curvos. También permiten una disposición compacta, así que puedes instalar más unidades en un espacio limitado.
Sin embargo, su eficiencia es un poco menor, ya que el diseño plano no concentra la luz con tanta precisión como una parábola. Estos concentradores requieren menos mantenimiento, pero al igual que los cilíndrico-parabólicos, dependen de la luz solar directa.
Los concentradores Fresnel lineales suelen alcanzar temperaturas de entre 250°C y 300°C y tienen un diseño un poco más simple. Son más compactos que los concentradores cilíndrico-parabólicos y pueden ser instalados en terrenos planos o ligeramente inclinados.
Ejemplo
La planta solar Puerto Errado 2 en Calasparra, España, es un ejemplo notable de una planta solar con concentradores Fresnel lineales. Con una capacidad de 30 MW, esta instalación aprovecha la tecnología Fresnel para generar electricidad en una región de alta irradiación solar.
3. Concentradores de torre solar
Estos son impresionantes y a menudo llamativos por su tamaño y diseño. En lugar de espejos curvos o planos alineados en un canal, las torres solares usan una gran cantidad de espejos llamados heliostatos, que rodean una torre central.
Cada heliostato está controlado individualmente para seguir el sol y reflejar la luz hacia la cima de la torre, donde se encuentra el receptor.
El receptor en la torre es un contenedor que contiene un fluido especial, a menudo sales fundidas, que pueden alcanzar temperaturas extremadamente altas. Estas sales calientes se usan luego para generar vapor y mover una turbina que genera electricidad.
Uno de los puntos fuertes de este sistema es que las sales pueden almacenar calor durante varias horas, lo que permite generar electricidad incluso después de que se ponga el sol.
Las torres solares tienen una eficiencia muy alta y son capaces de generar grandes cantidades de energía, pero requieren una gran inversión inicial y están destinadas a grandes plantas en áreas despejadas con alta irradiación solar. Debido a su necesidad de un espacio grande y un sistema de seguimiento avanzado, las torres solares no son tan comunes como los concentradores lineales.
Las torres solares pueden alcanzar temperaturas superiores a los 565°C gracias al uso de sales fundidas como medio de transferencia de calor. Este alto calor permite almacenar la energía térmica durante varias horas, por lo que las plantas con torres solares pueden ofrecer electricidad incluso cuando el sol ya no brilla. Esto las convierte en una opción competitiva frente a las fuentes de energía tradicionales, con una eficiencia de almacenamiento del 85-90%.
Ejemplo
La Planta Solar Ivanpah en California, EE. UU., es la torre solar más grande del mundo, con una capacidad total de 392 MW. Utiliza más de 170,000 heliostatos, cada uno con dos espejos, para concentrar la luz solar en tres torres receptoras.
4. Concentradores de disco parabólico
Estos funcionan de manera similar a una antena parabólica, y en cierto sentido, hasta se parecen a una. Son concentradores más pequeños y normalmente se utilizan en sistemas independientes o más pequeños, no en plantas de generación a gran escala.
El concentrador de disco parabólico utiliza un espejo parabólico en forma de plato para concentrar la luz solar en un solo punto focal, donde se encuentra un receptor. A diferencia de los concentradores cilíndrico-parabólicos, que concentran la luz a lo largo de una línea, los discos parabólicos lo hacen en un punto, lo cual permite alcanzar temperaturas muy altas.
Una ventaja de los discos parabólicos es que pueden funcionar con un motor Stirling, que es un tipo de motor que convierte el calor en movimiento, sin necesidad de vapor ni turbinas.
Estos motores son especialmente útiles en aplicaciones descentralizadas, donde la energía generada puede usarse de forma inmediata o almacenarse.
También tienen una eficiencia bastante alta, pero suelen ser más costosos y requieren un sistema de seguimiento solar de dos ejes.
Los concentradores de disco parabólico pueden alcanzar temperaturas de hasta 750°C, ya que concentran la luz solar en un solo punto. Esto los hace ideales para operar motores Stirling, los cuales convierten el calor directamente en electricidad sin necesidad de una turbina. Cada unidad de disco parabólico genera entre 3 y 25 kW.
Ejemplos
El proyecto de discos parabólicos Big Dish en Canberra, Australia, (el de la imagen) es un ejemplo de una instalación a escala más pequeña.
5. Concentradores lentes Fresnel
Este tipo de concentrador utiliza una lente Fresnel en lugar de espejos. Las lentes Fresnel son lentes planas hechas de múltiples anillos concéntricos que permiten concentrar la luz en un punto sin necesitar tanto grosor como una lente convencional. Son conocidas porque permiten concentrar la luz en un diseño compacto y liviano.
Son más utilizadas en aplicaciones solares fotovoltaicas en lugar de térmicas. Es decir, la luz concentrada se usa directamente para generar electricidad mediante células solares.
Estos sistemas suelen usarse en instalaciones de pequeña a mediana escala y en aplicaciones portátiles, como en vehículos y edificios. Aunque son más económicos que otros concentradores, su eficiencia es algo más baja y están sujetos a sobrecalentamientos, por lo que a menudo requieren un sistema de enfriamiento.