Concentradores solares
Básicamente, los concentradores solares son muy diferentes de convertidores fotovoltaicos… Además, las plantas solares de tipo térmico son mucho más eficientes que las fotovoltaicas debido a una serie de características.
La tarea del concentrador solar es concentrar los rayos del sol en un recipiente de líquido refrigerante, que puede ser, por ejemplo, aceite o agua, que son buenos para absorber la energía solar. Los métodos de concentración son diferentes: concentradores cilíndricos parabólicos, espejos parabólicos o torres heliocéntricas.
En algunos concentradores, la radiación solar se enfoca a lo largo de la línea focal, en otros, en el punto focal donde se encuentra el receptor. Cuando la radiación solar se refleja de una superficie más grande a una superficie más pequeña (la superficie del receptor), se alcanza una temperatura alta, el refrigerante absorbe el calor y se mueve a través del receptor. El sistema en su conjunto también contiene una parte de almacenamiento y un sistema de transferencia de energía.
La eficiencia de los concentradores se reduce significativamente durante los períodos nublados, ya que solo se enfoca la radiación solar directa.Por ello, estos sistemas alcanzan la mayor eficiencia en las regiones donde el nivel de insolación es especialmente alto: en los desiertos, en la región ecuatorial. Para aumentar la eficiencia del uso de la radiación solar, los concentradores están equipados con seguidores especiales, sistemas de seguimiento que aseguran la orientación más precisa de los concentradores en la dirección del sol.
Debido a que el costo de los concentradores solares es alto y los sistemas de seguimiento requieren un mantenimiento periódico, su uso se limita principalmente a los sistemas de generación de energía industrial.
Tales instalaciones se pueden utilizar en sistemas híbridos junto, por ejemplo, con combustible de hidrocarburo, entonces el sistema de almacenamiento reducirá el costo de la electricidad producida. Esto será posible ya que la generación se realizará las 24 horas del día.
Los concentradores solares de tubo parabólico tienen una longitud de hasta 50 metros y se asemejan a una parábola de espejo alargada. Dicho concentrador consta de un conjunto de espejos cóncavos, cada uno de los cuales recoge rayos paralelos del sol y los enfoca en un punto específico. A lo largo de dicha parábola, se ubica un tubo con un líquido refrigerante, de modo que todos los rayos reflejados por los espejos se enfocan en él. Para reducir la pérdida de calor, el tubo está rodeado por un tubo de vidrio que se extiende a lo largo de la línea focal del cilindro.
Estos centros están dispuestos en filas en dirección norte-sur y ciertamente están equipados con sistemas de seguimiento solar. La radiación enfocada en la línea calienta el refrigerante a casi 400 grados, pasa a través de los intercambiadores de calor, generando vapor que hace girar la turbina del generador.
Para ser justos, cabe señalar que también se puede colocar una fotocélula en lugar del tubo. Sin embargo, a pesar de que los tamaños de los concentradores pueden ser más pequeños con las células fotovoltaicas, esto conlleva una disminución de la eficiencia y el problema del sobrecalentamiento, lo que requiere el desarrollo de un sistema de refrigeración de alta calidad.
En el desierto de California en la década de 1980 se construyeron 9 centrales eléctricas de concentradores cilíndricos parabólicos con una capacidad total de 354 MW. Luego, la misma empresa (Luz International) también construyó una instalación híbrida SEGS I en Deget, con una capacidad de 13,8 MW, que además incluía hornos de gas natural.En general, para 1990, la empresa había construido plantas de energía híbrida con una capacidad total de 80 megavatios.
El desarrollo de la producción de energía solar en centrales parabólicas se está llevando a cabo en Marruecos, México, Argelia y otros países en vías de desarrollo con financiación del Banco Mundial.
Como resultado, los expertos concluyen que, en la actualidad, las plantas de energía cilindroparabólica van a la zaga de las plantas de energía solar de torre y de disco en términos de rentabilidad y eficiencia.
Instalaciones solares de disco: son, como antenas parabólicas, espejos parabólicos que enfocan los rayos del sol en un receptor ubicado en el foco de cada plato. Al mismo tiempo, la temperatura del refrigerante con esta tecnología de calefacción alcanza los 1000 grados. El fluido de transferencia de calor se alimenta inmediatamente a un generador o motor que se combina con un receptor. Aquí, por ejemplo, se utilizan motores Stirling y Brighton, que pueden aumentar significativamente el rendimiento de dichos sistemas, ya que la eficiencia óptica es alta y los costos iniciales son bajos.
El récord mundial de eficiencia de una instalación solar de plato parabólico es del 29% de eficiencia térmica a eléctrica lograda por una instalación tipo plato combinada con un motor Stirling en Rancho Mirage.
Debido al diseño modular, los sistemas solares de tipo partido son muy prometedores, ya que le permiten alcanzar fácilmente los niveles de potencia requeridos tanto para usuarios híbridos conectados a redes eléctricas públicas como independientes. Un ejemplo es el proyecto STEP, que consta de 114 espejos parabólicos de 7 metros de diámetro ubicados en el estado de Georgia.
El sistema produce vapor de media, baja y alta presión. El vapor de baja presión se suministra al sistema de aire acondicionado de la fábrica de tejidos, el vapor de media presión se suministra a la propia industria del tejido y el vapor de alta presión se suministra directamente para generar electricidad.
Por supuesto, los concentradores de discos solares combinados con un motor Stirling son de interés para los propietarios de las grandes empresas energéticas. Así, Science Applications International Corporation, en colaboración con tres empresas energéticas, está desarrollando un sistema mediante un motor Stirling y espejos parabólicos que será capaz de producir 25 kW de electricidad.
En las plantas solares de tipo torre con receptor central, la radiación solar se concentra en el receptor, que se encuentra en la parte superior de la torre…. Alrededor de las torres se colocan un gran número de reflectores-helióstatos... Los helióstatos están equipados con un sistema de seguimiento solar de dos ejes, gracias al cual siempre giran para que los rayos queden estacionarios, concentrados en el receptor de calor.
El receptor absorbe energía térmica, que luego hace girar la turbina del generador.
El refrigerante líquido que circula en el receptor lleva el vapor al acumulador de calor. Por lo general, los trabajos son vapor de agua con una temperatura de 550 grados, aire y otras sustancias gaseosas con una temperatura de hasta 1000 grados, líquidos orgánicos con un punto de ebullición bajo, por debajo de 100 grados, así como metal líquido, hasta 800 grados.
Dependiendo del propósito de la estación, el vapor puede hacer girar una turbina para generar electricidad o usarse directamente en algún tipo de producción. La temperatura en el receptor varía de 538 a 1482 grados.
La torre de energía Solar One en el sur de California, una de las primeras de su tipo, originalmente producía electricidad a través de un sistema de vapor y agua que producía 10 MW. Luego se modernizó y el receptor mejorado, que ahora funciona con sales fundidas y el sistema de almacenamiento de calor, se volvió significativamente más eficiente.
Esto condujo a un gran avance en la tecnología de concentración solar para plantas de energía de torre de batería: la energía en una planta de energía de este tipo se puede producir según la demanda, ya que el sistema de almacenamiento de calor puede almacenar calor hasta por 13 horas.
La tecnología de sales fundidas hace posible almacenar el calor solar a 550 grados, y ahora se puede producir electricidad en cualquier momento del día y en cualquier clima. La estación de torre "Solar Two" con una capacidad de 10 MW se ha convertido en un prototipo de centrales eléctricas industriales de este tipo. En el futuro — la construcción de empresas industriales con una capacidad de 30 a 200 MW para grandes empresas industriales.
Las perspectivas son colosales, pero el desarrollo se ve obstaculizado por la necesidad de grandes áreas y los costos significativos de construir estaciones de torre a escala industrial. Por ejemplo, para colocar una estación de torre de 100 megavatios se requieren 200 hectáreas, mientras que una central nuclear capaz de producir 1.000 megavatios de electricidad requiere solo 50 hectáreas. Las estaciones parabólicas-cilíndricas (tipo modular) para pequeñas capacidades, en cambio, son más rentables que las de torre.
Así, los concentradores cilindroparabólicos y de torre son adecuados para centrales eléctricas de 30 MW a 200 MW conectadas a la red. Los concentradores de disco modulares son adecuados para la alimentación autónoma de redes que requieren solo unos pocos megavatios. Tanto los sistemas de torre como los de losa son costosos de fabricar pero ofrecen una eficiencia muy alta.
Como puede ver, los concentradores cilindroparabólicos ocupan una posición óptima como la tecnología de concentración solar más prometedora para los próximos años.
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