energía solar
TRANSCRIPT
Energía solar
La planta termoeléctrica Gemasolar (situada en Andalucía, España) tiene 19,9 MW de potencia y puede almacenar
energía durante más de 15 horas, lo que permite que pueda proporcionar energía 24 horas al día.
Energías renovables
Biofuel
Biomasa
Energía geotérmica
Energía hidroeléctrica
Energía solar
Energía mareomotriz
Energía eólica
La energía solar es la energía obtenida a partir del aprovechamiento de la radiación electromagnética
procedente del Sol.
La radiación solar que alcanza la Tierra ha sido aprovechada por el ser humano desde la Antigüedad,
mediante diferentes tecnologías que han ido evolucionando con el tiempo desde su concepción. En la
actualidad, el calor y la luz del Sol puede aprovecharse por medio de captadores como células
fotovoltaicas, helióstatos o colectores térmicos, que pueden transformarla en energía eléctrica o térmica.
Es una de las llamadas energías renovables o energías limpias, que puede hacer considerables
contribuciones a resolver algunos de los más urgentes problemas que afronta la Humanidad.1
Las diferentes tecnologías solares se clasifican en pasivas o activas en función de la forma en que
capturan, convierten y distribuyen la energía solar. Las tecnologías activas incluyen el uso de paneles
fotovoltaicos y colectores térmicos para recolectar la energía. Entre las técnicas pasivas, se encuentran
diferentes técnicas enmarcadas en la arquitectura bioclimática: la orientación de los edificios al Sol, la
selección de materiales con una masa térmica favorable o que tengan propiedades para la dispersión de
luz, así como el diseño de espacios mediante ventilación natural.
En 2011, la Agencia Internacional de la Energía se expresó en los siguientes términos: "el desarrollo de
tecnologías solares limpias, baratas e inagotables supondrá un enorme beneficio a largo plazo.
Aumentará la seguridad energética de los países mediante el uso de una fuente de energía local,
inagotable y, aun más importante, independendiente de importaciones, aumentará la sostenibilidad,
reducirá la contaminación, disminuirá los costes de la mitigación del cambio climático, y evitará la subida
excesiva de los precios de loscombustibles fósiles. Estas ventajas son globales. De esta manera, los
costes para su incentivo y desarrollo deben ser considerados inversiones; deben ser realizadas de
forma sabia y deben ser ampliamente difundidas".1
La fuente de energía solar más desarrollada en la actualidad es la energía solar fotovoltaica. Según
informes de la organización ecologista Greenpeace, la energía solar fotovoltaica podría suministrar
electricidad a dos tercios de la población mundial en 2030.2
Actualmente, y gracias a los avances tecnológicos, la sofisticación y la economía de escala, el coste de
la energía solar fotovoltaica se ha reducido de forma constante desde que se fabricaron las primeras
células solares comerciales,3 aumentando a su vez la eficiencia, y su coste medio de generación
eléctrica ya es competitivo con lasfuentes de energía convencionales en un creciente número de
regiones geográficas, alcanzando la paridad de red.4 5 Otras tecnologías solares, como la energía solar
termoeléctrica está reduciendo sus costes también de forma considerable.
Índice
[ocultar]
1 Energía proveniente del Sol
2 Energía solar fotovoltaica
3 Energía solar térmica
4 Tecnología y usos de la energía solar
5 Centros de investigación sobre la energía solar
6 Asociaciones
7 Véase también
8 Referencias
9 Enlaces externos
Energía proveniente del Sol
Artículo principal: Radiación solar.
Aproximadamente la mitad de la energía proveniente del Sol alcanza la superficie terrestre.
La Tierra recibe 174 petavatios de radiación solar entrante (insolación) desde la capa más alta de
la atmósfera.6 Aproximadamente el 30% es reflejada de vuelta al espacio mientras que el resto es
absorbida por las nubes, los océanos y las masas terrestres. El espectro electromagnético de la luz
solar en la superficie terrestre está ocupado principalmente por luz visible y rangos de infrarrojos con
una pequeña parte de radiación ultravioleta. 7
La potencia de la radiación varía según el momento del día; las condiciones atmosféricas que la
amortiguan y la latitud. Se puede asumir que en buenas condiciones de radiación el valor es de
aproximadamente 1000 W/m² en la superficie terrestre. A esta potencia se la conoce como irradiancia.
La radiación es aprovechable en sus componentes directa y difusa, o en la suma de ambas. La
radiación directa es la que llega directamente del foco solar, sin reflexiones o refracciones intermedias.
La difusa es la emitida por la bóveda celeste diurna gracias a los múltiples fenómenos de reflexión y
refracción solar en la atmósfera, en las nubes y el resto de elementos atmosféricos y terrestres. La
radiación directa puede reflejarse y concentrarse para su utilización, mientras que no es posible
concentrar la luz difusa que proviene de todas las direcciones.
La irradiancia directa normal (o perpendicular a los rayos solares) fuera de la atmósfera, recibe el
nombre de constante solar y tiene un valor medio de 1366 W/m² (que corresponde a un valor máximo en
el perihelio de 1395 W/m² y un valor mínimo en el afelio de 1308 W/m²).
La radiación absorbida por los océanos, las nubes, el aire y las masas de tierra incrementan la
temperatura de éstas. El aire calentado es el que contiene agua evaporada que asciende de los
océanos, y también en parte de los continentes, causando circulación atmosférica o convección. Cuando
el aire asciende a las capas altas, donde la temperatura es baja, va disminuyendo su temperatura hasta
que el vapor de agua se condensa formando nubes. El calor latente de la condensación del agua
amplifica la convección, produciendo fenómenos como el viento, borrascas y anticiclones. 8 La energía
solar absorbida por los océanos y masas terrestres mantiene la superficie a 14 °C.9 Para
la fotosíntesis de las plantas verdes la energía solar se convierte en energía química, que produce
alimento, madera y biomasa, de la cual derivan también los combustibles fósiles.10
Flujo Solar Anual y Consumo de energía humano
Solar 3.850.000 EJ 11
Energía eólica 2.250 EJ12
Biomasa 3.000 EJ13
Uso energía primario (2005) 487 EJ14
Electricidad (2005) 56,7 EJ15
Se estima que la energía total que absorben la atmósfera, los océanos y los continentes puede ser de
3.850.000 exajulios por año.11 . En 2002, esta energía en un segundo equivalía al consumo global
mundial de energía durante un año.16 17 La fotosíntesis captura aproximadamente 3.000 EJ por año en
biomasa, lo que representa solo el 0,08% de la energía recibida por la Tierra.13 La cantidad de energía
solar recibida anual es tan vasta que equivale aproximadamente al doble de toda la energía producida
jamás por otras fuentes de energía no renovable como son el petróleo, el carbón, el uranio y el gas
natural.
Energía solar fotovoltaica
Artículo principal: Energía solar fotovoltaica.
Paneles solares fotovoltaicos
La energía solar fotovoltaica consiste en la obtención de electricidad (de ahí que se denomine
electricidad solar)directamente a partir de la radiación solar mediante un
dispositivo semiconductor denominado célula fotovoltaica, o una deposición de metales sobre un
sustrato llamada célula solar de película fina.
Este tipo de energía se usa para alimentar innumerables aparatos autónomos, para abastecer refugios o
casas aisladas y para producir electricidad a gran escala para redes de distribución. Debido a la
creciente demanda de energías renovables, la fabricación de células solares e instalaciones
fotovoltaicas ha avanzado considerablemente en los últimos años.
Los rendimientos típicos de una célula fotovoltaica de silicio policristalino oscilan entre el 14%-20%.
Para células de silicio monocristalino, los valores oscilan en el 15%-21%.18 19 Los más altos se
consiguen con los colectores solares térmicos a baja temperatura (que puede alcanzar un 70% de
rendimiento en la transferencia de energía solar a térmica).
Los paneles solares fotovoltaicos no producen calor que se pueda reaprovechar -aunque hay líneas de
investigación sobre paneles híbridos que permiten generar energía eléctrica y térmica simultáneamente.
Sin embargo, son muy apropiados para proyectos de electrificación rural en zonas que no cuentan con
red eléctrica, instalaciones sencillas en azoteas y de autoconsumo fotovoltaico.
El autoconsumo fotovoltaico consiste en la producción individual a pequeña escala de electricidad para
el propio consumo, a través de los paneles solares. Ello se puede complementar con el balance neto.
Este esquema de producción, que permite compensar el consumo eléctrico mediante lo generado por
una instalación fotovoltaica en momentos de menor consumo, ya ha sido implantado con éxito en
muchos países. Fue propuesto en España por la asociación fotovoltaica ASIF para promover
la electricidad renovable sin necesidad de apoyo económico adicional.20 El balance neto estuvo en fase
de proyecto por el IDAE.21 y ha sido recogido en el Plan de Energías Renovables 2011-202022 y el Real
Decreto 1699/2011, de 18 de noviembre, por el que se regula la conexión a red de instalaciones de
producción de energía eléctrica de pequeña potencia.23
Para incentivar el desarrollo de la tecnología con miras a alcanzar la paridad de red -igualar el precio de
obtención de la energía al de otras fuentes más económicas en la actualidad-, existen primas a la
producción, que garantizan un precio fijo de compra por parte de la red eléctrica. Es el caso de
Alemania, Italia o España. Este esquema de incentivos ya ha dado sus frutos, logrando que los costes
de la energía fotovoltaica se sitúen por debajo del precio de venta de la electricidad tradicional en un
número creciente de regiones.
Según un estudio publicado en 2007 por el World Energy Council, para el año 2100 el 70% de la energía
consumida será de origen solar.24 Según informes de Greenpeace, la fotovoltaica podrá suministrar
electricidad a dos tercios de la población mundial en 2030.25
Por otro lado, algunos países, como es el caso de Tokelau, no cuentan con mix eléctrico, ya que
obtenen toda la electricidad que necesitan del sol26
Energía solar térmica
Artículo principal: Energía solar térmica.
Participantes en un taller sobre sostenibilidad en Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey,
Campus Ciudad de México examinen panales solares en un edificio del campus
Los sistemas fototérmicos convierten la radiación solar en calor y lo transfieren a un fluido de trabajo. El
calor se usa entonces para calentar edificios, agua, mover turbinas para generar electricidad, secar
granos o destruir desechos peligrosos. Los Colectores Térmicos Solares se dividen en tres categorías:
Colectores de baja temperatura. Proveen calor útil a temperaturas menores de 65 °C mediante
absorbedores metálicos o no metálicos para aplicaciones tales como calentamiento de piscinas,
calentamiento doméstico de agua para baño y, en general, para todas aquellas actividades
industriales en las que el calor de proceso no es mayor de 60 °C, por ejemplo la pasteurización, el
lavado textil, etc.
Colectores de temperatura media. Son los dispositivos que concentran la radiación solar para
entregar calor útil a mayor temperatura, usualmente entre los 100 y 300 °C. En esta categoría se
tiene a los concentradores estacionarios y a los canales parabólicos, todos ellos efectúan la
concentración mediante espejos dirigidos hacia un receptor de menor tamaño. Tienen el
inconveniente de trabajar solamente con la componente directa de la radiación solar por lo que su
utilización queda restringida a zonas de alta insolación.
Colectores de alta temperatura. Existen en tres tipos diferentes: los colectores de plato
parabólico, la nueva generación de canal parabólico y los sistemas de torre central. Operan a
temperaturas superiores a los 500 °C y se usan para generar electricidad (electricidad termosolar) y
transmitirla a la red eléctrica; en algunos países estos sistemas son operados por productores
independientes y se instalan en regiones donde las posibilidades de días nublados son remotas o
escasas.
Tecnología y usos de la energía solar
Imagen del prototipo Helios, avión no tripulado de la NASApropulsado mediante energía solar fotovoltaica.
Estación de carga en Río de Janeiro atendiendo versiones modificadas del Toyota Prius y delHonda Insight. Esta
estación utiliza electricidad renovable de origen solar.
Clasificación por tecnologías y su correspondiente uso más general:
Energía solar activa : para uso de baja temperatura (entre 35 °C y 60 °C), se utiliza en casas; de
media temperatura, alcanza los 300 °C; y de alta temperatura, llega a alcanzar los 2000 °C. Esta
última, se consigue al incidir los rayos solares en espejos, que van dirigidos a un reflector que lleva
a los rayos a un punto concreto. También puede ser por centrales de torre y por espejos
parabólicos.
Energía solar pasiva : Aprovecha el calor del sol sin necesidad de mecanismos o sistemas
mecánicos.
Energía solar térmica : Es usada para producir agua caliente de baja temperatura para uso sanitario
y calefacción.
Energía solar fotovoltaica : Es usada para producir electricidad mediante placas de semiconductores
que se alteran con la radiación solar.
Energía solar termoeléctrica : Es usada para producir electricidad con un ciclo termodinámico
convencional a partir de un fluido calentado a alta temperatura (aceite térmico).
Energía solar híbrida : Combina la energía solar con otra energía. Según la energía con la que se
combine es una hibridación:
Renovable : biomasa, energía eólica.27
No renovable : Combustible fósil.
Energía eólico solar : Funciona con el aire calentado por el sol, que sube por una chimenea donde
están los generadores.
La instalación de centrales de energía solar en la zonas marcadas en el mapa podría proveer algo más que la
energía actualmente consumida en el mundo (asumiendo una eficiencia de conversión energética del 8%),
incluyendo la proveniente de calor, energía eléctrica, combustibles fósiles, etcétera. Los colores indican laradiación
solar promedio entre 1991 y 1993 (tres años, calculada sobre la base de 24 horas por día y considerando la
nubosidad observada mediante satélites).
Otros usos de la energía solar y ejemplos más prácticos de sus aplicaciones:
Huerta solar .
Central térmica solar , como:
la que está en funcionamiento desde el año 2007 en Sanlúcar la Mayor (Sevilla), de 11 MW de
potencia que entregará un total de 24 GWhal año.
y la de Llanos de Calahorra, cerca de Guadix, de 50 MW de potencia. En proyecto Andasol I y
II.
Potabilización de agua.
Cocina solar .
Destilación.
Evaporación.
Fotosíntesis.
Secado.
Arquitectura sostenible .
Cubierta Solar .
Acondicionamiento y ahorro de energía en edificaciones.
Calentamiento de agua.
Calefacción doméstica.
Iluminación.
Refrigeración.
Aire acondicionado.
Energía para pequeños electrodomésticos.
Centros de investigación sobre la energía solar
Photovoltaic Institute Berlin en Alemania.
Instituto de Energía Solar , de la Universidad Politécnica de Madrid
Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (o CIEMAT)
Institut für Solare Energiesysteme ISE en Alemania.
National Renewable Energy Laboratory NREL en Estados Unidos
Energía solar fotovoltaica
Célula solar monocristalina durante su fabricación.
Estación de servicio móvil en Francia que recarga la energía de los coches eléctricosmediante energía fotovoltaica.
La energía solar fotovoltaica es un tipo de electricidad renovable 1 obtenida directamente a partir de
la radiación solar mediante un dispositivosemiconductor denominado célula fotovoltaica, o una
deposición de metales sobre un sustrato llamado célula solar de película fina.2
Este tipo de energía se usa para alimentar innumerables aparatos autónomos, para abastecer refugios o
casas aisladas de la red eléctrica y para producir electricidad a gran escala a través de redes de
distribución. Debido a la creciente demanda de energías renovables, la fabricación de células solares e
instalaciones fotovoltaicas ha avanzado considerablemente en los últimos años.3 4
Entre los años 2001 y 2012 se ha producido un crecimiento exponencial de la producción de energía
fotovoltaica, doblándose aproximadamente cada dos años.5 Si esta tendencia continúa, la energía
fotovoltaica cubriría el 10% del consumo energético mundial en 2018, alcanzando una producción
aproximada de 2.200 TWh,6 y podría llegar a proporcionar el 100% de las necesidades energéticas
actuales en torno al año 2027.7
A finales de 2012, se habían instalado en todo el mundo más de 100 GW de potencia
fotovoltaica.8 Gracias a ello la energía solar fotovoltaica es actualmente, después de las energías
hidroeléctrica y eólica, la tercera fuente de energía renovable más importante en términos de capacidad
instalada a nivel global, y supone ya una fracción significante del mix eléctrico en la Unión Europea,
cubriendo de media el 3-5% de la demanda y en torno al 6-9% en los períodos de mayor producción, en
países como Alemania, Italia o España.9 10 11 12 13
Gracias a los avances tecnológicos, la sofisticación y la economía de escala, el coste de la energía solar
fotovoltaica se ha reducido de forma constante desde que se fabricaron las primeras células solares
comerciales,14 aumentando a su vez la eficiencia, y logrando que su coste medio de generación eléctrica
sea ya competitivo con las fuentes de energía convencionales en un creciente número de regiones
geográficas, alcanzando la paridad de red.15 16 17 Programas de incentivos económicos, primero, y
posteriormente sistemas de autoconsumo fotovoltaico ybalance neto sin subsidios, han apoyado la
instalación de la fotovoltaica en un gran número de países, contribuyendo a evitar la emisión de una
mayor cantidad de gases de efecto invernadero.18
La tasa de retorno energético de esta tecnología, por su parte, es cada vez menor. Con la tecnología
actual, los paneles fotovoltaicos recuperan la energía necesaria para su fabricación en un período
comprendido entre 6 meses y 1,4 años; teniendo en cuenta que su vida útil media es superior a 30 años,
producen electricidad limpia durante más del 95% de su ciclo de vida.19
Índice
[ocultar]
1 Historia
o 1.1 Primeras aplicaciones: energía solar espacial
2 Aplicaciones de la energía solar fotovoltaica
3 La energía fotovoltaica en España
o 3.1 Situación actual en España
4 La fotovoltaica en el resto del mundo
o 4.1 Alemania
o 4.2 Italia
o 4.3 China
o 4.4 Estados Unidos
o 4.5 Japón
o 4.6 Resto de países
5 Plantas fotovoltaicas de conexión a red
o 5.1 Plantas de concentración fotovoltaica
6 Componentes de una planta solar fotovoltaica
o 6.1 Paneles solares fotovoltaicos
o 6.2 Inversores
o 6.3 Seguidores solares
o 6.4 Cableado
7 Autoconsumo y Balance neto
8 Eficiencia y costos
o 8.1 Energía fotovoltaica de capa fina o Thin film
9 Reciclaje de módulos fotovoltaicos
10 Véase también
11 Referencias
12 Bibliografía
13 Enlaces externos
o 13.1 Módulos de capa fina
[editar]Historia
El término "fotovoltaico" proviene del griego φώς:phos, que significa "luz", y voltaico, que proviene del
campo de la electricidad, en honor al físico italiano Alejandro Volta, (que también proporciona el
término voltio a la unidad de medida de la diferencia de potencial en el Sistema Internacional de
medidas). El término fotovoltaico se comenzó a usar en Reino Unido desde el año 1849.20
El efecto fotovoltaico fue reconocido por primera vez en 1839 por el físico francés Alexandre-Edmond
Becquerel,21 22 pero la primera célula solar no se construyó hasta 1883. Su autor fue Charles Fritts, quien
recubrió una muestra de selenio semiconductor con un pan de oro para formar el empalme. Este
primitivo dispositivo presentaba una eficiencia de sólo un 1%.23 Los estudios realizados en el siglo
XIX por Michael Faraday, James Clerk Maxwell, Nikola Tesla y Heinrich Hertz sobre inducción
electromagnética, fuerzas eléctricas y ondas electromagnéticas, y sobre todo los de Albert
Einstein en 1905, proporcionaron la base teórica al efecto fotoeléctrico,24 que es el fundamento de la
conversión de energía solar a electricidad.
Russell Ohl patentó la célula solar moderna en el año 1946,25 aunque Sven Ason Berglund había
patentado con anterioridad, en 1914, un método que trataba de incrementar la capacidad de las células
fotosensibles.
La era moderna de la tecnología de potencia solar no llegó hasta el año 1954 cuando los Laboratorios
Bell,26 descubrieron, de manera accidental, que los semiconductores de silicio dopado con ciertas
impurezas, eran muy sensibles a la luz. Estos avances contribuyeron a la fabricación de la primera
célula solar comercial con una conversión de la energía solar de, aproximadamente, el 6%.27 28
La Estación Espacial Internacional, que obtiene su energía a través de paneles fotovoltaicos, fotografiada contra la
negrura del espacio y la delgada línea de laatmósfera de la Tierra.
Detalle de los paneles solares fotovoltaicos de la Estación Espacial Internacional.
[editar]Primeras aplicaciones: energía solar espacial
Artículo principal: Energía solar espacial.
Al principio, las células fotovoltaicas se emplearon de forma minoritaria para alimentar
eléctricamente juguetes y en otros usos menores, dado que el coste de producción de electricidad
mediante estas células primitivas era demasiado elevado: en términos relativos, una célula que
produjera un vatio de energía mediante luz solar podía costar 250 dólares, en comparación con los 2 o 3
dólares que costaba un vatio procedente de una central termoeléctrica de carbón.
Las células fotovoltaicas fueron rescatadas del olvido gracias a la carrera espacial y a la sugerencia de
utilizarlas en uno de los primeros satélites puestos en órbita alrededor de la Tierra. La URSS lanzó su
primer satélite espacial en el año 1957, y Estados Unidos le seguiría un año después. La primera nave
espacial que usó paneles solares fue el satélite norteamericano Vanguard 1, lanzado en marzo
de 1958(hoy en día el satélite más antiguo aún en órbita). En el diseño de éste se usaron células solares
creadas por Peter Iles en un esfuerzo encabezado por la compañía Hoffman Electronics.29 El sistema
fotovoltaico le permitió seguir transmitiendo durante siete años mientras que las baterías químicas se
agotaron en sólo 20 días.30
Pocos años después, en 1962, el Telstar se convirtió en el primer satélite de comunicaciones equipado
con células solares, que eran capaces de proporcionar una potencia de 14 W.31 Este hito generó un gran
interés en la producción y lanzamiento de satélitesgeoestacionarios para el desarrollo de las
comunicaciones, en los que la energía provendría de un dispositivo de captación de la luz solar. Fue un
desarrollo crucial que estimuló la investigación por parte de algunos gobiernos y que impulsó la mejora
de los paneles fotovoltaicos.32
Gradualmente, la industria espacial se decantó por el uso de células solares de arseniuro de
galio (GaAs), debido a su mayor eficiencia frente a las células de silicio. En 1970 la primera célula solar
con heteroestructura de arseniuro de galio y altamente eficiente se desarrolló en la extinta Unión
Soviética por Zhorés Alfiórov y su equipo de investigación.33 34
A partir de 1971, las estaciones espaciales soviéticas del programa Salyut fueron los primeros
complejos orbitales tripulados en obtener su energía a partir de células solares, acopladas en
estructuras a los laterales del módulo orbital,35 al igual que la estación norteamericanaSkylab, pocos
años después.36
En la década de 1970, tras la primera crisis del petróleo, el Departamento de Energía de los Estados
Unidos y la NASA (agencia espacial de este mismo país) iniciaron el estudio del concepto de energía
solar en el espacio, que ambicionaba el abastecimiento energético terrestre mediante satélites
espaciales. En 1979 propusieron una flota de satélites en órbita geoestacionaria, cada uno de los cuales
mediría 5 x 10 km y produciría entre 5 y 10 GW. La construcción implicaba la creación de una gran
factoría espacial donde trabajarían continuamente cientos de astronautas. Este gigantismo era típico de
una época en la que se proyectaba la creación de grandes ciudades espaciales. Dejando aparte las
dificultades técnicas, la propuesta fue desechada en 1981 por implicar un coste disparatado.37 A
mediados de los años 80, con el petróleo de nuevo en precios bajos, el programa fue cancelado.38
No obstante, las aplicaciones fotovoltaicas en los satélites espaciales continuaron su desarrollo. La
producción de equipos de deposición química de metales por vapores orgánicos o MOCVD (Metal
Organic Chemical Vapor Deposition),39 no se desarrolló hasta la década de 1980, limitando la capacidad
de las compañías en la manufactura de células solares de arseniuro de galio. La primera compañía que
manufacturó paneles solares en cantidades industriales, a partir de uniones simples de GaAs, con una
eficiencia de AM0 (Air Mass Zero) del 17% fue la norteamericana ASEC (Applied Solar Energy
Corporation). Las células de doble unión comenzaron su producción en cantidades industriales por
ASEC en 1989, de manera accidental, como consecuencia de un cambio del GaAs sobre los sustratos
de GaAs, a GaAs sobre sustratos de germanio.
Ilustración de la sonda Mars Reconnaissance Orbiter, equipada con paneles solares fotovoltaicos en
la órbita deMarte.
La tecnología fotovoltaica, si bien no es la única que se utiliza, sigue predominando actualmente en los
satélites de órbita terrestre.40 Por ejemplo, las sondas Magallanes, Mars Global Surveyor y Mars
Observer, de la NASA, usaron paneles fotovoltaicos,41 42 43 así como elTelescopio espacial Hubble,44 en
órbita alrededor de la Tierra. La Estación Espacial Internacional, también en órbita terrestre, está dotada
de grandes sistemas fotovoltaicos que alimentan todo el complejo espacial,45 46 al igual que en su día
la estación espacial Mir.47 Otros vehículos espaciales que utilizan la energía fotovoltaica para
abastecerse son la sonda Mars Reconnaissance Orbiter,48 y Spirit yOpportunity, los robots de
la NASA en Marte.49 50
La nave Rosetta, lanzada en 2004 en órbita hacia un cometa tan lejano del Sol como el
planeta Júpiter (5,25 AU), dispone también de paneles solares;51 anteriormente el uso más lejano de la
energía solar espacial había sido el de la sonda Stardust,52 a 2 AU. La energía fotovoltaica se ha
empleado también con éxito en la misión europea no tripulada a la Luna, SMART-1, proporcionando
energía a su propulsor de efecto Hall.53 La sonda espacial Juno será la primera misión a Júpiter en usar
paneles fotovoltaicos en lugar de un generador termoeléctrico de radioisótopos, tradicionalmente usados
en las misiones espaciales al exterior del Sistema Solar.54 Actualmente se está estudiando el potencial
de la fotovoltaica para equipar las naves espaciales que orbiten más allá de Júpiter.55
[editar]Aplicaciones de la energía solar fotovoltaica
Parquímetro abastecido mediante energía solar fotovoltaica, en Hannover,Alemania.
Desde su aparición en la industria aeroespacial, donde se ha convertido en el medio más fiable para
suministrar energía eléctrica en losvehículos espaciales,56 la energía solar fotovoltaica ha desarrollado
un gran número de aplicaciones terrestres. La producción industrial a gran escala de paneles
fotovoltaicos comenzó en la década de los 80, y entre sus múltiples usos se pueden destacar:
Centrales conectadas a red para suministro eléctrico.57
Sistemas de autoconsumo fotovoltaico.
Electrificación de pueblos en áreas remotas (electrificación rural).58
Suministro eléctrico de instalaciones médicas en áreas rurales.
Corriente eléctrica para viviendas aisladas de la red eléctrica.59
Sistemas de comunicaciones de emergencia.59
Estaciones repetidoras de microondas y de radio.59
Sistemas de vigilancia de datos ambientales y de calidad del agua.59
Faros, boyas y balizas de navegación marítima.59
Bombeo para sistemas de riego, agua potable en áreas rurales y abrevaderos para el ganado.59 60
Balizamiento para protección aeronáutica.59
Sistemas de protección catódica.59
Sistemas de desalinización.59
Vehículos de recreo.59
Señalización ferroviaria .59
Sistemas de carga para los acumuladores de barcos.
Postes de SOS (Teléfonos de emergencia en carretera).59
Parquímetros .61 62
Recarga de vehículos eléctricos.63
En entornos aislados, donde se requiere poca potencia eléctrica y el acceso a la red es difícil, como
señalización de vías públicas, estaciones meteorológicas orepetidores de comunicaciones, las placas
fotovoltaicas se emplean como alternativa económicamente viable. Para comprender la importancia de
esta posibilidad, conviene tener en cuenta que aproximadamente una cuarta parte de la población
mundial todavía no tiene acceso a la energía eléctrica.64
[editar]La energía fotovoltaica en España
Mapa de radiación solar en España.
Fachada fotovoltaica en el edificio MNACTEC(Tarrasa, España).
Véase también: Energía solar en España.
España es uno de los países de Europa con mayor irradiación anual.40 Esto hace que la energía solar
sea en este país más rentable que en otros. Regiones como el norte de España, que generalmente se
consideran poco adecuadas para la energía fotovoltaica, reciben más irradiación anual que la media
en Alemania, país que mantiene desde hace años el liderazgo en la promoción de la energía solar
fotovoltaica.40
La primera instalación fotovoltaica conectada a red en España fue la planta piloto de
100 kWp que Iberdrola instaló en San Agustín de Guadalix en1984.65 Sin embargo, durante la década de
1980, el mercado fotovoltaico en España se ciñó al abastecimiento de aplicaciones aisladas. No fue
hasta 1993 cuando se pudieron instalar otros cuatro sistemas de conexión a red, cada uno de 2,7 kWp,
en unas viviendas particulares de Pozuelo de Alarcón.65 A éstos le siguieron otros proyectos de
demostración: 42 kWp en una escuela de Menorca, 13,5 kWp en el Instituto de Energía Solar de
la Universidad Politécnica de Madrid, y 53 kWp en la Biblioteca de Mataró, siendo el más importante la
planta “Toledo-PV”, de 1 MW de potencia, que también fue conectada a la red en 1993.65
A finales de 1995 la potencia total sumaba 1,6 MW,66 a pesar de que ninguno de los sistemas
mencionados estuviera incorporado legalmente en el contexto general del sistema eléctrico. Al no existir
una normativa específica que los regulase, se encontraban en una especie de vacío legal.
En 1998, en concordancia con las medidas de apoyo a las energías renovables que se estaban llevando
a cabo en el resto de Europa, el Gobierno aprobó el Real Decreto 2818/199867 que reconocía la
necesidad de un tratamiento específico para esta alternativa energética, estableciendo unas primas de
30 y 60 pesetas (0,18 y 0,36 €) por kWh vertido a la red, para sistemas con potencia nominal superior e
inferior a 5 kWp, respectivamente. En el año 2000, sólo dos sistemas habían logrado acceder a esas
primas, y el Gobierno publicó un nuevo Real Decreto, el 1663/2000,68 que estableció condiciones
técnicas y administrativas específicas, y supuso el inicio de un lento despegue de la fotovoltaica en
España.
El verdadero marco regulador que impulsó definitivamente el desarrollo de centrales solares
fotovoltaicas conectadas a la red fue el Real Decreto 436/200469 y el RD 661/2007,70 en el que se
estipulaba una prima de 0,44 € por cada kWh fotovoltaico que se inyectaba a la red.
Gracias a esta regulación, España fue en el año 2008 uno de los países con más potencia fotovoltaica
instalada del mundo, con 2.708 MW instalados en un sólo año. Sin embargo, a partir del 30 de
septiembre de 2008 esta actividad quedó regulada mediante el RD 1578/200871 de retribución
fotovoltaica, que estableció unas primas variables en función de la ubicación de la instalación (suelo:
0,32 €/kWh o tejado: 0,34 €/kWh), estando sujetas además a un cupo máximo de potencia anual
instalada a partir de 2009 que se adaptaría año a año en función del comportamiento del mercado.
Estas modificaciones en la legislación del sector ralentizaron la construcción de nuevas plantas
fotovoltaicas, de tal forma que en 2009 se instalaron tan sólo 19 MW, en 2010 420 MW y en 2011 se
instalaron 354 MW correspondiendo al 2% del total de la Unión Europea.9 En términos de producción
energética, en 2010, la energía fotovoltaica cubrió en España aproximadamente el 2% de la generación
de electricidad.72 Mientras que en 2011 representó el 2,9% de la generación eléctrica, según datos del
operador, Red Eléctrica.
A finales de 2011 se aprobó el Real decreto por el que se estableció la regulación de las condiciones
administrativas, técnicas y económicas de la conexión a red de instalaciones de producción de energía
eléctrica de pequeña potencia.73 Sin embargo, todavía se espera que se apruebe la norma que
desarrolle las condiciones técnicas necesarias para dichas conexiones y la regulación de un modelo
de balance neto adecuado a las características del sistema eléctrico nacional.74
Actualmente, el acceso a la red eléctrica en España requiere una serie de permisos de la administración
y la autorización de la compañía eléctrica distribuidora de la zona. Ésta tiene la obligación de dar punto
de enganche o conexión a la red eléctrica, pero en la práctica el papeleo y la reticencia de las eléctricas
están frenando el impulso de las energías renovables en general, y de la energía fotovoltaica en
particular. Las eléctricas buscan motivos técnicos, como la saturación de la red, para controlar sus
intereses en otras fuentes energéticas y con la intención de bloquear la iniciativa de los pequeños
productores de energía solar fotovoltaica.75 76 77
Esta situación provoca una grave contradicción entre los objetivos de la Unión Europea para impulsar
las energías limpias, por una parte, y en España, la realidad de una escasa liberalización del sector
energético que impide el despegue y la libre competitividad de las energías renovables. A principios
de 2013 la potencia instalada en España ascendía a 4.381 MW.78
[editar]Situación actual en España
En enero de 2012 el Gobierno del Partido Popular aprobó el Real Decreto Ley 1/201279 por el que se
procedió a la suspensión de forma indefinida de los cupos del Régimen Especial de energía, es decir,
los procedimientos de preasignación de retribución y de los incentivos económicos para nuevas
instalaciones fotovoltaicas y demás energías renovables.79 En la práctica este RDL supuso que las
nuevas plantas fotovoltaicas que no estuvieran inscritas en cupos no recibirán prima alguna pero podrán
vender la energía a precio de mercado.
Tal regulación supuso un gran freno al desarrollo de la energía fotovoltaica y agravó la crisis del sector
renovable iniciada en el año 2010, cuando el anterior Gobierno socialista aprobó dos regulaciones, una
que limitaba la percepción de primas hasta el límite del año 25 (RD 1565/2010, de 19 de noviembre) y la
última, que fue publicada el día de Navidad, 24 de diciembre de 2010, en la que se limitaba el número
de horas susceptibles de pago, llegando a establecerse un recorte retroactivo de un 30% sobre lo
prometido anteriormente. Se hizo mediante un Real Decreto Ley (el 14/2010 de 24 de diciembre) por lo
que se impide su tramitación en los juzgados de forma directa al no poderse utilizar la vía del recurso de
inconstitucionalidad de forma directa por los administrados. Sí, en cambio, quedan medidas como las
efectuadas por fondos de inversión europeos mediante un arbitraje,80 recurso de inconstitucionalidad por
parte del Gobierno de la Región de Murcia 81 y manifestaciones vertidas por el comisario
europeo Günther Oettinger en el sentido de no querer tolerar medidas retroactivas que, por su
naturaleza, conllevan un fenómeno de inseguridad jurídica que hace quebrar para el extranjero la
confianza en el mercado español.82
[editar]La fotovoltaica en el resto del mundo
Mapamundi de radiación solar. Los pequeños puntos en el mapa muestran el área total de fotovoltaica necesaria
para cubrir la demanda mundial de energía usando paneles solares con una eficiencia del 8%.
Producción mundial de células solares por región.83
Históricamente, los Estados Unidos lideraron la instalación de energía fotovoltaica desde sus inicios
hasta 1997, cuando fueron alcanzados por Japón, que mantuvo el liderato hasta que Alemania la
sobrepasó en 2005, manteniendo esa posición desde entonces. Actualmente Alemania es, junto
a Italia, Japón, China y Estados Unidos, uno de los países donde la fotovoltaica está experimentando
actualmente un crecimiento más vertiginoso.
[editar]Alemania
Alemania es uno de los líderes mundiales en la instalación de energía fotovoltaica, con una potencia
instalada a finales de 2012 superior a los 32 gigavatios (GW). Sólo en 2011, Alemania instaló cerca de
7.5 GW,84 y la fotovoltaica produjo 18 TW·h de electricidad, el 3% del total consumido en el país.85 12
En mayo de 2012, las plantas solares fotovoltaicas instaladas en Alemania produjeron en un sólo día
22.000 MWh, lo que equivale a la potencia de generación de 20 centrales nucleares trabajando a plena
capacidad.86 Y estas cifras siguen creciendo: debido al incremento de la potencia fotovoltaica instalada
en el país, de enero a septiembre de 2012 el 6,1% de la demanda de electricidad alemana fue cubierta
con energía producida por sistemas fotovoltaicos, según la Asociación alemana de las industrias
energéticas e hídricas (BDEW).
A comienzos de verano de 2011, el Gobierno alemán anunció que el esquema actual de tarifa regulada
concluiría cuando la potencia instalada alcanzase los 52 GW. Cuando esto suceda, Alemania aplicará
un nuevo esquemas de tarifa de inyección cuyos detalles no se conocen todavía.87
[editar]Italia
La potencia instalada fotovoltaica en Italia alcanzó los 15,9 GW distribuidos entre 448.266 plantas por
todo el país, en octubre de 2012, gracias al programa de incentivos llamado Conto Energia.88 Este
programa cuenta con un presupuesto total de 6.700 millones de €, alcanzado dicho límite el Gobierno
dejará de incentivar las nuevas instalaciones, al haberse alcanzado la paridad de red.
Desde el pasado agosto de 2012 está vigente una nueva legislación que obliga a registrar todas las
plantas superiores a 12 kW; las de potencia menor –fotovoltaica de tejado en residencias- están exentas
de registro.89
Durante 2012, la producción fotovoltaica proporcionó en Italia el 5,6% del total de la energía consumida
en el país durante el año.13
[editar]China
La energía fotovoltaica es una de las mayores industrias de la República Popular China. El país asiático
cuenta con unas 400 empresas fotovoltaicas y produce aproximadamente el 23% de los productos
fotovoltaicos que se fabrican en el mundo.90
A finales de 2011 China dobló su potencia fotovoltaica instalada respecto al año anterior, hasta alcanzar
los 2.900 MW. Este incremento en la potencia instalada se debió, principalmente, a un crecimiento en el
número de instalaciones residenciales. Asimismo, la tarifa de inyección bajó hasta 0,80 yuanes por kWh,
lo que significó llegar al mismo nivel de las tarifas aplicables a las plantas de carbón.91
[editar]Estados Unidos
Estados Unidos es un país de considerable actividad en el mercado fotovoltaico, y cuenta con
numerosas plantas de conexión a red. La mayor instalación del mundo (Agua Caliente Solar Project),
con una potencia total de 247 MW, se encuentra en Yuma County, Arizona, Estados Unidos. 92
Hay planes para construir plantas mucho mayores. En este sentido, el gobernador de California Jerry
Brown ha firmado una legislación requiriendo que el 33% de la electricidad del estado se genere
mediante energías renovables a finales de 2020.93
[editar]Japón
La energía fotovoltaica en Japón, se ha expandido rápidamente desde la década de 1990. El país es
uno de los líderes en la manufactura de módulos fotovoltaicos y se encuentra entre los 5 primeros en
potencia instalada, con 4.914 MW a finales de 2011, tan sólo por detrás de Alemania e Italia,9 la mayor
parte conectada a red.94 95 96 La irradiación en Japón es óptima, situándose entre 4,3 y 4,8 kWh/(m²·día).
La venta de módulos fotovoltaicos para proyectos comerciales ha crecido rápidamente tras la
introducción por parte del Gobierno japonés de Feed-in tariff para el incentivo de la fotovoltaica tras
elaccidente nuclear de Fukushima. Más de 1.072 megavatios de células y módulos fotovoltaicos se han
vendido durante el primer semestre del 2012, según se desprende de los datos de la asociación
japonesa de energía fotovoltaica JPA (Japan Photovoltaic Energy Association).97
La mayoría de ese volumen, 737,6 megavatios, procede de fabricantes locales, mientras que 334,6
megavatios fueron importados. Más del 77 por ciento de las células y módulos vendidos en Japón entre
el 1 de abril y el 30 de septiembre de 2012 tuvieron como destino proyectos residenciales, mientras que
cerca del 9 por ciento se emplearon en instalaciones fotovoltaicas comerciales. Esto obedece, en parte,
a la introducción de un generoso esquema de tarifa de inyección (feed-in tariff, FiT) el pasado 1 de julio
de 2012.98
[editar]Resto de países
En la siguiente tabla se muestra el detalle de la potencia mundial instalada, desglosada por cada país,
desde el año 2000 hasta finales de 2012:
Potencia total instalada (MWp) por país9 99 100 101 102 103 104 105
País
Total2000
Total2001
Total2002
Total2003
Total2004
Total2005
Total2006
Total2007
Total2008
Total2009
Total2010
Total
2011106
Total2012
Total mundial
1.425 1.753 2.220 2.798 3.911 5.340 6.915 9.443 15.772 23.210 39.778 69.684102.024107 108
Unión
Europea154 248 389 590 1.297 2.299 3.285 5.257 10.554 16.357 29.328 51.360 68.110109
Alema
nia113,7 194,6 278 431 1.034 1.926 2.759
3.835,5
5.340 9.959 17.320 24.875 32.509110
Italia 19 20 22 26 30,7 37,5 50 120,2 458,3 1.157 3.502 12.764 16.987108
Estado
s Unidos138,8 167,8 212,2 275,2 376 479 624 830,5
1.168,5
1.255,7
2.519 4.383 8.683111
Potencia total instalada (MWp) por país9 99 100 101 102 103 104 105
País
Total2000
Total2001
Total2002
Total2003
Total2004
Total2005
Total2006
Total2007
Total2008
Total2009
Total2010
Total
2011106
Total2012
China - - - - - - - - - - 893 3.0938.043112 10
8
Japón 330,2 452,8 636,8 859,6 1.1321.421,
91.708,
51.918,
92.144 2.627 3.617 4.914
6.704113 108
España 2 4 7 12 23 48 145 693 3.354 3.438 3.892 4.214 4.38178
Francia 11,3 13,9 17,2 21,1 26 33 43,9 75,2 179,7 335,2 1.025 2.831 3.923114
Bélgica - - - - - - - - - 574 803 2.018 2.678109
Austral
ia29,2 33,6 39,1 45,6 52,3 60,6 70,3 82,5 104,5 183,6 504 1.298
2.291115 108
Reino
Unido1,9 2,7 4,1 5,9 8,2 10,9 14,3 18,1 22,5 29,6 72 1.014 2.114109
Repúbl
ica Checa- - - - - - - - - 463,3 1.953 1.960 2.085116
India - - - - - - - - - - 189 461 1.888108
Grecia - - - - - - - - - 55 206 631 1.234117
Potencia total instalada (MWp) por país9 99 100 101 102 103 104 105
País
Total2000
Total2001
Total2002
Total2003
Total2004
Total2005
Total2006
Total2007
Total2008
Total2009
Total2010
Total
2011106
Total2012
Bulgari
a- - - - - - - - - 5,7 18 133 1.066108
Corea
del Sur4 4,8 5,4 6 8,5 13,5 35,8 81,2 357,5 441,9 662 754
Canadá 7,2 8,8 10 11,8 13,9 16,7 20,5 25,8 32,7 94,6 200 563
Eslova
quia- - - - - - - - - 0,2 145 488
Dinamarca
1,5 1,5 1,6 1,9 2,3 2,7 2,9 3,1 3,3 4,6 7,1 17 400118
Suiza 15,3 17,6 19,5 21 23,1 27,1 29,7 36,2 47,9 73,6 111 216 356119
Israel - - - - 0,9 1 1,3 1,8 3 24,5 66 196
Ucrani
a- - - - - - - - - - 3 190
Austria 4,9 6,1 10,3 16,8 21,1 24 25,6 27,7 32,4 52,6 103 176
Potencia total instalada (MWp) por país9 99 100 101 102 103 104 105
País
Total2000
Total2001
Total2002
Total2003
Total2004
Total2005
Total2006
Total2007
Total2008
Total2009
Total2010
Total
2011106
Total2012
Portug
al1,1 1,3 1,7 2,1 2,7 3 3,4 17,9 68 102,2 131 144
Holand
a12,8 20,5 26,3 45,7 49,2 50,7 52,2 52,8 57,2 67,5 97 118
Taiwán - - - - - - - - - - 32 102
Eslove
nia- - - - - - - - - 9 36 90
Sudáfri
ca- - - - - - - - - - 40 41
México 13,9 15 16,2 17,1 18,2 18,7 19,7 20,8 21,8 25 30 40
Brasil - - - - - - - - - - 27 32
Luxem
burgo- - - - - - - - - 27 27 31
Suecia 2,8 3 3,3 3,6 3,9 4,2 4,8 6,2 7,9 8,8 10 19
Malasi
a- - - - - - 5,5 7 8,8 11,1 15 15
Potencia total instalada (MWp) por país9 99 100 101 102 103 104 105
País
Total2000
Total2001
Total2002
Total2003
Total2004
Total2005
Total2006
Total2007
Total2008
Total2009
Total2010
Total
2011106
Total2012
Finland
ia- - - - - - - - - - 9,6 11
Chipre - - - - - - - - - 3,3 6,2 10
Noruega
6 6,2 6,4 6,6 6,9 7,3 7,7 8 8,3 8,7 9,2 9,2
Argenti
na- - - - - - - - - - 1,2 6,2
Turquí
a0,4 0,6 0,9 1,3 1,8 2,3 2,8 3,3 4,0 5,0 6,0 6,0
Potencia fotovoltaica instalada en el mundo. Datos históricos hasta 2011 y previsión hasta 2016.
[editar]Plantas fotovoltaicas de conexión a red
Categoría principal: Centrales de energía solar fotovoltaica.
Parque solar Lauingen Energy Park, de 25,7 MW enSuabia (Baviera, Alemania)
Parque solar en Waldpolenz, Alemania
En Europa y en el resto del mundo se han construido un gran número de centrales fotovoltaicas a gran
escala.57 En julio de 2012, las plantas fotovoltaicas más grandes del mundo eran, por este orden:57
Proyecto País Potencia
Agua Caliente Solar Project Estados Unidos 247 MW
Charanka Solar Park India 214 MW
Golmud Solar Park China 200 MW
Perovo Solar Park Ucrania 100 MW
Sarnia Photovoltaic Power Plant Canadá 97 MW
Brandenburg-Briest Solarpark Alemania 91 MW
Solarpark Finow Tower Alemania 84.7 MW
Montalto di Castro Photovoltaic Power Station Italia 84.2 MW
Proyecto País Potencia
Eggebek Solar Park Alemania 83.6 MW
Senftenberg Solarpark Alemania 82 MW
Finsterwalde Solar Park Alemania 80.7 MW
Okhotnykovo Solar Park Ucrania 80 MW
Lopburi Solar Farm Tailandia 73.16 MW
Rovigo Photovoltaic Power Plant Italia 72 MW
Lieberose Photovoltaic Park Alemania 71.8 MW
Actualmente hay también otras muchas plantas aún mayores en construcción. Las plantas Desert
Sunlight Solar Farm en Riverside County y Topaz Solar Farm en San Luis Obispo County (ambas
en California, Estados Unidos) tendrán una potencia de 550 MW.120 El proyecto Blythe Solar
Power consiste en una planta fotovoltaica de 500 MW, situada también en Riverside County. Por su
parte, elCalifornia Valley Solar Ranch (CVSR) es una planta de 250 MW actualmente en construcción en
el valle de California.121 En 2013 se completará también el proyecto de First Solar en Antelope Valley, en
el desierto de Mojave.122 Otro proyecto, Mesquite Solar, cuya primera fase tendrá una capacidad de 150
MW se está construyendo en Arlington (Arizona, Estados Unidos).123
En lo que respecta a instalaciones sobre cubierta, en junio de 2008 General Motors anunció la
construcción de la que hasta hoy sigue siendo la mayor planta de energía fotovoltaica sobre techo del
mundo en Figueruelas (Zaragoza), con 11,8 MW de potencia. Cuenta con una extensión de 183.000
metros cuadrados y supuso 50 millones de euros de inversión. En el proyecto colaboraron la Comunidad
de Aragón, la empresa francesa Veolia Environnement y el grupo estadounidense Clairvoyant Energy.124
[editar]Plantas de concentración fotovoltaica
Artículo principal: Energía solar fotovoltaica de concentración.
Otro tipo de tecnología en las plantas fotovoltaicas son las que utilizan una tecnología de concentración
llamada CPV por sus siglas en inglés (Concentrated Photovoltaics)125 para maximizar la energía solar
recibida por la instalación, al igual que en una central térmica solar. Las instalaciones de concentración
fotovoltaica se sitúan en emplazamientos de alta irradiación solar directa, como son los países a ambas
riberas del Mediterráneo, Australia, Estados Unidos, China, Sudáfrica, México, etc. Hasta el
año 2006 estas tecnologías formaban parte del ámbito de investigación, pero en los últimos años se han
puesto en marcha instalaciones de mayor tamaño como la de ISFOC (Instituto de Sistemas Solares
Fotovoltaicos de Concentración) en Puertollano (Castilla La Mancha) con 3 MW suministrando
electricidad a la red eléctrica.126 127 128
La idea básica de la concentración fotovoltaica es la sustitución de material semiconductor por material
reflectante o refractante (más barato). El grado de concentración puede alcanzar un factor de 1000,125 de
tal modo que, dada la pequeña superficie de célula solar empleada, se puede utilizar la tecnología más
eficiente (triple unión, por ejemplo). Por otro lado, el sistema óptico introduce un factor de pérdidas que
hace recuperar menos radiación que la fotovoltaica plana. Esto, unido a la elevada precisión de los
sistemas de seguimiento, constituye la principal barrera a resolver por la tecnología de concentración.
Recientemente se ha anunciado el desarrollo de plantas de grandes dimensiones (por encima de 1
MW).129 Las plantas de concentración fotovoltaica utilizan un seguidor de doble eje para posibilitar un
máximo aprovechamiento del recurso solar durante todo el día.
[editar]Componentes de una planta solar fotovoltaica
Una planta solar fotovoltaica cuenta con distintos elementos que permiten su funcionamiento, como son
los paneles fotovoltaicos para la captación de la radiación solar, y los inversores para la transformación
de la corriente continua en corriente alterna.130 Existen otros, los más importantes se mencionan a
continuación:
[editar]Paneles solares fotovoltaicos
Célula fotovoltaica
Artículo principal: Panel fotovoltaico.
Generalmente, un módulo o panel fotovoltaico consiste en una asociación de células, encapsulada en
dos capas de EVA (etileno-vinilo-acetato), entre una lámina frontal de vidrio y una capa posterior de
un polímero termoplástico (frecuentemente se emplea el tedlar) u otra lámina de cristal cuando se desea
obtener módulos con algún grado de transparencia.131 Muy frecuentemente este conjunto es enmarcado
en una estructura de aluminio anodizado con el objetivo de aumentar la resistencia mecánica del
conjunto y facilitar el anclaje del módulo a las estructuras de soporte.131
Las células más comúnmente empleadas en los paneles fotovoltaicos son de silicio, y se puede dividir
en tres subcategorías:
Las células de silicio monocristalino están constituidas por un único cristal de silicio, normalmente
manufacturado mediante el proceso Czochralski.132 Este tipo de células presenta un color azul
oscuro uniforme.
Las células de silicio policristalino (también llamado multicristalino) están constituidas por un
conjunto de cristales de silicio, lo que explica que su rendimiento sea algo inferior al de las células
monocristalinas. Se caracterizan por un color azul más intenso.
Las células de silicio amorfo. Son menos eficientes que las células de silicio cristalino pero también
menos costosas. Este tipo de células es, por ejemplo, el que se emplea en aplicaciones solares
como relojes o calculadoras.133
[editar]Inversores
Un inversor solar instalado en una planta de conexión a red en Speyer, Alemania.
Artículo principal: Inversor (electrónica).
La corriente eléctrica continua que proporcionan los módulos fotovoltaicos se puede transformar
en corriente alterna mediante un aparato electrónico llamado inversor 130 e inyectar en la red
eléctrica (para venta de energía) o bien en la red interior (para autoconsumo).
El proceso, simplificado, sería el siguiente:
Se genera la energía a bajas tensiones (380-800 V) y en corriente continua.
Se transforma con un inversor en corriente alterna.
En plantas de potencia inferior a 100 kW se inyecta la energía directamente a la red de distribución
en baja tensión (230V).
Y para potencias superiores a los 100 kW se utiliza un transformador para elevar la energía a media
tensión (15 ó 25 kV) y se inyecta en las redes de transporte para su posterior suministro.
[editar]Seguidores solares
Planta solar situada en la Base de la Fuerza Aérea Nellis (Nevada, Estados Unidos). Estos paneles siguen el
recorrido del Sol sobre un eje.
Artículo principal: Seguidor solar.
El uso de seguidores a uno o dos ejes permite aumentar considerablemente la producción solar, en
torno al 30% para los primeros y un 6% adicional para los segundos, en lugares de elevada radiación
directa.134 135
Los seguidores solares son bastante comunes en aplicaciones fotovoltaicas.136 Existen de varios tipos:
En dos ejes: la superficie se mantiene siempre perpendicular al Sol.
En un eje polar: la superficie gira sobre un eje orientado al sur e inclinado un ángulo igual a la
latitud. El giro se ajusta para que la normal a la superficie coincida en todo momento con el
meridiano terrestre que contiene al Sol.
En un eje azimutal: la superficie gira sobre un eje vertical, el ángulo de la superficie es constante e
igual a la latitud. El giro se ajusta para que la normal a la superficie coincida en todo momento con
el meridiano local que contiene al Sol.
En un eje horizontal: la superficie gira en un eje horizontal y orientado en dirección norte-sur. El giro
se ajusta para que la normal a la superficie coincida en todo momento con el meridiano terrestre
que contiene al Sol.
[editar]Cableado
Artículo principal: Conductor eléctrico.
Es el elemento que transporta la energía eléctrica desde su generación, para su posterior distribución y
transporte. Su dimensionamiento viene determinado por el criterio más restrictivo entre la máxima caída
de tensión admisible y la intensidad máxima admisible. Aumentar las secciones de conductor que se
obtienen como resultado de los cálculos teóricos aporta ventajas añadidas como:
Líneas más descargadas, lo que prolonga la vida útil de los cables.
Posibilidad de aumento de potencia de la planta sin cambiar el conductor.
Mejor respuesta a posibles cortocircuitos.
Mejora del performance ratio (PR) de la instalación.
[editar]Autoconsumo y Balance neto
Artículo principal: Autoconsumo fotovoltaico.
Artículo principal: Balance neto.
Instalación fotovoltaica sobre tejado en una residencia de Boston (Massachusetts, Estados Unidos).
El autoconsumo fotovoltaico consiste en la producción individual a pequeña escala de electricidad para
el propio consumo, a través depaneles solares fotovoltaicos. Ello se puede complementar con el balance
neto. Este esquema de producción, que permite compensar el consumo eléctrico mediante lo generado
por una instalación fotovoltaica en momentos de menor consumo, ya ha sido implantado con éxito en
muchos países. Fue propuesto en España por la asociación fotovoltaica ASIF para promover
la electricidad renovable sin necesidad de apoyo económico adicional.137 El balance neto estuvo en fase
de proyecto por el IDAE.138 Actualmente está recogido en elPlan de Energías Renovables 2011-2020.139
Entre las ventajas del autoconsumo respecto al consumo de la red se encuentran las siguientes.
Con el abaratamiento de los sistemas de autoconsumo y el encarecimiento de las tarifas eléctricas,
cada vez es más rentable que uno mismo produzca su propia electricidad.16
Se reduce la dependencia de las compañías eléctricas.
Los sistemas de autoconsumo fotovoltaicos utilizan la energía solar, una fuente gratuita, inagotable,
limpia y respetuosa con el medioambiente.
Se genera un sistema distribuido de generación eléctrica que reduce la necesidad de invertir en
nuevas redes y reduce las pérdidas de energía por el transporte de la electricidad a través de la
red.140
Se reduce la dependencia energética del país con el exterior.
Se evitan problemas para abastecer toda la demanda en hora punta, conocidos por los cortes de
electricidad y subidas de tensión.
Se minimiza el impacto de las instalaciones eléctricas en su entorno.
[editar]Eficiencia y costos
Artículo principal: Paridad de red.
Cronología de las eficiencias de conversión logradas en células solares fotovoltaicas (fuente: National Renewable
Energy Laboratory de Estados Unidos)
Evolución del precio de las células fotovoltaicas de silicio cristalino (en $/Wp) entre 1977 y 2013 (fuente: Bloomberg
New Energy Finance)
Las eficiencias de las células solares varían entre el 6% de aquellas basadas en silicio amorfo hasta el
44% de lascélulas multiunión.141 Las eficiencias de conversión de las células solares que se utilizan en
los módulos fotovoltaicos comerciales (de silicio monocristalino o policristalino) se encuentran en torno
al 14-22%.142 143
El coste de las células solares de silicio cristalino ha descendido desde 76,67 $/Wp en 1977 hasta
aproximadamente 0,74 $/Wp en 2013.144 Esta tendencia sigue la llamada "ley de Swanson", una
predicción similar a la conocida Ley de Moore, que establece que los precios de los módulos solares
descienden un 20% cada vez que se duplica la capacidad de la industria fotovoltaica.145
En 2011, el precio de los módulos solares se había reducido en un 60% desde el verano de 2008,
colocando a la energía solar por primera vez en una posición competitiva con el precio de la electricidad
pagado por el consumidor en un buen número de países soleados; también se ha publicado una cifra
similar, igualmente consistente, de una bajada del 75% desde 2007 a 2012,146 aunque no se aclara si
esta cifra se refiere específicamente a Estados Unidos o es global. En cualquier caso, el coste medio de
generación eléctrica de la energía solar fotovoltaica es ya competitivo con el de las fuentes
convencionales de energía en una creciente lista de países,147 particularmente cuando se considera la
hora de generación de dicha energía, ya que la electricidad es usualmente más cara durante el
día.148 Se ha producido una dura competencia en la cadena de producción, y asimismo se esperan
mayores caídas del coste de la energía fotovoltaica en los próximos años, lo que supone una creciente
amenaza al dominio de las fuentes de generación basadas en las energías fósiles.149 Conforme pasa el
tiempo, las tecnologías de generación renovable son generalmente más baratas,150 151 mientras que las
energías fósiles se vuelven más caras:
Cuanto más desciende el coste de la energía solar fotovoltaica, más favorablemente compite con las fuentes
de energía convencionales, y más atractiva es para los usuarios de electricidad en todo el mundo. La
fotovoltaica a pequeña escala puede utilizarse en California a precios de $100/MWh ($0,10/kWh) por debajo
de la mayoría de otros tipos de generación, incluso aquellos que funcionan mediante gas natural de bajo
coste. Menores costes en los módulos fotovoltaicos también suponen un estímulo en la demanda de
consumidores particulares, para los que el coste de la fotovoltaica se compara ya favorablemente al de los
precios finales de la energía eléctrica convencional.152
En 2011, el coste de la fotovoltaica había caído bastante por debajo del de la energía nuclear, y se
espera que siga cayendo:153
Para instalaciones a gran escala, ya se han alcanzado precios por debajo de 1 $/Watio. Por ejemplo, en abril
de 2012 se publicó un precio de módulos fotovoltaicos a 0,60 Euros/Watio (0,78 $/Watio) en un acuerdo
marco de 5 años.154 En algunas regiones, la energía fotovoltaica ha alcanzado la paridad de red, que se define
cuando los costes de producción fotovoltaica se encuentran al mismo nivel, o por debajo, de los precios de
electricidad que paga el consumidor final (aunque en la mayor parte de las ocasiones todavía por encima de
los costes de generación en las centrales de carbón o gas, sin contar con la distribución y otros costes
inducidos). La energía fotovoltaica se genera durante un período del día muy cercano al pico de demanda (lo
precede) en sistemas eléctricos que hacen gran uso del aire acondicionado. Más generalmente, es evidente
que, con un precio de carbón de 50 $/tonelada, que eleva el precio de las plantas de carbón a 5 cent./kWh, la
energía fotovoltaica será competitiva en la mayor parte de los países. El precio a la baja de los módulos
fotovoltaicos se ha reflejado rápidamente en un creciente número de instalaciones, acumulando en todo 2011
unos 23 GW instalados ese año. Aunque se espera cierta consolidación en 2012, debido a recortes en el
apoyo económico en los importantes mercados de Alemania e Italia, el fuerte crecimiento muy probablemente
continuará durante el resto de la década. De hecho, ya en un estudio se mencionaba que la inversión total en
energías renovables en 2011 había superado las inversiones en la generación eléctrica basada en el
carbón.153
El Presidente de Estados Unidos Barack Obama pronuncia un discurso durante la inauguración de una planta solar
fotovoltaica, el 27 de mayo de 2009.
En el caso del autoconsumo fotovoltaico, el tiempo de retorno de la inversión se calcula en base a
cuánta electricidad se deja de consumir de la red, debido al empleo de paneles fotovoltaicos.
Por ejemplo, en Alemania, con precios de la electricidad en 0,25 €/kWh y una insolación de 900
kWh/kW, una instalación de 1 kWp ahorra unos 225 € al año, lo que con unos costes de instalación de
1.700 €/kWp significa que el sistema se amortizará en menos de 7 años.155 Esta cifra es aún menor en
países como España, con una irradiación superior a la existente en el norte del continente europeo.40
La tendencia es que los precios disminuyan aun más con el tiempo una vez que los componentes
fotovoltaicos han entrado en una clara y directa fase industrial.156
[editar]Energía fotovoltaica de capa fina o Thin film
Artículo principal: Célula solar de película fina.
Otra alternativa de bajo coste a las células de silicio cristalino es la energía fotovoltaica de capa o
película fina que está basada en las células solares de tercera generación.157 Consisten en una célula
solar que se fabrica mediante el depósito de una o más capas delgadas (película delgada) de material
fotovoltaico en un sustrato.
Las células solares de película delgada suelen clasificarse según el material fotovoltaico utilizado:
Silicio amorfo (a-Si) y otros silicios de película delgada (TF-Si)158
Teluro de cadmio (CdTe)159
Cobre indio galio y seleniuro (CIS o CIGS)160
Células solares sensibilizadas por colorante (DSC)161 y otras células solares orgánicas.162
La Conferencia Internacional Energía Solar de Bajo Coste de Sevilla, realizada en febrero de 2009, fue
el primer escaparate en España de las mismas.163 Esta tecnología causó grandes expectativas en sus
inicios. Sin embargo, la fuerte caída en el precio de las células y los módulos de silicio
policristalino desde finales de 2011 ha provocado que algunos fabricantes de capa fina se hayan visto
obligados a abandonar el mercado, mientras que otros han visto muy reducidos sus beneficios.164
[editar]Reciclaje de módulos fotovoltaicos
Al finalizar su vida útil, la mayor parte de los paneles fotovoltaicos puede ser tratada. Gracias a las
innovaciones tecnológicas que se han desarrollado en los últimos años, se puede recuperar hasta el
95% de ciertos materiales semiconductores y el vidrio, así como grandes cantidades de metales
ferrosos y no ferrosos utilizados en los módulos.165 Algunas empresas privadas166 y organizaciones sin
fines de lucro, como por ejemplo PV CYCLE en la Unión Europea, están actualmente trabajando en las
operaciones de recogida y reciclaje de paneles al final de su vida útil.
Dos de las soluciones de reciclaje más comunes son:
Paneles de silicio: Los marcos de aluminio y las cajas de conexión son desmantelados
manualmente al comienzo del proceso. El panel se tritura y las diferentes fracciones se separan -
vidrio, plásticos y metales. Es posible recuperar más de 80% del peso entrante y, por ejemplo, el
cristal mixto extraído es fácilmente aceptado por la industria de la espuma de vidrio el aislamiento.
Este proceso puede ser realizado por los recicladores de vidrio plano ya que la morfología y
composición de un panel fotovoltaico es similar al cristal plano utilizado en la industria de la
construcción y del automóvil.
Paneles de otros materiales: Hoy en día contamos con tecnologías específicas para el reciclaje de
paneles fotovoltaicos que no contienen silicio, alguna técnicas utilizan baños químicos para separar
los diferentes materiales semiconductores. Para los paneles de teluro de cadmio, el proceso de
reciclaje empieza por aplastar el módulo y, posteriormente, separar las diferentes partes. Este
proceso de reciclaje está diseñado para recuperar hasta un 90% del vidrio y 95% de los materiales
semiconductores.167 En los últimos años, algunas empresas privadas han puesto en marcha
instalaciones de reciclaje a escala comercial.
Desde 2010 se celebra una conferencia anual en Europa que reúne a productores, recicladores e
investigadores para debatir el futuro del reciclaje de módulos fotovoltaicos. En 2012 tuvo lugar
enMadrid.168 169
Energía solar térmicaArtículo principal: Energía solar.
Sistema de energía solar térmica para el calentamiento de agua en Santorini, Grecia.
La energía solar térmica o energía termosolar consiste en el aprovechamiento de
la energía del Sol para producir calor que puede aprovecharse para cocinar alimentos o para la
producción de agua caliente destinada al consumo de agua doméstico, ya sea agua caliente
sanitaria, calefacción, o para producción de energía mecánica y, a partir de ella, de energía eléctrica.
Adicionalmente puede emplearse para alimentar una máquina derefrigeración por absorción, que
emplea calor en lugar de electricidad para producir frío con el que se puede acondicionar el aire de los
locales.
Los colectores de energía solar térmica están clasificados como colectores de baja, media y alta
temperatura. Los colectores de baja temperatura generalmente son placas planas usadas para calentar
agua. Los colectores de temperatura media también usualmente son placas planas usadas para calentar
agua o aire para usos residenciales o comerciales. Los colectores de alta temperatura concentran la luz
solar usando espejos olentes y generalmente son usados para la producción de energía eléctrica. La
energía solar térmica es diferente y mucho más eficiente1 2 3 que laenergía solar fotovoltaica, la que
convierte la energía solar directamente en electricidad. Mientras que las instalaciones generadoras
proporcionan solo 600 megawatts de energía solar térmica a nivel mundial a octubre de 2009,nota 1 otras
centrales están bajo construcción por otros 400 megawatts y se están desarrollando otros proyectos
de electricidad solar de concentración por un total de 14000 megawatts.4
Generación de agua caliente con una instalación de circuito cerrado.
Índice
[ocultar]
1 Agua caliente sanitaria (ACS)
2 Calefacción y frío solar
3 Componentes de la instalación
o 3.1 Captadores solares
3.1.1 Captadores solares de placa plana
3.1.2 Captadores solares de tubos de vacío "todo vidrio", sin tubo de cobre
3.1.3 Captadores solares de tubos de vacío con "tubos de calor" por cambio de fase, con tubo de cobre
o 3.2 Circuito primario
o 3.3 Intercambiador de calor
o 3.4 Acumulador
o 3.5 Circuito secundario
o 3.6 Bombas
o 3.7 Vaso de expansión
o 3.8 Tuberías
o 3.9 Panel de control
4 Equipos
5 Amortización
6 Tipología
7 Colectores de baja temperatura
o 7.1 Calor para procesos
8 Colectores de temperatura media
o 8.1 Secado solar
o 8.2 Cocción mediante energía solar térmica
o 8.3 Destilación
9 Colectores de alta temperatura
o 9.1 Diseños cilíndrico-parabólicos
o 9.2 Diseños con torres
9.2.1 Ejemplos de centrales construidas
o 9.3 Diseños de disco
9.3.1 Ejemplos de centrales construidas
o 9.4 Reflectores Fresnel
9.4.1 Ejemplos de centrales construidas
o 9.5 Tecnologías de reflectores lineales Fresnel
o 9.6 Lentes Fresnel
o 9.7 Cilíndrico parabólico cerrado
o 9.8 Hornos solares
10 Acumulación e intercambio de calor
11 Almacenamiento de calor
o 11.1 Acumulador de vapor
o 11.2 Almacenamiento en sal fundida
o 11.3 Almacenamiento de calor en grafito
o 11.4 Uso de materiales con cambio de fase para almacenamiento
12 Uso del agua
13 Tasas de conversión desde energía solar a energía eléctrica
14 Coste normalizado
15 Véase también
16 Referencias
17 Notas
18 Enlaces externos
[editar]Agua caliente sanitaria (ACS)
En cuanto a la generación de agua caliente para usos sanitarios (también llamada "agua de manos"),
hay dos tipos de instalaciones de los comunmente llamados calentadores o calefones solares: las de
circuito abierto y las de circuito cerrado. En las primeras, el agua de consumo pasa directamente por
los colectores solares. Este sistema reduce costos y es más eficiente (energéticamente hablando), pero
presenta problemas en zonas con temperaturas por debajo del punto de congelación del agua, así como
en zonas con alta concentración de sales que acaban obstruyendo los paneles. En las instalaciones de
circuito cerrado se distinguen dos sistemas: flujo por Termosifón y flujo forzado. Los paneles solares
térmicos tienen un muy bajo impacto ambiental.
[editar]Calefacción y frío solar
La energía solar térmica puede utilizarse para dar apoyo al sistema convencional de calefacción
(caldera de gas o eléctrica), apoyo que consiste entre el 10% y el 20% de la demanda energética de la
calefacción. Para ello, la instalación o caldera ha de contar con intercambiador de placas (funciona de
forma similar al baño María, ya que el circuito de la caldera es cerrado) y un regulador(que dé prioridad
en el uso del agua caliente para ser empleada en agua de manos).
[editar]Componentes de la instalación
Una instalación Solar Térmica está formada por captadores solares, un circuito primario y secundario,
intercambiador de calor, acumulador, vaso de expansión y tuberías. Si el sistema funciona
por Termosifón sera la diferencia de densidad por cambio de temperatura la que moverá el liquido. Si el
sistema es forzado entonces necesitaremos además: bombas y un panel de control principal.
[editar]Captadores solares
Los captadores solares son los elementos que capturan la radiación solar y la convierten en energía
térmica, en calor. Como captadores solares se conocen los de placa plana, los de tubos de vacío y los
captadores absorbedores sin protección ni aislamiento. Los sistemas de captación planes (o de placa
plana) con cubierta de vidrio son los comunes mayoritariamente en la producción de agua caliente
sanitaria ACS. El vidrio deja pasar los rayos del Sol, estos calientan unos tubos metálicos que
transmiten el calor al líquido de dentro. Los tubos son de color oscuro, ya que las superficies oscuras
calientan más.
El vidrio que cubre el captador no sólo protege la instalación sino que también permite conservar el calor
produciendo un efecto invernadero que mejora el rendimiento del captador.
Están formados de una carcasa de aluminio cerrada y resistente a ambientes marinos, un marco de
aluminio eloxat, una junta perimetral libre de siliconas, aislante térmico respetuoso con el medio
ambiente de lana de roca, cubierta de vidrio solar de alta transparencia , y finalmente por tubos soldados
ultrasónicos.
Los colectores solares se componen de los siguientes elementos:
Cubierta: Es transparente, puede estar presente o no. Generalmente es de vidrio aunque también
se utilizan de plástico ya que es menos caro y manejable, pero debe ser un plástico especial. Su
función es minimizar las pérdidas por convección y radiación y por eso debe tener
una transmitancia solar lo más alta posible.
Canal de aire: Es un espacio (vacío o no) que separa la cubierta de la placa absorbente. Su
espesor se calculará teniendo en cuenta para equilibrar las pérdidas por convección y las altas
temperaturas que se pueden producir si es demasiado estrecho.
Placa absorbente: La placa absorbente es el elemento que absorbe la energía solar y la transmite
al líquido que circula por las tuberías. La principal característica de la placa es que tiene que tener
una gran absorción solar y una emisión térmica reducida. Como los materiales comunes no
cumplen con este requisito, se utilizan materiales combinados para obtener la mejor relación
absorción / emisión.
Tubos o conductos: Los tubos están tocando (a veces soldadas) la placa absorbente para que el
intercambio de energía sea lo más grande posible. Por los tubos circula el líquido que se calentará
e irá hacia el tanque de acumulación.
Capa aislante: La finalidad de la capa aislante es recubrir el sistema para evitar y minimizar
pérdidas. Para que el aislamiento sea el mejor posible, el material aislante deberá tener una baja
conductividad térmica.
[editar]Captadores solares de placa plana
El alma del sistema es una verja vertical de tubos metálicos, para simplificar, que conducen el agua fría
en paralelo, conectados por abajo por un tubo horizontal en la toma de agua fría y por arriba por otro
similar al retorno.
La parrilla viene encajada en una cubierta, como la descrita más arriba, normalmente con doble vidrio
para arriba y aislante por detrás.
En algunos modelos, los tubos verticales están soldados a una placa metálica para aprovechar la
insolación entre tubo y tubo.
[editar]Captadores solares de tubos de vacío "todo vidrio", sin tubo de cobre
En este sistema los tubos metálicos del sistema precedente se sustituyen por tubos de vidrio,
introducidos, de uno en uno, en otro tubo de vidrio entre los que se hace el vacío como aislamiento. Las
grandes ventajas que presentan estos tipos de captadores son su alto rendimiento (196% más eficientes
que las placas planas)[cita requerida] y que, en caso de que uno de los tubos se estropeara, no hay que
cambiar todo el panel por uno nuevo, sino que sólo hay que cambiar el tubo afectado. Además son más
baratos en su fabricación, ya que los nuevos tubos son 100% cristal borosilicato y no utilizan tubo de
cobre, lo que reduce los costes anteriormente mencionados.
[editar]Captadores solares de tubos de vacío con "tubos de calor" por cambio de
fase, con tubo de cobre
Este sistema aprovecha el cambio de fase de vapor a líquido dentro de cada tubo, para entregar energía
a un segundo circuito de líquido de transporte.
Los elementos son tubos cerrados, normalmente de cobre, que contienen el líquido que, al calentarse
por el sol, hierve y se convierte en vapor que sube a la parte superior donde hay un cabezal más ancho
(zona de condensación), que en la parte exterior está en contacto con líquido transportador, que siendo
más frío que el vapor del tubo en capta el calor y provoca que el vapor se condense y caiga en la parte
baja del tubo para volver a empezar el ciclo.
El líquido del tubo puede ser agua que, habiendo reducido la presión haciendo un vacío parcial, tendrá
un punto de ebullición bajo para trabajar incluso con la insolación de los rayos infrarrojos en caso de
nube.
El tubo de calor (o tubo de cobre) se puede envolver con una chaqueta de materiales especiales para
minimizar las pérdidas por irradiación.
El tubo de calor se cierra dentro de otro tubo de vidrio entre los que se hace el vacío para aislar. Se
suelen emplear tubos de vidrio resistente, para reducir los daños en caso de pequeñasgranizadas.
Hasta un 163% más de eficiencia que las placas planas con serpentin e igualmente más baratos en su
fabricación con respecto las placas planas, pues el precio del cristal es más bajo que el cobre del
serpentin que contiene la placa plana.
[editar]Circuito primario
El circuito primario, es circuito cerrado, transporta el calor desde el captador hasta el acumulador
(sistema que almacena calor). El líquido calentado (agua o una mezcla de sustancias que puedan
transportar el calor) lleva el calor hasta el acumulador. Una vez enfriado, vuelve al colector para volver a
calentar, y así sucesivamente.
[editar]Intercambiador de calor
El intercambiador de calor calienta el agua de consumo a través del calor captado de la radiación solar.
Se sitúa en el circuito primario, en su extremo. Tiene forma de serpentín, ya que así se consigue
aumentar la superficie de contacto y por lo tanto, la eficiencia.
El agua que entra en el acumulador, siempre que esté más fría que el serpentín, se calentará. Esta
agua, calentada en horas de sol, nos quedará disponible para el consumo posterior.
[editar]Acumulador
El acumulador es un depósito donde se acumula el agua calentada útil para el consumo. Tiene una
entrada para el agua fría y una salida para la caliente. La fría entra por debajo del acumulador donde se
encuentra con el intercambiador, a medida que se calienta se desplaza hacia arriba, que es desde
donde saldrá el agua caliente para el consumo.
Internamente dispone de un sistema para evitar el efecto corrosivo del agua caliente almacenada sobre
los materiales. Por fuera tiene una capa de material aislante que evita pérdidas de calor y está cubierto
por un material que protege el aislamiento de posibles humedades y golpes.
[editar]Circuito secundario
El circuito secundario o de consumo, (circuito abierto), entra agua fría de suministro y por el otro
extremo del agua calentada se consume (ducha, lavabo, ...). El agua fría pasa por el acumulador
primeramente, donde calienta el agua caliente hasta llegar a una cierta temperatura. Las tuberías de
agua caliente del exterior, deben estar cubiertas por aislantes.
Si nuestro consumo incluye calefacción, el sistema emisor de calor (radiadores (60 °C), fan-
coil(45 °C), suelo radiante(30 °C), zócalo radiante, muro radiante, …) que es más conveniente utilizar es
el de baja temperatura (<=50 °C), de esta manera el sistema solar de calefacción tiene mayor
rendimiento.5
No obstante, se pueden instalar sistemas que no son de baja temperatura, para así emplear radiadores
convencionales.
[editar]Bombas
Las bombas, en caso de que la instalación sea de circulación forzada, son de tipo recirculación (suele
haber dos por circuito), trabajando una la mitad del día, y la pareja, la mitad del tiempo restante. La
instalación consta de los relojes que llevan el funcionamiento del sistema, hacen el intercambio de las
bombas, para que una trabaje las 12 horas primeras y la otra las 12 horas restantes. Si hay dos bombas
en funcionamiento, hay la ventaja que en caso de que una deje de funcionar, está la sustituta, de modo
que así no se puede parar el proceso ante el fallo de una de estas. El otro motivo a considerar, es que
gracias a este intercambio la bomba no sufre tanto, sino que se la deja descansar, enfriar, y cuando
vuelve a estar en buen estado (después de las 12 horas) se vuelve a poner en marcha. Esto ocasiona
que las bombas puedan alargar durante más el tiempo de funcionamiento sin tener que hacer ningún
tipo de mantenimiento previo.
En total y tal como se define anteriormente, suele haber 4 bombas, dos en cada circuito. Dos en el
circuito primario que bombean el agua de los colectores y las otras dos en el circuito secundario que
bombean el agua de los acumuladores, en el caso de una instalación de tipo circulación forzada.
[editar]Vaso de expansión
El vaso de expansión absorbe variaciones de volumen del fluido caloportador, el cual circula por los
conductos del captador, manteniendo la presión adecuada y evitando pérdidas de la masa del fluido. Es
un recipiente con una cámara de gas separada de la de líquidos y con una presión inicial en función de
la altura de la instalación.
Lo que más se utiliza es con vaso de expansión cerrado con membrana, sin transferencia de masa en el
exterior del circuito.
[editar]Tuberías
Las tuberías de la instalación se encuentran recubiertas de un aislante térmico para evitar pérdidas de
calor con el entorno. Antiguamente se utilizaban tuberias de cobre. Hoy día existen en el mercado tubos
PEX-AL-PEX, consistentes en tres capas plástico-aluminio-plástico, mucho más baratos y con mayor
vida útil que la tubería de cobre tradicional.
[editar]Panel de control
Se dispone también de un panel principal de control en la instalación, donde se muestran las
temperaturas en cada instante (un regulador térmico), de manera que pueda controlarse el
funcionamiento del sistema en cualquier momento. Aparecen también los relojes encargados del
intercambio de bombas.
Durante el verano, se pueden cubrir las placas, a fin de evitar que se estropeen por las altas
temperaturas o bien se pueden utilizar para producir frío solar (aire acondicionado frío).
[editar]Equipos
Artículo principal: Energía solar.
Especialmente populares son los equipos domésticos compactos, compuestos típicamente por un
depósito de unos 150 litros de capacidad y un colector de unos 2 m². Estos equipos, disponibles tanto
con circuito abierto como cerrado, pueden suministrar el 90% de las necesidades de agua caliente anual
para una familia de 4 personas, dependiendo de la radiación y el uso. Estos sistemas evitan la emisión
de hasta 4,5 toneladas de gases nocivos para la atmósfera. El tiempo aproximado de retorno
energético (tiempo necesario para ahorrar la energía empleada en fabricar el aparato) es de un año y
medio aproximadamente. La vida útil de algunos equipos puede superar los 25 años con un
mantenimiento mínimo, dependiendo de factores como la calidad del agua.
Calefón solar termosifónico compacto de Agua Caliente Sanitaria.
Estos equipos pueden distinguirse entre:
Equipos de Circulación forzada: Compuesto básicamente de captadores, un acumulador solar, un grupo
hidráulico, una regulación y un vaso de expansión.
Equipos por Termosifón: Cuya mayor característica es que el acumulador se sitúa en la cubierta, encima
del captador.
Equipos con Sistema Drain-Back: Un sistema compacto y seguro, muy apropiado para viviendas
unifamiliares.
Es habitual encontrarse con instalaciones en las que el acumulador contiene una resistencia eléctrica de
apoyo, que actúa en caso de que el sistema no sea capaz de alcanzar la temperatura de uso
(normalmente 40 °C); en España esta opción ha quedado prohibida tras la aprobación del CTE (Código
Técnico de la Edificación) ya que el calor de la resistencia puede, si el panel esta más frío que el
acumulador integrado, calentar el panel y perder calor, y por lo tanto energía, a través de él. En algunos
países se comercializan equipos que utilizan el gas como apoyo.
Las características constructivas de los colectores responden a la minimización de las pérdidas de
energía una vez calentado el fluido que transcurre por los tubos, por lo que se encuentran aislamientos
a la conducción (vacío u otros) y a la rerradiación de baja temperatura.
Además de su uso como agua caliente sanitaria, calefacción y refrigeración (mediante máquina
de absorción), el uso de placas solares térmicas (generalmente de materiales baratos como
elpolipropileno) ha proliferado para el calentamiento de piscinas exteriores residenciales, en países
donde la legislación impide el uso de energías de otro tipo para este fin.
[editar]Amortización
En muchos países hay subvenciones para el uso doméstico de energía solar, en cuyos casos una
instalación doméstica puede amortizarse en unos 5 o 6 años. El 29 de septiembre de 2006 entró en
vigor en España el Código Técnico de la Edificación, que establece la obligatoriedad de implantar
sistemas de agua caliente sanitaria (ACS) con energía solar en todas las nuevas edificaciones, con el
objetivo de cumplir con el protocolo de Kioto, pero que olvida la calefacción, que se recoge en
las ordenanzas solares de los Ayuntamientos.
[editar]Tipología
[editar]Colectores de baja temperatura
El colector solar plano es el aparato más representativo de la tecnología solar fototérmica. Su principal
aplicación es en el calentamiento de agua para baño y albercas, aunque también se utiliza para secar
productos agropecuarios mediante el calentamiento de aire y para destilar agua en comunidades rurales
principalmente.
Esta constituido básicamente por:
Marco de aluminio anodizado.
Cubierta de vidrio templado, bajo contenido en hierro.
Placa absorbedora. Enrejado con aletas de cobre.
Cabezales de alimentación y descarga de agua.
Aislante, usualmente poliestireno, o unicel.
Caja del colector, galvanizada.
Para la mayoría de los colectores solares se tienen dimensiones características. En términos generales
la unidad básica consiste de un colector plano de 1,8 a 2,1 m2 de superficie, conectado a un
termotanque de almacenamiento de 150 a 200 litros de capacidad; a este sistema frecuentemente se le
añaden algunos dispositivos termostáticos de control a fin de evitar congelamientos y pérdidas de calor
durante la noche. Las unidades domésticas funcionan mediante el mecanismo de termosifón, es decir,
mediante la circulación que se establece en el sistema debido a la diferencia de temperatura de las
capas de líquido estratificadas en el tanque de almacenamiento. Para instalaciones industriales se
emplean varios módulos conectados en arreglos serie-paralelo, según el caso, y se emplean bombas
para establecer la circulación forzada.
[editar]Calor para procesos
Artículos principales: Estanque Solar, Salina y Horno solar.
Piscinas de evaporación solar en elDesierto de Atacama.
Los sistemas de calefacción solar para procesos están diseñados para proporcionar grandes
cantidades de agua caliente o calefacción de espaciospara edificios de uso no residencial.6
Las piscinas de evaporación son piscinas de baja profundidad que concentran sólidos disueltos a través
de la evaporación. El uso de piscinas de evaporación para obtener sal del agua salada es una de las
aplicaciones más antiguas de la energía solar. Los usos modernos incluyen la concentración de
soluciones de salmueras usadas en la minería por lixiviación y la remoción de sólidos disueltos de los
flujos de desechos. En conjunto, las piscinas de evaporación representan una de las aplicaciones
comerciales más grandes de la energía solar actualmente en uso.7
Los colectores transpirados sin vidrios (en inglés: Unglazed Transpired Collectors, UTC) son muros
perforados que enfrentan al sol usados para precalentar el aire de ventilación. Los UTC pueden
aumentar la temperatura del aire hasta 22 °C y son capaces de entregar temperaturas de salida entre
45-60 °C. El corto período de amortización de los colectores transpirados (entre 3 a 12 años) los hacen
una alternativa más costo-efectiva que los sistemas de recolección vidriados. Al año 2009, se han
instalado mundialmente sobre 1.500 sistemas con un área de colectores total de 300.000 m2. Ejemplos
típicos incluyen un colector de 860 m2 en Costa Rica usado para secar granos de café y un colector de
1.300 m2 en Coimbatore, India usado para secar caléndulas.8 9
Una instalación de procesamiento de comida ubicada en Modesto, California usa cilindros parabólicos
para producir vapor uado en el proceso de fabricación. Se espera que el area de colectores de 5.000
m2 proporcione 15 TJ por año.10
[editar]Colectores de temperatura media
Las instalaciones de temperatura media pueden usar varias diseños, los diseños más comunes
son: glicol a presión, drenaje trasero, sistemas de lote y sistemas más nuevos de baja presión tolerantes
al congelamiento que usan tuberías de polímero que contienen agua con bombeo fotovoltaico. Los
estándares europeos e internacionales están siendo revisados para incluir las innovaciones en diseño y
la operación de colectores de temperatura media. Las innovaciones operacionales incluyen la operación
de "colectores permanentemente húmedos". Esta técnica reduce o incluso elimina la ocurrencia de
tensiones de no flujo de alta temperatura conocidas como estancamiento, las que reducen la vida
esperada de estos colectores.
[editar]Secado solar
La energía térmica solar puede ser útil para el secado de madera para la construcción y de madera para
combustible tales como chps de madera para la combustión. También es usada para secar alimentos
tales como frutas, granos y pescados. El secado de cultivos por medio de la energía solar térmica es
ambientalmente amigable así como económica mientras que mejora la calidad del resultado. Las
tecnologías en secado solar incluyen colectores de placas transpiradas de aire bombeadas de bajo
costo basados en telas negras. La energía térmica solar también es útil en el proceso de secado de
productos tales como chips de madera y otras formas de biomasa elevando la temperatura mientras que
permiten que el aire pase a través de ella y saquen lahumedad.11
[editar]Cocción mediante energía solar térmica
Artículo principal: Cocina solar.
El tazón solar sobre la cocina solar en Auroville, India concentra la luz del sol en un receptor móvil para
producir vapor que será usado en tareas de cocción de alimentos.
Las cocinas solares usan la luz del sol para cocinar, secar y pasteurización. La cocina solar reduce el
consumo de combustible, ya sea combustibles fósiles o leña, y mejora la calidad del aire reduciendo o
removiendo la fuente de humo.
La forma más simple de cocina solar es la caja de cocción que fue construida por primera vez
por Horace-Bénédict de Saussure en el año 1767. Un caja de cocción básica consiste de un contenedor
aislado con una tapa transparente. Estas cocinas pueden ser usadas efectivamente con cielos
parcialmente cubiertos y normalmente alcanzan temperaturas de entre 50–100 °C.12 13
Las cocinas solares de concentración usan reflectores para concentrar la energía solar en un
contenedor de cocción. Las geometrías de reflector más comunes son las placas planas, de disco y
cilíndrico-parabólicas. Estos diseños cocinan más rápido y a temperaturas más altas (hasta los 350 °C)
pero requieren de luz solar directa para funcionar en forma adecuada.
La Cocina Solar en Auroville, India usa una tecnología de concentración única conocida como el tazón
solar. Al contrario de los sistemas de convencionales de receptores fijos o de reflectores de seguimiento,
el tazón solar usa un reflector esférico fijo con un receptor que sigue el foco de luz a medida de que el
sol cruza el cielo. El receptor del tazón solar alcanza temperaturas de 150 °C que es usado para
producir vapor que ayuda a la cocción de 2000 raciones diarias.14
Muchas otras cocinas solares en India usan otra tecnología de concentración única conocida como
el reflector Scheffler. Está tecnología fue desarrollada por primera vez por Wolfgang Scheffleren el año
1986. Un reflector Scheffler es un disco parabólico que usa un solo eje de seguimiento para perseguir el
curso diario del sol. Estos reflectores tienen una superficie reflectante flexible que es capaz de cambiar
su curvatura para ajustarse a las variaciones estacionales en el ángulo de incidencia de la luz solar. Los
reflectores Scheffler tienen la ventaja de tener un punto focal fijo lo que mejora la facilidad de cocción y
son capaces de alcanzar temperaturas de entre 450 a 650 °C.15 En el año 1999 en Abu
Road, Rajasthan, India se construyó el sistema de reflectores Scheffler más grande del mundo, este es
capaz de cocinar hasta 35.000 raciones diarias.16 A principios del año 2008 han sido fabricadas sobre
2000 grandes cocinas, que usan el diseño Scheffler, a nivel mundial.17
[editar]Destilación
Los destiladores solares pueden ser usado para procesar agua potable en áreas donde el agua limpia
no es común. La energía solar calienta el agua en el contenedor, luego el agua se evapora y se
condensa en el fondo de la cubierta de vidrio.11
[editar]Colectores de alta temperatura
El horno solar ubicado en Odeillo en losPirineos Orientales franceses puede alcanzar temperaturas de hasta 3.800
grados celsius.
Planta de energía solar concentrada que usa un diseño parabólico de paso.
Las temperaturas inferiores a 95 grados celsius son suficientes para calefacción de espacios, en ese
caso generalmente se usan colectores planos del tipo no concentradores. Debido a las relativamente
altas pérdidas de calor a través del cristal, los colectores planos no logran alcanzar mucho más de
200 °C incluso cuando el fluido de transferencia está estancado. Tales temperaturas son demasiado
bajas para ser usadas en la conversión eficienteen electricidad.
La eficiencia de los motores térmicos se incrementa con la temperatura de la fuente de calor. Para lograr
esto en las plantas de energía termal, laradiación solar es concentrada por medio de espejos o lentes
para lograr altas temperaturas mediante una técnica llamada electricidad solar de concentración (en
inglés: Concentrated Solar Power, CSP). El efecto práctico de las mayores eficiencias es la reducción
del tamaño de los colectores de la planta y del uso de terreno por unidad de energía generada,
reduciendo el impacto ambiental de una central de potencia así como su costo.
A medida de que la temperatura aumenta, diferentes formas de conversión se vuelven prácticas. Hasta
600 °C, las turbinas de vapor, la tecnología estándar, tienen una eficiencia de hasta 41%, Por sobre los
600 °C, las turbinas de gas pueden ser más eficientes. Las temperaturas más altas son problemáticas y
se necesitan diferentes materiales y técnicas. Uno propuesta para temperaturas muy altas es usar sales
de fluoruro líquidas operando a temperaturas de entre 700 °C a 800 °C, que utilizan sistemas de
turbinas de etapas múltiples para lograr eficiencias termales de 50% o más.18 Las temperaturas más
altas de operación le permiten a la planta usar intercambiadores de calor secos de alta temperatura para
su escape termal, reduciendo el uso de agua de la planta, siendo esto crítico para que las centrales
ubicadas en desiertos sean prácticas. También las altas temperaturas hacen que el almacenamiento de
calor sea más eficiente, ya que se almacenan más watts-horas por unidad de fluido.
Dado que una planta de electricidad solar de concentración (CSP) primero genera calor, puede
almacenar dicho calor antes de convertirlo en electricidad. Con la actual tecnología, el almacenamiento
de calor es mucho más barato que el almacenamiento de electricidad. De esta forma, una planta CSP
pude producir electricidad durante el día y la noche. Si la ubicación de la planta CSP tiene una radiación
solar predecible, entonces la planta se convierte en una central confiable de generación de energía. La
confiabilidad puede ser mejorada aún más al instalar un sistema de respaldo que use un sistema de
combustión interna. Este sistema de respaldo puede usar la mayor parte de las instalaciones de la
planta CSP, lo que hace disminuir el costo del sistema de respaldo.
Superados los temas de confiabilidad, con desiertos desocupados, sin problemas de polución y sin
costos asociados al uso de los combustible fósiles, los principales obstáculos para el despliegue a gran
escala de las centrales CSP son los costos, la contaminación estética, el uso del suelo y factores
similares para las líneas de transmisión eléctrica de alta tensión. Aunque solo se necesita un pequeño
porcentaje de los desiertos para abastecer los requerimientos globales de electricidad, aún esto es un
gran superficie cubierta con espejos o lentes que se necesitan para obtener una cantidad significativa de
energía.
Los sistemas tipo canal parabólico usan reflectores parabólicos en una configuración de canal para
enfocar la radiación solar directa sobre un tubo largo que corre a lo largo de su foco y que conduce al
fluido de trabajo, el cual pude alcanzar temperaturas hasta de 500 °C.
La generación fototérmica de electricidad es actualmente una de las aplicaciones más extensas de la
energía solar en el mundo. Existen más de 2,5 millones de m2 de concentradores solares instalados en
9 plantas Solar Energy Generation System (SEGS) de la Compañía Luz de Israel, que representan 354
MW y más del 85% de la electricidad producida con energía solar. La compañía Luz salió del mercado
en 1991 a causa de la reducción que se dió paralelamente en los costos de los energéticos
convencionales y en los subsidios a los energéticos renovables en los Estados Unidos. Sus plantas
usan aceite sintético como medio de transferencia de calor en el campo de concentradores; como
circuito primario, el calor recogido por el aceite se intercambia posteriormente con agua donde se lleva a
cabo la generación de vapor, el cual a su vez se expande para completar un ciclo Rankine. Durante los
periodos de baja insolación, o bien para nivelar la oferta, se asisten con gas natural.[cita requerida]
Actualmente se ha introducido el ciclo combinado para mejorar la eficiencia termodinámica de estos
sistemas y se estudia la posibilidad de generar directamente el vapor en el campo de concentradores.
Con esto se espera lograr llevar los precios de generación a niveles competitivos con las plantas
termoeléctricas convencionales.
Existen otros sistemas, no comerciales aún, como los de torre central que usan helióstatos (espejos
altamente reflejantes) para enfocar la luz solar, con la ayuda de una computadora y un
servomecanísmo, en un receptor central. Los sistemas parabólicos de plato usan estos reflectores para
concentrar la luz del sol en un receptor montado arriba del plato, en su punto focal.
Durante el día y el año, el sol cambia su posición respecto a un punto en la superficie del planeta. Para
los sistemas de baja temperatura el seguimiento del sol se puede evitar (o limitar a unas pocas
posiciones por año) si se usa óptica no visual.19 Sin embargo, para temperaturas más altas, si los
espejos o lentes no se mueven, el foco de estos cambia, provocando que los ángulos de
aceptación sean poco eficientes, aunque se compensa en parte por el uso de ópticas no visuales. Por
consiguiente es necesario implementar un sistema para seguir la posición del sol, la desventaja de esto
es que incrementa el costo y la complejidad de la planta. Se han ideado diferentes diseñados para
solucionar este problema y que se pueden distinguir en cómo ellos concentran la luz solar y siguen la
posición del sol.
[editar]Diseños cilíndrico-parabólicos
Artículo principal: Concentrador solar cilíndrico-parabólico.
Esquema de un diseño cilíndrico-parabólico. Un cambio de posición del sol que sea paralelo al receptor no requiere
un ajuste de los espejos. Leyenda: Absorber tube: Tubo receptor, Reflecter: Reflector,Solar Field piping: Tuberías del
campo solar.
Las plantas de energía cilíndrico-parabólicos usan un espejo cilíndrico curvado para reflejar la radiación
solar directa sobre un tubo de vidrio que contiene un fluido (también llamado receptor, absorbedor o
colector) ubicado a lo largo del cilindro, posicionado en el punto focal de los reflectores. El cilindro
es parabólico a lo largo de un eje y lineal en el eje ortogonal. El cambio durante el día de la posición del
sol perpendicular al receptor, es seguido inclinando el cilindro de este a oeste de tal forma que la
radiación directa permanece enfocada en el receptor. Sin embargo, los cambios estacionales en el
ángulo de incidencia de la luz solar paralelo al cilindro no requieren ajustar los espejos, dado que
simplemente la radiación solar es concentrada en otra parte del receptor, de esta forma el diseño no
requiere hacer el seguimiento en un segundo eje.
El receptor puede estar encerrado en una cámara al vacío de vidrio. El vacío reduce significativamente
la pérdida de calor por convección.
Un fluido, también llamado fluido de transferencia de calor, pasa a través del receptor y se calienta muy
fuertemente. Los fluidos más comunes sonaceite sintético, sal fundida y vapor presurizado. El fluido que
contiene el calor es transportado a un motor térmico donde aproximadamente un tercio del calor es
transformado en electricidad.
Andasol 1 en Guadix, España usa el diseño cilíndrico-parabólico, el cual consiste de largas filas
paralelas de colectores solares modulares. Estos siguen al Sol desde el este al oeste rotando sobre su
eje, los paneles reflectores de alta precisión concentran la radiación solar sobre una tubería absorbente
localizada a lo largo del eje focal de la línea de colectores. Un medio de transferencia de calor, un aceite
sintético, como en los motores de los automóviles, es hecho circular a través de las tuberías de
absorción a una temperatura de hasta 400 °C y genera vapor bajo presión para propulsar un generador
de turbina de vapor en un bloque de energía convencional.
Los sistemas cilíndrico-parabólico a escala total consisten de muchos de tales cilindros dispuestos en
paralelo sobre una gran área de terreno. Desde el año 1985 el SEGS (en inglés: Solar Energy
Generating Systems, SEGS), un sistema termal solar que usa este diseño, ha estado funcionando a
plena capacidad en California, Estados Unidos.20
El Sistema Solar de Generación de Energía (en inglés: Solar Energy Generating System, SEGS) es un
conjunto de nueve plantas con una capacidad total de 350 MW. Actualmente es el sistema solar
operacional más grande (tanto del tipo termal o no). La planta Nevada Solar One tiene una capacidad de
64 MW. Están en construcción las plantas Andasol 1 y 2 en España, cada planta tiene una capacidad de
50 MW, sin embargo, estas plantas son de un diseño que tiene un sistema de almacenamiento de calor
que requiere un terreno con colectores solares mayor en relación al tamaño del generador y turbina de
vapor para almacenar el calor y enviarlo a las turbinas de vapor al mismo tiempo. El almacenamiento de
calor permite una mejor utilización de las turbinas de vapor. Con una operación diurna y parcialmente
nocturna la turbina de vapor de Andasol 1 con un capacidad de punta de 50 MW produce más energía
que Nevada Solar One con una capacidad de punta de 64 MW, debido al sistema de almacenamiento
de calor y un terreno de colectores más grande que posee la planta de Andasol 1.
Se había propuesto instalar 553 MW adicionales en el Mojave Solar Park, California 21 pero este proyecto
fue cancelado en el año 2011.22 También se ha propuesto una planta híbrida con almacenamiento de
calor de 59 MW cerca de Barstow, California.23 Cerca de Kuraymat en Egipto, se generan
aproximadamente 40 MW de vapor como aporte para una planta de gas.24 25También se generan 25 MW
de vapor como aporte para una planta de gas en Hassi R'mel, Algeria.26 El gobierno de India ha
comenzado a desarrollar una iniciativa llamada Jawaharlal Nehru National Solar Mission (también
conocida como la Misión Solar Nacional) para resolver el problema de abastecimiento de energía de
India.
[editar]Diseños con torres
Artículo principal: Central solar de torre central.
Solar Dos. Espejos planos enfocan la radiación solar en la parte superior de la torre. Las superficies blancas en la
parte inferior del receptor son usadas para calibrar las posiciones de los espejos.
Las torres de energía (también conocidas como central solar de 'torre central' o centrales de
'helióstatos') captura y enfocan la energía termal del sol con miles de espejos que siguen al sol
(llamados helioestatos) ubicados en un terreno adyacente a la torre. Un torre está ubicada en el centro
del terreno ocupado por los helióstatos. Los helióstatos concentran la luz del sol en un receptor que está
ubicado en la parte superior de la torre. En el receptor la radiación solar concentrada calienta una sal
fundida a sobre 538 °C. Posteriormente la sal fundida se envía a un tanque de almacenamiento termal
donde se acumula, con una eficiencia termal del 98%, finalmente es bombeada hacia un generador de
vapor. El vapor impulsa una turbina la que genera electricidad. Este proceso, que también es conocido
como Ciclo de Rankine, es similar al que usa una planta que usa combustibles fósiles(carbón, gas
natural, petróleo, etc), excepto que la fuente de energía en este caso es la radiación solar limpia.
La ventaja de este diseño en comparación al diseño cilíndrico-parabólico es que logra alcanzar
temperaturas más altas. La energía termal a temperaturas más altas puede ser convertida en
electricidad con mayor eficiencia y es más barato el almacenamiento para ser usada posteriormente.
Adicionalmente, el terreno adyacente no necesita ser tan plano. En principio una torre de energía podría
ser construida en la ladera de una colina. Los espejos pueden ser planos y las tuberías están
concentradas en la torre. La desventaja es que cada espejo debe tener su propio control en dos ejes,
mientras que en el diseño cilíndrico-parabólico el control de seguimiento de un eje puede ser compartido
por un conjunto más grande de espejos.
La NREL realizó una comparación de la relación costo/desempeño entre los diseños de torre de energía
y los cilíndricos-parabólicos, está estimó que para el año 2020 se podría producir electricidad por un
costo de 5,47 centavos de dólar por kWh para los diseños de torre de energía y de un costo de 6,21
centavos de dólar por kWh para los diseños cilíndricos-parabólicos. El factor de planta para los torres de
energía fue estimado en un 72,9% y para los diseños cilíndricos-parabólicos fue de 56,2%.27 Se espera
que el desarrollo de componentes para helióstatos de centrales baratos, durables y fabricados en masa
harían bajar estos costos.28
[editar]Ejemplos de centrales construidas
En junio de 2008, eSolar,29 una compañía basada en Pasadena, California fundada por
el CEO de Idealab Bill Gross con financiamiento provisto porGoogle,30 anunció un Acuerdo para Compra
de Energía (en inglés: Power Purchase Agreement, PPA) con la empresa de servicios públicos Southern
California Edison para producir 245 megawatts de energía.31 También, en febrero de 2009, eSolar
anunció que había licenciado su tecnología a dos socios de desarrollo, la empresa NRG Energy
Inc. basada en Princeton, Nueva Jersey y el grupo ACME basado en India. En el acuerdo con NRG, las
compañías anunciaron planes construir en forma conjunta plantas solares térmicas concentradoras por
500 megawatts a través de todo Estados Unidos. La meta para el Grupo ACME fue cerca del doble de
esta cifra; ACME planeaba comenzar a construir sus primeras plantas generadoras de energía eSolar
en el año 2009 y dentro de los siguientes 10 años completar 1 gigawatt.32
El software propietario de seguimiento del sol de eSolar coordina el movimiento de 24.000 espejos de 1
metro cuadrado por cada torre usando sensores ópticos33 para ajustar y calibrar los espejos en tiempo
real. Esto permite un usar un material reflectante de alta densidad que hace posible el desarrollo de
plantas generadoras solares termales de concentración (en inglés: Concentrating Solar Thermal Power,
CSP) con unidades de 46 megawatt en terrenos de aproximadamente (MW) π millas cuadradas, lo que
resulta en una proporción de terreno a energía de 16.000 m2 por 1 megawatt.
BrightSource Energy firmó una serie de Acuerdos de Compra de Energía con Pacific Gas and Electric
Company en marzo de 2008 por hasta 900 MW de electricidad, el compromiso de energía solar más
grande realizado por una empresa de servicios públicos.34 Actualmente BrightSource está desarrollando
varias plantas de generación solar en el sur de California, planaádose que se inicie la construcción de la
primera en el año 2009.
En junio de 2008 BrightSource Energy inauguró su Centro de Desarrollo de Energía Solar (en inglés:
Solar Energy Development Center, SEDC) de 4-6 MW en el Desierto de Negev, Israel.35 El sitio,
localizado en el Parque Industrial de Rotem, posee 1.600 helióstatos que siguen al sol y reflejan la
radiación solar sobre una torre de 60 metros de alto. La energía concentrada luego es usada para
calentar una caldera, localizada en la parte superior de la torre, a una temperatura de 550 grados
celsius, generando vapor supercalentado.36
Existe una torre funcionando en PS10 en España con una capacidad de 11 MW.
Una planta llamada Solar Tres de 15 MW con almacenamiento de calor está bajo construcción en
España. En Sudáfrica, está planificada una planta solar de 100 MW equipada con entre 4000 y 5000
helióstatos, cada uno de una área de 140 m2.37 Una planta localizada en Australia llamada Granja solar
Cloncurry (que usa grafito purificado como almacenamiento de calor localizado directamente en la
torre).38
Marruecos está construyendo cinco plantas solares termales alrededor de Uarzazate. Las plantas
producirán aproximadamente 2000 MW hacia el año 2012. Sobre diez mil hectáreas de terreno se
usarán para todos las plantas.39
El proyecto Solar Uno de 10 MW fue puesto fuera de comisión (posteriormente se desarrolló en el
proyecto Solar Dos) y también la central solar Thémis de 2 MW.
[editar]Diseños de disco
Un disco solar parabólico que concentra la radiación solar sobre un elemento calefactor de un motor Stirling. Toda la
unidad actúa como un seguidor solar.
Un sistema de disco Stirling usa un gran disco reflector parabólico (similar a la forma que tiene un disco
de televisión satelital). Este enfoca toda la radiación solar que llega al disco sobre un solo punto en la
parte superior del disco, donde un receptor captura el calor y lo transforma en algo que se pueda usar.
Normalmente el disco está acoplado a un motor Stirling, lo que se conoce como un Sistema Disco-
Stirling, pero algunas veces se utiliza un motor de vapor.40 Estos motores crean energía
cinética rotacional que puede ser convertida en electricidad usando un generador eléctrico.41
La ventaja de un sistema de disco es que puede alcanzar temperaturas muchas más altas debido a una
concentración mayor de luz (de manera similar que en los diseños de torre). Las temperaturas más altas
permiten una mejor conversión a electricidad y los sistemas de disco son muy eficientes en este
aspecto. Sin embargo, también hay algunas desventajas. La conversión de calor a electricidad requiere
partes que se mueven y eso resulta en mayores requerimientos de mantenimiento. En general, una
aproximación centralizada de este proceso de conversión es mejor que uno descentralizado en el diseño
de disco. Segundo, el motor, que es pesado, es parte de la estructura que se mueve, lo que requiere
una estructura rígida y un sistema de seguimiento resistente. Adicionalmente, se usan espejos
parabólicos en vez de espejos planos lo que significa que el seguimiento debe ser realizado en dos ejes.
[editar]Ejemplos de centrales construidas
En el año 2005 Southern California Edison anunció un acuerdo para comprar motores Stirling para
energía solar a la empresa Stirling Energy Systemsdurante un período de veinte años y en cantidades
suficientes (20.000 unidades) para generar 500 MW de electricidad. En enero de 2010, Stirling Energy
Systems y Tessera Solar pusieron en funcionamiento la primera central solar de demostración de 1,5
MW ("Maricopa Solar") usando la tecnología Stirling en Peoria, Arizona.42 A comienzos del año 2011 la
subsidiaria de desarrollo de Stirling Energy, Tessera Solar, vendió de sus proyectos grandes, el proyecto
Imperial de 709 MW y el proyecto Calico de 850 MW a las empresas AES Solar y K.
Road respectivamente,43 44 y en el otoño de 2011 Stirling Energy Systems se acogió al Capítulo 7 de
bancarrota debido a la competencia de la tecnología fotovoltaicade bajo costo.45
[editar]Reflectores Fresnel
Esquema de un reflector Fresnel. Los sistemas solares compuestos de reflectores Fresnel lineales usan
inclinaciones alternas para los espejos para reducir el espacio requerido y prevenir el bloqueo del sol por parte de
otros espejos. Leyenda: Linear absorber: Absorbedor lineal, Linear Tracking Reflectors: Reflectores de seguimiento
lineal.
Una central solar con reflectores Fresnel lineales usa una serie de espejos largos, estrechos, de baja
curvatura (o incluso planos) para enfocar la luz en uno o más receptores lineales localizados sobre los
espejos. En la parte superior del receptor un pequeño espejo parabólico puede estar posicionado para
apoyar el enfoque sobre el receptor. La idea de estos sistemas es ofrecer bajos costos totales al
compartir un receptor entre varios espejos (cuando se le compara con los conceptos cilíndricos y de
disco), mientras que usan la simple geometría de enfoque lineal con un eje de seguimiento. Esto es
similar al diseño de cilindro (y diferente de los diseños de torre central y de discos con doble eje). El
receptor es estacionario y por lo tanto no necesita de acoples de fluidos (como es el caso en los diseños
de cilindro y de discos). También los espejos no necesitan sostener al receptor, así que son
estructuralmente más simples. Cuando se usan estrategias de puntería adecuadas (espejos apuntados
a diferentes receptores a diferentes horas del día), se puede permitir una densidad mayor de espejos en
el terreno disponible.
También ha sido desarrollado un concepto con la idea de reflectores Fresnel con enfoque
puntual llamado Multi-Tower Solar Array (MTSA), en castellano: Arreglo Solar de Torres Múltiples.46 pero
aún no ha sido construido un prototipo. En este concepto los espejos de posiciones alternas apuntan a
torres diferentes como sus blancos, logrando de esta forma minimizar el bloqueo entre espejos y
permiten una agrupación más densa de estos. En la torre la radiación solar sería recibida por un divisor
de haz curvado, construido de cuarzo revestido, este divisor separaría la porción verde y roja del
espectro visible y la porción del infrarrojo cercano y las enviaría a un receptor fotovoltaico, ya que estas
partes del espectro electromagnéticoson las más eficientes para ser usadas con la generación
fotovoltaica de electricidad. El resto de las longitudes de onda serían enviadas al receptor termal y la
turbina, proceso que utiliza la energía de la radiación y no a las longitudes de onda. Este concepto ganó
un financiamiento por el Australian Research Council para construir un prototipo de una sola torre en
Australia y que pueda generar aproximadamente unos 150 kW(e) y que usará una microturbina
combinada y un receptor fotovoltaico.
[editar]Ejemplos de centrales construidas
Se han construido prototipos recientes de este tipo de sistemas en Australia (del tipo Reflector Fresnel
lineal compacto47 ) y por Solarmundo en Bélgica.
El proyecto de investigación y desarrollo de Solarmundo, con su central piloto en Lieja, fue cerrado
después de probar el concepto de la tecnología Fresnel lineal en forma exitosa. Subsecuentemente, la
empresa Solar Power Group GmbH,48 basada en Múnich, Alemania, fue fundado por algunos de los
miembros del equipo Solarmundo. Un prototipo basado en espejos Fresnel con generación directa de
vapor fue construido por SPG en conjunto con el Centro Aeroespacial Alemán (DLR).49
Basado en el prototipo australiano se ha propuesta una central de 177 MW ubicada cerca de San Luis
Obispo en California y que sería construida por la empresa Ausra.,50 pero Ausra vendió este proyecto
a First Solar, finalmente First Solar (un fabricante de celdas solares fotovoltaicas de película delgada) no
construirá el proyecto Carrizo, esto resultó en la cancelación del contrato de Ausra para proporcionar
177 MW a P.G.& E.51 Las centrales de capacidad pequeña son un enorme desafío económico para los
diseños cilíndrico-parabólico y de disco, pocas compañías construyen estos proyectos tan pequeños.
SHP Europe, una antigua subsidiaria de Ausra, tiene planes para construir una central de ciclo
combinado de 6,5 MW en Portugal. La compañía alemana SK Energy GmbH tiene planes para construir
varias centrales pequeñas de 1 a 3 MW en el sur de Europa (especialmente en España) usando la
tecnología de espejso Fresnel y de motor de vapor.52
En mayo de 2008, la empresa alemana Solar Power Group GmbH y la empresa española Laer S.L.
acordaron la ejecución conjunta de una central solar termal en el centro de España. Esta será la primera
central solar termal en España basada en la tecnología de colectores Fresnel de la empresa Solar
Power Group. El tamaño planificado de la central será de 10 MW con una unidad de respaldo basada en
combustible fósil. El comienzo de la construcción está planificada para el año 2009. El proyecto está
localizado en Gotarrendura, un pequeño pueblo pionero en el uso de energías renovables,
aproximadamente a 100 km al noroeste de Madrid, España.
Desde marzo de 2009, la central solar de Puerto Errado 1 (PE 1) operada por la empresa
alemana Novatec Solar está operando comercialmente en el sur de España. La central solar está
basada en la tecnología de colectores lineales Fresnel y tiene una capacidad eléctrica de 1,4 MW.
Adicionalmente a un bloque de potencial convencional, la central incluye una caldera solar con una
superficie de espejos de alrededor de 18.000 metros cuadrados. El vapor es generado concentrando la
irradiación solar directa sobre un receptor lineal que está ubicado a 7,4 metros sobre la superficie del
terreno. Un tubo absorbedor está localizado en la línea de foco del campo de espejos, en este el agua
es evaporada directamente en vapor saturado a una temperatura de 270 °C y a una presión de
55 bar por la energía solar concentrada. Desde septiembre del año 2011, debido a un nuevo diseño de
receptor desarrollado por Novatec Solar, el vapor ahora puede ser generado a una temperatura de
500 °C.
La central solar de Puerto Errado 2 (PE 2) de 30 MW es una versión agrandada de la PE 1, esta
también está basada en la tecnología de colectores Fresnel desarrollada por la empresa alemana
Novatec Solar. Comprende una superficie de espejos de 302.000 m2 y está en operación desde agosto
de 2012. La central está localizada en la región de Murcia.
[editar]Tecnologías de reflectores lineales Fresnel
Artículo principal: Reflector Fresnel compacto lineal.
La central solar Puerto Errado 1 en el sur de España.
Otras tecnologías de seguimiento de un solo eje incluyen a las relativamente nueva de reflector lineal
Fresnel (en inglés: Linear Fresnel Reflector, LFR) y de LFR-Compacto (en inglés: Compact-LFR, CLFR).
La LFR difiere de la de cilindro parabólico en que el absorbedor se encuentra fijo en el espacio sobre el
campo de espejos. También, el reflector está compuesto de muchos segmentos de fila bajos, que se
enfican colectivamente sobre una larga torre receptora elevada que corre paralela al eje de rotación de
los reflectores.53
Este sistema ofrece una solución de bajo costo ya que la fila del absorbedor es compartida con varias
filas de espejos. Sin embargo, una dificultad fundamental con la tecnología LFR es evitar el
obscurecimiento de la radiación solar incidente y el bloqueo de la radiación solar reflejada por los
reflectores adyacentes. El bloqueo y el obscurecimiento puede ser reducidos al usar torres más altas o
incrementando el tamaño del absorbedor, lo que permite incrementar el espaciamiento entre los
reflectores más alejados del absorbedor. Ambas soluciones tienen costos extras asociados, ya que se
requiere una mayor superficie de terreno.
El CLFR ofrece una solución alternativa al problema del LFR. El LFR clásico tiene sólo un absorbedor
lineal instalado en una sola torre lineal. Esto impide cualquier opción en la dirección de la orientación de
un reflector específico. Dado que esta tecnología sería introducida en un gran campo, uno puede asumir
de que existirán mucho absorbedores lineales en el sistema. Por lo tanto, si los absorbedores están lo
suficientemente cercanos, los reflectores individuales tendrán la opción de dirigir la radiación solar
reflejada hacia al menos dos absorbedores. Este factor adicional permite el potencial para arreglos con
una alta densidad, dado de que los patrones de inclinaciones de reflectores alternadas pueden ser
hechos de tal forma que los reflectores instalados con una alta densidad no se bloquean o ensombrecen
mutuamente.54
Las centrales solares CLFR ofrecen reducción de costos en todos los elementos del arreglo solar.54 Esta
reducción de costos alentan el avance de esta tecnología. Las características que inciden en la
reducción de costos de este sistema comparadas a las de la tecnología cilíndrica-parabólica incluyen
costos estructurales minimizados, pérdidas por bombeo parásito minimizadas y mantenimiento reducido.
La disminución de los costos estructurales se atribuyen a uso de reflectores de vidrio planos o curvados
elásticamente en vez de costosos reflectores de vidrio hundido montados cerca del suelo. También, el
ciclo de transferencia de calor está separado del campo de reflectores, evitando el costo de las tuberías
flexibles de alta presión que se requieren para los sistemas cilíndricos. La disminución de las pérdidas
de bombeo parásito se deben al uso de agua para el fluido de transferencia de calor con ebullición
directa pasiva. El uso de tubos de vidrio evacuados asegura bajas pérdidas por radiación y son baratos.
Estudios existentes para las centrales CLFR han mostrado una eficiencia entre el haz de radiación
recibido y la electricidad generada de un 19% en una base anual como un precalentamiento.53
[editar]Lentes Fresnel
Se han construido prototipos de concentradores de lentes de Fresnel para la recuperación de energía
termal por la empresa International Automated Systems.55 No se conocen de sistemas termales que
usen lentes de Fresnel en operación a plena escala, aunque ya se encuentran disponibles algunos
productos que incorporan lentes de Fresnel en conjunto con células fotovoltaicas.56
La ventaja de este diseño es que los lentes son más baratos que los espejos. Adicionalmente, si si se
escoge un material flexible, entonces se requiere de una estructura de soporte de menor rigidez para
resistir la carga generada por el viento. En el proyecto Desert Blooms se puede ver un nuevo concepto
de tecnología para concentradores solares livianos y 'no disruptivos' que usa lentes de Fresnel
asimétricos que ocupan un área de superficie de terreno mínima y que permite mayores cantidades de
energía solar concentrada por cada concentrador,57 aunque todavía no se construye un prototipo.
[editar]Cilíndrico parabólico cerrado
El sistema solar termal cilíndrico parabólico cerrado encapsula los componentes al interior de un recinto
de vidrio tipo invernadero. El recinto protege los componentes de los elementos que pueden impactar
negativamente la confiabilidad y eficiencia del sistema.58 Espejos reflectores solares curvados livianos se
encuentran suspendidos desde el techo del recinto de vidrio sostenidos por cables. Un sistema de
seguimiento de un solo eje posiciona los espejos para recuperar la cantidad óptima de radiación solar.
Los espejos concentran la radiación solar y la enfocan en una red de tuberías de acero estacionarias,
también suspendidas de la estructura del recinto de vidrio.59 Se bombea agua a través de las tuberías y
esta es hervida para generar vapor usando la radiación solar concentrada. A continuación el vapor es
usado como calor de proceso. Al proteger los espejos del viento permite lograr temperaturas más altas y
previene que se acumule polvo sobre estos como un resultado de ser expuestos a la humedad
ambiente.58
[editar]Hornos solares
Artículo principal: Horno solar.
Los hornos solares son reflectores parabólicos o lentes construidas con precisión para enfocar la
radiación solar en superficies pequeñas y de este modo poder calentar "blancos" a altos niveles de
temperatura. La temperatura que puede obtenerse con un horno solar esta determinada por el segundo
principio de la termodinámica y es equivalente a la temperatura de la superficie del sol, esto es 6000 °C,
y por la consideración de las propiedades ópticas de un sistema de horno que limitan la temperatura
máxima disponible. Se han usado hornos solares para estudios experimentales que han alcanzado
hasta 3500 °C y se han publicado temperaturas superiores a 4000 °C. Las muestras pueden calentarse
en atmósferas controladas y en ausencia de campos eléctricos o de otro tipo si así se desea.
El reflector parabólico tiene la propiedad de concentrar en un punto focal los rayos que entran en el
reflector paralelamente al eje. Como el sol abarca un ángulo de 32', aproximadamente, los haces de
rayos no son paralelos y la imagen en el foco del receptor tiene una magnitud finita. Como regla
empírica, el diámetro de la imagen es aproximadamente la razón de longitud focal divido por 111. La
longitud focal determina el tamaño de la imagen y la abertura del reflector la cantidad de energía que
pasa por el área focal para una velocidad dada en incidencia de radiación directa. El cociente entre la
abertura y la longitud focal es, pues, una medida de flujo de energía disponible en el área focal y con
arreglo a este flujo se puede calcular una temperatura de cuerpo negro.
La utilidad de los hornos solares aumenta con el uso de helióstatos, o espejo plano móvil, para llevar la
radiación solar al reflector parabólico. esto permite el montaje estacionario de una parábola de ordinario
en posición vertical, con lo cual se pueden colocar aparatos para atmósfera controlada y movimiento de
muestras, soportes de blancos, y otros, sin necesidad de mover todo el equipo. El poder de reflexión del
helióstato varia de 85 a 95% según su construcción, por lo que resulta una pérdida de flujo del 5 al 15%
para el horno, y la disminución correspondiente a las temperaturas que se puedan alcanzar.
Se construyen hornos solares de hasta 3 metros de diámetro con espejos de una sola pieza de aluminio,
cobre o de otros elementos y se han construido hornos más grandes de múltiples reflectores curvos.
El reflector o blanco usado en los hornos solares puede ser de varias formas. Las sustancias pueden
fundirse en sí mismas en cavidades de cuerpo negro, encerrarse en envoltura de vidrio o de otra materia
transparente para atmósferas controladas, o introducirse en un recipiente rotatorio "centrífugo". La
medición de las temperaturas del blanco en los hornos solares se hace por fusión de sustancias de
punto de fusión conocidos y por medios pirométricos ópticos o de radiación.
Se usan hornos solares en gran variedad de estudios experimentales, entre ellos, la fusión de materiales
refractarios, la realización de reacciones químicas e investigación de las relaciones de fase en sistemas
de alto punto de fusión como sílice alúmina.
La estabilización del óxido de circonio refractario por adición de pequeñas cantidades de CaO en
recipientes centrífugos es uno de los muchos trabajos publicados por Trombe, quien también ha
eliminado flúor de mezcla de fosfatos por calentamiento en un horno en presencia de sílice y vapor de
agua, según la reacción:
[Ca3(PO4)2]3.CaF2 + xSiO2 + H2O ® 3 Ca2(PO4)2 + (SiO2)x.CaO + 2HF
Se ha preparado, con buen rendimiento, óxido de circonio calentando silicato de circonio a 1400 °C con
carbonato de sodio, Según la ecuación:
ZrSiO4 + 2Na2CO3 ® Na4SiO4 + 2CO2 + ZrO2
Entre otros usos propuestos para los hornos solares figuran los experimentos de pirólisis instantánea en
investigación química inorgánica y orgánica, y estudios geoquímicos de rocas y minerales.
[editar]Acumulación e intercambio de calor
Existe más energía en las frecuencias más altas de la luz basados en la fórmula , donde h es
la constante de Planck y es la frecuencia. Los colectores metálicos disminuyen las frecuencias más
altas de la luz produciendo una serie de cambios Compton en abundancia de frecuencias más bajas de
la luz. Los revestimientos de vidrio y cerámica con alta transmisividad en el espectro visible y ultravioleta
y con una trampa metálica con absorción efectiva en el espectro infrarrojo (bloqueo de calor) absorben
la luz de baja frecuencia producida por la pérdida a través de radiación. La aislación de la convección
previene las pérdidas mecánicas transferidas a través del gas. Una vez que recuperado como calor, la
eficiencia del almacenamiento térmico aumenta con el tamaño. A diferencia de las tecnologías
fotovoltaicas que a menudo se degradan con la luz concentrada, la tecnología solar termal depende de
la concentración de la luz, la cual requiere de un cielo despejado para alcanzar las temperaturas
necesarias para producir electricidad.
El calor en un sistema solar termal es controlado por cinco principios básicos: ganancia de
calor, transferencia de calor, almacenamiento de calor, transporte de calor y aislación termal.60 En esta
situación, el calor es la medida de la cantidad de energía termal que contiene un objeto y está
determinada por la temperatura, masa y calor específico del objeto. Las centrales solares termales
usan intercambiadores de calor que están diseñados para condiciones de trabajo constantes para
proporcionar el intercambio de calor.
La ganancia de calor es el calor acumulado por el sol en el sistema. El calor solar termal es atrapado
usando el efecto invernadero, este efecto en este caso es la habilidad de una superficie reflectante para
transmitir la radiación de onda corta y reflejar la radiación de onda larga. El calor y la radiación
infrarroja son producidas cuando la radiación de onda corta golpea la placa de absorción, que luego es
atrapado al interior del colector. Un fluido, usualmente agua, en el absorbedor pasa por tubos y recoge
el calor atrapado y lo transfiere a un depósito de almacenamiento de calor.
El calor es transferido ya sea por conducción o convección. Cuando el agua es calentada, la energía
cinética es transferida por conducción a las moléculas de agua a través del medio. Estas moléculas
dispersan si energía termal por conducción y ocupan más espacio que las moléculas frías que se
mueven más lento sobre ellas. La distribución de la energía desde el agua caliente que se eleva hacia el
agua fría que se hunde contribuyen al proceso de convección. El calor es transferido en el fluido desde
las placas de absorción del colector por conducción. El fluido del colector es hecho circular a través de
las tuberías transportadoras hasta el lugar del almacenamiento del calor. Al interior del almacenamiento,
el calor es transferido a través del medio por convección.
El almacenamiento del calor permite que las centrales solares termales puedan producir electricidad
durante las horas del día sin luz solar. El calor es transferido a un medio de almacenamiento de calor en
un depósito aislado durante las horas con luz solar y es recuperado para la generación de electricidad
durante las horas cuando no hay luz solar. La tasa de transferencia de calor está relacionada a la
conductividad y convección del medio así como a las diferencias de temperatura. Los cuerpos con
grandes diferencias de temperatura transfieren el calor más rápido que los cuerpos con diferencias de
temperatura más baja.
El transporte del calor se refiere a la actividad en que el calor de un colector solar es transportado hacia
el depósito de almacenamiento de calor. La aislación térmica es vital tanto en las tuberías de transporte
de calor como en el depósito de almacenamiento de calor. Previene la pérdida de calor, que está
relacionada a la pérdida de energía que a su vez afecta negativamente la eficiencia del sistema.
[editar]Almacenamiento de calor
El almacenamiento de calor le permite a las centrales solares termales producir electricidad durante la
noche y los días nublados. Esto permite el uso de la energía solar en la generación decarga base así
como para la generación de potencia de punta, con el potencial de reemplazar a las centrales que usan
combustibles fósiles. Adicionalmente, la utilización de los generadores es más alta lo que reduce los
costos.
El calor es transferido a un medio de almacenamiento termal en un depósito aislado durante el día y es
retirado para la generación de electricidad en la noche. Los medios de almacenamiento termal
incluyen vapor presurizado, concreto, una variedad de materiales con cambio de fase, y sales
fundidas tales como calcio, sodio y nitrato de potasio.61 62
[editar]Acumulador de vapor
La central solar PS10 almacena el calor en tanques como vapor presurizado a 50 bar y a 285 °C. El
vapor se condensa y se convierte instantáneamente nuevamente en vapor cuando la presión se baja. El
almacenamiento se puede hacer hasta por una hora. Se ha sugerido que se puede almacenar por más
tiempo pero aún no se ha probado en una central ya existente.63
[editar]Almacenamiento en sal fundida
Se han probado una variedad de fluidos para transportar el calor del sol, incluyendo agua, aire, aceite y
sodio, pero en algunos casos64 se han seleccionado sal fundida como la mejor opción.65La sal fundida es
usada en los sistemas de torres de energía solar ya que es líquida a presión atmosférica,
proporcionando un medio de bajo costo para almacenar energía termal, sus temperaturas de operación
son compatibles con la de las actuales turbinas de vapor, y es no inflamable y no tóxica. La sal fundida
es usada en las industrias químicas y de metales para transportar calor, así que existe gran experiencia
en su uso.
La primera mezcla comercial de sal fundida era una forma común de nitro, 60 por ciento de nitrato de
sodio y 40 por ciento de nitrato de potasio. El nitro se funde a 220 °C y se mantiene líquido a 290 °C en
un tanque de almacenamiento con aislante. El nitrato de calcio puede reducir el punto de fusión a
131 °C, permitiendo que se pueda extraer más energía antes de que la sal se congele. Ahora existen
varios grados técnicos de nitrato de calcio que son estables a más de 500 °C.
Estos sistemas de energía solar pueden generar electricidad en climas nubosos o durante la noche
usando el calor almacenado en los tanques de sal caliente. Los tanques se encuentran equipados con
aislamiento y son capaces de almacenar el calor durante una semana. Los tanques que alimentan una
turbina de 100 MW durante cuatro horas deberían tener un tamaño de 9 m de alto por 24 m de diámetro.
La central solar de Andasol ubicada en España es la primera central solar termal comercial en usar sal
fundida para almacenar calor y generar electricidad durante la noche. Esta central entró en
funcionamiento el marzo del año 2009.66 El 4 de julio de 2011, se realizó un hito en la historia de la
industria solar la central solar de Gemasolar de 19,9 MW fue la primera en generar electricidad en forma
ininterrumpida durante 24 horas seguidas usando un almacenamiento de calor de sal fundida.67
[editar]Almacenamiento de calor en grafito
Directo
La propuesta central solar ubicada en Cloncurry, Australia almacenará calor en grafito purificado. La
central usa un diseño de torre de energía. El grafito se encuentra localizado en la parte superior de la
torre. El calor capturado por los helióstatos va directamente hacia el almacenaje. El calor usado para la
generación de energía es recuperado desde el grafito. Esto simplifica el diseño.68
Indirecto
Refrigerantes de sal fundida son usado para llevar el calor desde los reflectores hacia el depósito de
almacenamiento de calor. El calor llevado por las sales es transferido a un fluido de transferencia de
calor secundario a través de un intercambiador de calor y luego al medio de almacenamiento, o en
forma alternativa, las sales pueden ser usadas para calentar directamente el grafito. El grafito es usado
ya que tiene costos relativamente bajos y es compatible con las sales líquidas del fluoruro. La alta masa
y capacidad calórica volumétrica del grafito proporcionan un eficiente medio de almacenamiento.69
[editar]Uso de materiales con cambio de fase para almacenamiento
Los materiales con cambio de fase (en inglés: Phase Change Material, PCM) ofrecen una solución
alternativa en el almacenamiento de energía. Usando una infraestructura de transferencia de calor
similar, los PCM tienen el potencial de proporcionar un medio más eficiente de almacenamiento. Los
PCM pueden ser materiales orgánicos o inorgánicos. Las ventajas de los PCM orgánicos incluyen que
son no corrosivos, con subenfriamiento bajo o ninguno, y estabilidad química o termal. Las desventajas
incluyen una baja entalpía de cambio de fase, baja conductividad termal e inflamabilidad. Las ventajas
de los PCM inorgánicos son una mayor entalpía de cambio de fase, pero exhiben desventajas en temas
relacionados al subenfriamiento, corrosión, separación de fase y carencia de estabilidad termal. La
mayor entalpía de cambio de fase en los PCM inorgánicos hacen que las sales hidratadas sean un
fuerte candidato en el campo del almacenamiento de la energía solar.70
[editar]Uso del agua
Un diseño que requiere agua para condensación o enfriamiento puede ser un problema en las centrales
solares termales localizadas en áreas desérticas con buena radiación solar pero con recursos hídricos
limitados. El conflicto se ve claramente en los planes de la empresa alemana Solar Millennium para
construir en el Amargosa Valley de Nevada los cuales requerían el 20% del agua disponible en el área.
Algunos otros proyectos por la misma y otras empresas en el Desierto de Mojave en California también
pueden ser afectadas por la dificultad en la obtención de los derechos de agua adecuados o apropiados.
Actualmente la Ley de Aguas de California prohíbe el uso de agua potable para la refrigeración.71
Otros diseños de agua requieren menos agua. La propuesta central solar de Ivanpah en el sureste de
California conservará la escasa agua disponible al usar refrigeración por aire para convertir el vapor en
agua. Comparada a la refrigeración húmeda convencional, esto resulta en una reducción del 90% en el
uso de agua al costo de una pérdida menor de eficiencia en el proceso de refrigeración. Luego el agua
es regresada a la caldera en un proceso cerrado que es ambientalmente amigable.72
[editar]Tasas de conversión desde energía solar a energía eléctrica
De todas estas tecnologías el disco solar/motor Stirling tiene la más alta eficiencia energética. Un sola
instalación de disco solar-motor Stirling ubicada en el Centro Nacional de Pruebas Solar Termal (en
inglés: National Solar Thermal Test Facility, NSTTF) en el Laboratorio Nacional Sandia produce tanto
como 25 kW de electricidad, con una eficiencia de conversión del 31,25%.73
Se han construido centrales solares cilíndrico parabólicas con eficiencias aproximadas del 20%. Los
reflectores Fresnel tienen una eficiencia que es ligeramente más baja, pero esto es compensado por
una distribución más densa.
Las eficiencias de conversión brutas (tomando en cuenta que los discos o cilindros solares ocupan solo
una fracción del área total de una central) son determinados por la capacidad de generación neta sobre
la energía solar que cae sobre el área total ocupada por la central solar. La central SCE/SES de 500-
megawatt extraería aproximadamente el 2,75% de la radiación (1 kW/m2; ver Energía Solar para una
discusión más detallada) que incide en sus 18,2 km2.74 Para la central solar de Andasol de 50 MW75 que
está siendo construida en España, con un área total de 1.300×1.500 m = 1,95 km2, tiene una eficiencia
de conversión bruta de 2,6%.
En todo caso la eficiencia no está relacionada al costo. Al calcular el costo total deberían considerarse
tanto la eficiencia como el costo de construcción y de mantenimiento.
[editar]Coste normalizado
Dado que una central solar no usa ningún tipo de combustible, el costo consiste principalmente de los
costos de capital con costos menores operacionales y de mantenimiento. Si se conoce la vida útil de la
central y la tasa de interés, se puede calcular el costo por kWh. Esto se llama coste normalizado de la
energía.
El primer paso en el cálculo es determinar la inversión en la producción de 1 kWh en un año. Por
ejemplo, los datos para el proyecto de Andasol 1 indican que se invirtieron en total 310 millones
de euros para producir 179 GWh en un año. Dado que 179 GWh son 179 millones de kWh, la inversión
por kWh para un año de producción es de 310 / 179 = 1,73 euros. Otro ejemplo es el de lacentral solar
de Cloncurry en Australia. Se tenía planificado que produjera 30 millones de kWh en un año con una
inversión de 31 millones de dólares australianos. Si se logra en realidad, el costo sería de 1,03 dólares
australianos para producir 1 kWh por año. Esto habría sido significativamente más barato que Andasol,
lo que se podría explicar en parte por la radiación más alta recibida en Cloncurry en relación a España.
La inversión por kWh por año no debería ser confundida con el costo por kWh durante todo el ciclo de
vida de una central solar.
En la mayor parte de los casos la capacidad es indicada para una central en particular, por ejemplo:
para Andasol 1 se indica una capacidad de 50 MW. Esta cifra no adecuada para realizar
comparaciones, debido a que el factor de capacidad puede ser diferente. Si una central solar posee
almacenamiento de calor, también puede producir electricidad después del ocaso, pero eso no cambiará
el factor de capacidad; simplemente desplaza la generación. El factor de capacidad promedio para una
central solar, que es una función del seguimiento, efecto del sombreado y de la localización, es de
aproximadamente un 20%, lo que significa que una central solar con un capacidad de 50 MW
normalmente proporcionará una generación de electricidad anual de 40 MW x 24 horas x 365 días x
20% = 87.600 MWh/año o 87,6 GWh/año.
Aunque la inversión para un kWh por año de producción es adecuada para comparar el precio de
diferentes centrales solares, con esto aún no se obtiene el precio por kWh. La forma de financiamiento
tiene una gran influencia en el precio final. Si la tecnología es probada, debería ser posible una tasa de
interés del 7%.76 Sin embargo, los inversores en nuevas tecnologías buscan una tasa mucho más alta
para compensar por los riesgos más altos. Esto tiene un significativo efecto negativo en el precio por
kWh. Independiente de la forma de financiamiento, siempre existe una relación lineal entre la inversión
por kWh producido en un año y el precio de 1 kWh, antes de agregar los costos operacionales y de
mantenimiento. En otras palabras, si por mejoras de la tecnología la inversión cae en un 20%, el precio
por kWh también cae en un 20%.
[editar]Véase también
Central térmica solar
Climatización geotérmica
Desertec
Difusor
Energía solar
Energía solar fotovoltaica
Energía solar termoeléctrica
Geosolar
Sistema Drain-Back
Suelo radiante
Tiempo de retorno energético
Transición energética
Zócalo radiante
[editar]Referencias
1. ↑ «Solar Thermal vs. Photovoltaic (PV) – Which Should You Choose?».
2. ↑ «Solar Thermal vs. Photovoltaic».
3. ↑ «Solar Thermal and PV Efficiency Breakthrough – Stanford Solar Energy Researchers Make Big
Claims».
4. ↑ Manning, Paddy. «With green power comes great responsibility», Sydney Morning Herald, 10 de
octubre de 2009. Consultado el 12-10-2009.
5. ↑ «Aplicaciones Domésticas con Energía Solar».
6. ↑ Solar Process Heat
7. ↑ Bartlett (1998), p.393-394
8. ↑ Leon (2006), p.62
9. ↑ «Solar Buildings (Transpired Air Collectors – Ventilation Preheating) » (PDF). National Renewable
Energy Laboratory. Consultado el 29-09-2007.
10. ↑ «Frito-Lay solar system puts the sun in SunChips, takes advantage of renewable energy»,The
Modesto Bee. Consultado el 25-04-2008.
11. ↑ a b «Solar Thermal Energy». Consultado el Oct. 8, 2009.
12. ↑ Butti and Perlin (1981), p.54-59
13. ↑ «Design of Solar Cookers». Arizona Solar Center. Consultado el 30-09-2007.
14. ↑ «The Solar Bowl». Auroville Universal Township. Consultado el 25-04-2008.
15. ↑ «Scheffler-Reflector». Solare Bruecke. Consultado el 25-04-2008.
16. ↑ «Solar Steam Cooking System». Gadhia Solar. Archivado desde el original, el 2007-11-11.
Consultado el 25-04-2008.
17. ↑ Reboot Now Sustainability Conference Workshop with Wolfgang Scheffler & Heike Hoedt
18. ↑ ORNL's liquid fluoride proposal.
19. ↑ Roland Winston et al.,, Nonimaging Optics, Academic Press, 2004 ISBN 978-0-12-759751-5
20. ↑ SEGS system
21. ↑ Israeli company to build largest solar park in world in US Ynetnews, 26 July 2007.
22. ↑ «CSP Project Tracker». greentechmedia (10/24/11).
23. ↑ Solar thermal electric hybrid power plant for barstow
24. ↑ Iberdrola to build 150 MW Egyptian thermal solar plant
25. ↑ Solar Millennium Tochter Flagsol erhält Auftrag für erstes Parabolrinnen-Kraftwerk Ägyptens
26. ↑ Abener Signs Contract for Solar Thermal Electric - Combined Cycle Hybrid Plant,