Central solar de Tabernes
Una Central Solar es aquella instalación en la que se aprovecha la radiación solar para producir energía eléctrica. Este proceso puede realizarse mediante la utilización de un proceso fototérmico, o de un proceso fotovoltáico.
El resto llega efectivamente a la superficie de la Tierra por dos vías: directamente, es decir, incidiendo sobre los objetivos iluminados por el Sol; e indirectamente, como reflejo de la radiación solar que es absorbida por el polvo y el aire. La primera recibe el nombre de radiación directa y a la segunda se le llama radiación difusa.
Por otro lado, la energía emitida por el Sol no llega a la Tierra de manera uniforme. Varía según la hora del día, según la inclinación estacional del globo terráqueo respecto del Sol, según las distintas zonas de la superficie terrestre, etc., debido a los movimientos de la Tierra y a la absorción de la radiación solar por parte de la atmósfera. En definitiva, se ha calculado que la energía por unidad de tiempo que recibe del Sol una superficie situada a nivel del mar es de unos 1.353 vatios por metro cuadrado.
Conviene tener en cuenta, por otro lado, que la energía solar tiene una importancia directa y esencial en la generación de diversas energía renovables. Así, la absorción de la energía solar por parte de las plantas -el proceso fotosintético- da lugar a la biomasa. La energía eólica, la energía mareomotriz, etc., tienen también su origen en los efectos de la radiación solar sobre la Tierra. Por otro lado la energía solar es incluso la causa última que explica la presencia de carbón, petróleo o gas natural en la corteza terrestre. No obstante, lo que nos interesa tratar en estas páginas son otras vías de aprovechamiento de la energía solar.
Su utilización presenta una serie de características muy particulares. Ante todo, se trata de una energía procedente de una fiente gratuita (la radiación solar) e inagotable a escala humana (se calcula que el Sol tiene unos 6.000 millones de años de existencia y que ésta se prolongará por otros tantos millones de años más).
Pero, aparte de estas dos características bien conocidas, la energía solar presenta la ventaja de que posee, además, una alta calidad energética, ya que mediante la concentración de la radiación solar pueden alcanzarse temperaturas de hasta 3.000ºC, que permiten en principio poner en marcha ciclos termodinámicos con rendimientos superiores a los que presentan los ciclos de las centrales convencionales (de carbón o fuel).
Frente a estas grandes ventajas, la energía solar plantea algunos serios inconvenientes para su aprovechamiento. Por un lado, es una energía que llega a la Tierra de manera semialeatroia y dispersa. Por otro, no puede ser almacenada directamente, sino que exige ser transformada de inmediato en otra forma de energía (calor, electricidad).
Pero posiblemente sus inconvenientes principales vengan por el lado económico y tecnológico. Para poder aprovechar a gran escala la energía solar es preciso utilizar sistemas de captación de grandes superficies por lo que la inversión inicial en un aprovechamiento de energía solar resulta aún muy elevada y costosa.
En la actualidad, la energía solar está siendo aprovechada para fines energéticos a través de dos vías basadas en principios físicos diferentes.
Por un lado la vía térmica. Los sistemas que adoptan
esta vía absorben la energía solar y la transforman en calor.
Por otro
lado, la vía fotovoltaica. Este permite la transformación directa de la
energía solar en energía eléctrica mediante las llamadas "células solares" o
"células fotovotaicas". Dichas células hacen posible la producción de
electricidad a partir de la radiación solar merced al efecto fotovoltaico, un
efecto por el que se transforma directamente la energía luminosa en energía
eléctrica y que se produce cuando la radiación solar entra en contacto con un
material semiconductor cristalino.
Los sistemas basados en la vía térmica también pueden hacer posible el aprovechamiento de la energía solar en forma de energía eléctrica, pero siguinedo un método que podriamos llamar "indirecto". En efecto, algunos de estos sistemas absorben la energía solar en forma de calor mediante un captor térmico y después la transforman en electricidad mediante una máquina termodinámica.
Habitualmente, se suele dividir a los sistemas de
aprovechamiento de energía solar por vía térmica en dos grupos.
La utilización de la energía solar a baja y media
temperatura
La utilización de energía solar a alta
temperatura
Los sistemas de aprovechamiento a baja y media temperatura
Son los que ofrecen posibilidades más interesantes a corto plazo, utilizándose de cara a servicios de tipo domésticos, tales como la producción de agua caliente sanitaria, calefacción, climatización de piscinas, invernaderos, secaderos, etc.
Normalmente, resulta conveniente
en estos casos disponer de sistemas solares con apoyo de algún sistema
convencional de producción de energía, para garantizar que el suministro
energético es el adecuado, ya que, -como señalabamos anteriormente- la
energía solar tiene un carácter disperso y semialeatorio, y, por lo tanto,
pudiera suceder en un momento dado que la ausencia de una radiación solar
suficiente hiciera imposible la cobertura de las necesidades energéticas
mediante el sistema solar. Por otro lado, intentar basar un servicio
exclusivamente en aportaciones energéticas de origen solar implicaría tener
que instalar sistemas solares de grandes dimensiones y a precios aún
prohibitivos, por lo que los sistemas mixtos solar-convencional resultan más
racionales por el momento.
El aprovechamiento de energía solar a baja
temperatura se puede realizar a partir de varias vías diferentes.
Mediante la utilización pasiva de la energía solar o arquitectura
solar.
En efecto,arquitectos, promotores y constructores comienzan a ser sensibles ante las posibilidades que ofrecen la energía solar, por lo que intentan cada vez más que las viviendas que construyen se adapten adecuadamente al entorno y al clima en el que se encuentran localizados, evitando proyectos irracionales desde el punto de vista energético.
Estas casas, por
ejemplo tienen amplios ventanales orientados hacia el sur para calentar el
interior en invierno y unas persianas diseñadas para generar un espacio
refrigerado en el interior en verano. Además las paredes se construyen de
maateriales cerámicos que en invierno guardan el calor y en verano lo
expulsan además de utilizar depósitos de agua para guardar el calor para
la noche de invierno.
Mediante los sistemas solares basados en colectores
Un colector o captor es un instrumento que absorbe el calor
proporcionado por el Sol con un mínimo de pérdidas y los transmite a un
fluido (aire o más frecuentemente, agua). Generalmente se emplea para
producir agua caliente de uso doméstico o para hacer funcionar sistemas de
calefacción.
Los hay de dos tipos: los sistemas de colecotres planos y los sistemas de colectores de concentración Colectores planos: son actualmente los más difundidos y representan alrededor del 90% de la producción de colectores.
Se componen esquemáticamente de una lámina plana, o placa, capaz de absorber eficientemente la radiación solar y convertirla en calor, y de una serie de tubos en buen contacto térmico con la placa, por los que circula un líquido refrigerante (generalmente agua o agua con anticongelante). Este líquido que circula por los canales de distribución sirve para transmitir el calor absorbido por la placa a un sistema de producción de agua caliente o a un sistema de calefacción.
La
lámina es habitualmente metálica (de cobre o acero inoxidable,
principalmente) y a menudo está recubierta de un tratamiento
selectivo especial para hacer que la absortancia de la radiación
solar por parte de la superficie de la lámina sea más intensa. Para
disminuir las pérdidas de calor del colector, la parte posterior de
la lámina posee un aislamiento térmico, y la parte superior una
cubierta de láminas transparentes de cristal o -en algunos casos-
plástico, que reduce las pérdidas de calor por radiación y convierte
al colector en una especie de invernadero. Por último, una caja
metálica es el soporte de todos estos elementos.
Se utilizan para instalaciones que trabajan a
media temperatura, Estos colectores concentran la radiación solar
que recibe la superficie captadora en un elemento receptor de
superficie muy reducida (un punto, una línea). Al ser el recptor más
pequeño que en los colectores planos puede estar fabricado a partir
de materiales más sofisticados y caros que permiten una mejor
absorción de la energía solar. por otro lado, al recibir la
radiación solar de manera concentrada. los colectores de
concentración son capaces de proporcionar temperaturas de hasta
300ºC con buenos rendimientos.
Las centrales de colectores de
concentración se utilizan para generar vepor a alta temperatura con
destino a procesos industriales, para producir energía eléctrica,
etc.
Hay colectores de concentración de varios tipos. Pero todos
ellos tienen en común que exigen estar dotados, para ser eficientes,
de un sistema de seguimiento que les permita permanecer
constantemente situados en la mejor posición para recibir los rayos
del sol a lo largo del día.
Los sitemas de seguimiento del sol de
estos colectores son de varios tipos. El colector de concentración
cilíndrico-parabólico (uno de los más difundidos) suele utilizar un
reloj o sensor óptico. Este último combinado con un servomotor, hace
girar al colector siguiendo la dirección del sol.
Colectores solares de concentración en la Plataforma Solar de Almería
Esquema de una central eléctrica solar con colectores cilindro-parabólicos
Los sistemas de aprovechamiento de energía solar a alta temperatura
El aprovechamiento de energía solar, a alta temperatura, para producir electricidad mediante vía termodinámica se basa en principios análogos a los que pueden contemplarse en una central eléctrica convencional que quema carbón o petróleo. Se consigue que la radiación solar caliente a alta temperatura un fluido primario (el fluido caloportador). Este fluido transmite el calor a un circuito secundario por el que circula un segundo fluido que, tras transformarse en vapor por la acción del calor, pone en marcha una trubina acoplada a un alternador.En algunos casos, es el propio
fluido primario el que, convertido en vapor, acciona la turbina.
Generalmente, todas estas instalaciones solares tienen incorporado un
dispositivo que permite almacenar una cierta cantidad de enrgía en
forma de calor para paliar en lo posible las fluctuaciones que puede
presentar la radiación solar.
Hay diversos tipos de centrales
solares basadas en este principio. Las hay de caldera única, de
receptores distribuidos, de discos parabólicos, etc.
No obstante, las más extendidas son las centrales solares termoeléctricas de receptor central. En ellas, la radiación solar incide en un "campo de heliostatos".
Heliostato
Este es una amplia superficie
cubierta de grandes espejos (heliostatos) que concentran la radiación
solar captada en un receptor.
Los sistemas más comunes de este tipo tienen el receptor instalado en una torre, por lo que reciben el nombre de centrales solares de tipo torre central.
Los heliostatos constan de una estructura soporte y de una superficie reflectante. Asimismo, tienen incorporados unos mecanismos que permiten que la superficie reflectante se mueva según dos ejes de giro, de modo que pueda captar de la mejor forma y en cada momento la radiación solar y concentrarla en el receptor instalado en la torre. Para mover los heliostatos, se utilizan medios electrónicos: cada espejo recibe periódicamente las órdenes que emite un programa incorporado a un ordenador central.
El receptor tiene una serie de tubos por los que circula un fluido primario (agua, sodio, sales fundidas, aire,..., depende de la instalación) que transmite la energía recibida a un fluidosecundario que, convertido en vapor, acciona una trubina. En algunas instalaciones, es el propio fluido primario quien, converitdo en vapor por efecto de la radiación solar, acciona directamente la turbina, sin necesidad del fluido secundario. En determinadas centrales, el fluido
primario transmite la energía previamente al dispositivo de almacenamiento, y luego se sigue el ciclo termodinámico habitual.
Según se ha señalado más arriba, los sistemas fotovoltaicos se basan en un conjunto de "células solares o fotovoltaicas" fabricadas de un material semiconductor cristalino, que, al ser incididas por la luz del sol, producen una corriente eléctrica por efecto fotovoltaico.
Para construir las células fotovoltaicas, se utilizan
compuestos que son capaces de suministrar una cantidad apreciable de
energía al recibir la radiación solar. Normalmente, la casi totalidad
de las pilas fotovoltaicas que se producen en el mundo se fabrican a
base de silicio.
El rendimiento de estas células viene a ser de entre un 15% y
un 25%, es decir, que sólo una pequeña parte de la energía lumínica se
aprovecha realmente en forma de energía eléctrica. este rendimiento es menor
cuanto más alta es la temperatura.
Panel de células fotovoltaicas instalados en una caseta de control de tráfico de una autovía
El problema fundamental que presentan las células fotovoltaicas es su alto coste. Aunque las investigaciones recientes están logrando abaratar a un ritmo apreciable su coste de producción, en la actualidad puede estimarse que cada vatio de potencia que se consigue merced a las pilas fotovoltaicas cuesta alrededor de 10 dolares, lo cual es excesivo.
Hay otras pilas fotovoltaicas más baratas, que se
fabrican a base de sulfuro de cadmio, pero su rendimiento es tres veces
menor que el de las células de silicio.
Aun cuando las perspectivas de
utilización de pilas fotovoltaicas para producir electricidad son muy
esperanzadoras a largo plazo su desarrollo está aun comenzando y no puede
esperarse una auténtica extensión de su utilización a los costes actuales.
Por el momento, su uso más eficaz consiste en su aplicación para instalaciones de baja potencia en lugares cuya lejanía respecto de las redes de transporte y distribución de electricidad puede hacer rentable la puesta en marcha de este tipo de sistema a pesar de su elevado coste. Javier de Lucas