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Energía y Agua · Técnico Superior en Eficiencia Energética y Energía Solar Térmica
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Eficiencia Energética y Energía Solar Térmica
FP, Energía y Agua
Diseño e instalación de sistemas de energía solar térmica y eficiencia energética. Fuente: Wikipedia (CC BY-SA 4.0).
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Lo que tienes que saber
Leer la teoría completa →Energía solar térmica: aplicaciones, tipos de colectores y componentes
- Energía solar térmica: aprovechamiento del Sol para producir calor
- Aplicaciones: ACS, calefacción, refrigeración por absorción, agricultura y desalinización
- Colectores de baja temperatura: placas planas para agua
- Colectores de media temperatura: placas planas para agua o aire
- Colectores de alta temperatura: concentración por espejos/lentes para electricidad
- Eficiencia: la solar térmica es más eficiente que la fotovoltaica
- Cifras 2009: 600 MW instalados, 400 MW en construcción, 14 GW en proyectos de concentración
- Circuito abierto: agua de consumo directa por colectores; riesgo de obstrucción por sales
- Circuito cerrado: incluye flujo por termosifón y flujo forzado
- Ahorro: reducción de más del 25% del consumo energético en viviendas nuevas
- Demanda ACS: representa el 28% del consumo energético doméstico
- Calefacción solar: cubre entre el 10% y 40% de la demanda según aislación
- Componentes obligatorios: captadores, circuitos primario/secundario, intercambiador, acumulador, vaso de expansión y tuberías
- Sistema forzado: requiere adicionalmente bombas y panel de control
- Piscinas: uso de colectores descubiertos (unglazed) de polipropileno, EPDM o polietileno
Captadores solares y sus variantes tecnológicas
- Función: Convertir radiación solar en energía térmica.
- Tipos: Placa plana, tubos de vacío y absorbedores sin protección.
- Placa plana: Uso principal en agua caliente sanitaria (ACS).
- Color de tubos: Oscuro para maximizar la absorción.
- Cubierta: Debe tener alta transmitancia solar para minimizar pérdidas por convección y radiación.
- Canal de aire: Espesor calculado para equilibrar pérdidas por convección y altas temperaturas.
- Placa absorbente: Requiere gran absorción solar y baja emisión térmica.
- Capa aislante: Debe tener baja conductividad térmica.
- Verja vertical: Estructura de tubos en paralelo en captadores de placa plana.
- Tubos de vacío: Fabricados al 100% en cristal borosilicato.
- Rendimiento tubos de vacío: Superior en climas muy fríos o altas temperaturas.
- Rendimiento tubos de vacío: Inferior a 45 °C o en climas templados.
- Tolerancia de inclinación: Los tubos de vacío soportan hasta 25° de variación.
- Eficiencia de captación: Los tubos de vacío requieren menor superficie por su forma cilíndrica.
Captadores solares de tubos de vacío y sistemas de circulación térmica
- Captadores de tubos de vacío: funcionan por cambio de fase (vapor a líquido)
- Material del tubo de calor: cobre (puede llevar chaqueta aislante)
- Ventaja del vacío parcial: permite captar radiación infrarroja (nubes)
- Eficiencia: hasta un 163 % superior a las placas planas
- Circuito primario: sistema cerrado (captador a acumulador)
- Intercambiador de calor: forma de serpentín para aumentar superficie de contacto
- Acumulador: entrada de agua fría por abajo, salida de caliente por arriba
- Circuito secundario: sistema de circuito abierto (consumo)
- Temperatura recomendada para calefacción solar: <=50 °C
- Sistemas de baja temperatura: suelo radiante (30 °C), fan-coil (45 °C), radiadores (60 °C)
- Bombas de recirculación: 4 en total (2 primario, 2 secundario)
- Funcionamiento de bombas: 12 horas cada una, alternadas por relojes
- Vaso de expansión: mantiene presión y evita pérdida de masa del fluido
- Vaso de expansión preferente: cerrado con membrana
Componentes, equipos y normativa de instalaciones solares térmicas
- Tuberías actuales: acero inoxidable BPDN con aislamiento de espuma elastomérica y mica de EPDM
- Panel de control: incluye regulador térmico y relojes de intercambio de bombas
- Frío solar: posible mediante la cobertura de placas en verano
- Capacidad doméstica: depósito de 150 litros y colector de 2 m²
- Cobertura de demanda: hasta el 90 % de las necesidades anuales de una familia de 4 personas
- Impacto ambiental: evita 4,5 toneladas de gases nocivos
- Retorno energético: aproximadamente 1,5 años
- Vida útil: puede superar los 25 años
- Equipos de Circulación forzada: captadores, acumulador, grupo hidráulico, regulación y vaso de expansión
- Equipos Termosifón: acumulador situado en la cubierta sobre el captador
- Equipos Drain-Back: sistema compacto para viviendas unifamiliares
- Prohibición CTE (España): uso de resistencia eléctrica de apoyo en el acumulador
- Colector plano: componentes incluyen marco de aluminio, vidrio templado, placa con aletas de cobre y aislante
- Dimensiones estándar: colector de 1,8 a 2,1 m² y termotanque de 150 a 200 litros
- Mecanismo Termosifón: circulación por diferencia de temperatura en capas estratificadas
- Normativa España: CTE (2006) obliga a ACS solar en nuevas edificaciones
Sistemas de calefacción solar y aplicaciones industriales
- Piscinas de evaporación: concentran sólidos para sal, minería y gestión de desechos.
- Colectores UTC: precalientan aire hasta 22 °C con amortización de 3 a 12 años.
- Colectores de temperatura media: incluyen diseños de glicol a presión y sistemas de baja presión con polímeros.
- Colectores permanentemente húmedos: técnica para evitar el estancamiento y aumentar la vida útil.
- Secado solar: aplicado a madera, alimentos y biomasa para mejorar calidad y ahorro.
- Caja de cocción: diseño de 1767, alcanza 50-100 °C en cielos parcialmente cubiertos.
- Cocinas de concentración: alcanzan hasta 350 °C pero requieren luz solar directa.
- Tazón solar: reflector esférico fijo con receptor móvil, alcanza 150 °C.
- Reflector Scheffler: disco parabólico de un eje, alcanza 450-650 °C y punto focal fijo.
- Capacidad Scheffler: el sistema más grande cocina 35 000 raciones diarias.
Funcionamiento de los destiladores solares
- Uso: Procesamiento de agua potable en zonas sin agua limpia
- Fuente de energía: Energía solar
- Proceso: Calentamiento, evaporación y condensación
- Ubicación de condensación: Fondo de la cubierta de vidrio
Tecnología y Eficiencia de la Energía Termosolar de Concentración (CSP)
- Eficiencia térmica: Aumenta con la temperatura de la fuente de calor.
- Tecnología CSP: Concentra radiación solar mediante espejos o lentes.
- Eficiencia turbinas vapor: Hasta 41 % hasta los 600 °C.
- Eficiencia turbinas gas: Superior a los 600 °C.
- Sales de fluoruro líquido: Operan entre 700 °C y 800 °C para eficiencias del 50 % o más.
- Intercambiadores de calor secos: Posibilitan el uso de plantas en desiertos por ahorro de agua.
- Almacenamiento de calor: Más barato que el eléctrico y más eficiente a altas temperaturas.
- Sistemas de respaldo: Combustión interna para mejorar la confiabilidad.
- Canal parabólico: Temperaturas de hasta 500 °C.
- Torre central: Utiliza helióstatos y servomecanismos.
- Parabólicos de plato: Concentración en el punto focal del plato.
- Ciclo Rankine: Proceso de expansión de vapor tras intercambio de calor con aceite sintético.
- Seguimiento solar: Necesario para altas temperaturas para mantener el foco en el receptor.
- Obstáculos principales: Costos, contaminación estética y uso de suelo.
Diseños de plantas de energía cilíndrico-parabólicos
- Diseño: Espejo cilíndrico curvado que enfoca la luz en un receptor en su punto focal
- Seguimiento solar: Rotación de este a oeste (no requiere seguimiento en segundo eje)
- Eficiencia térmica: Uso de cámara al vacío para reducir pérdidas por convección
- Conversión de energía: Aproximadamente 1/3 del calor se transforma en electricidad
- Fluidos de transferencia: Aceite sintético, sal fundida y vapor presurizado
- Andasol 1 (España): Temperatura de 400 °C y capacidad de punta de 50 MW
- Almacenamiento de calor: Permite operación nocturna y mayor eficiencia en las turbinas
- SEGS (California): Sistema de 350 MW con 9 plantas (el más grande del mundo)
- Nevada Solar One: Capacidad de 64 MW
- Kuraymat (Egipto): 40 MW de vapor para planta de gas
- Hassi R'mel (Argelia): 25 MW de vapor para planta de gas
Torres de energía solar (Helióstatos)
- Torres de energía: concentran luz solar mediante helióstatos en un receptor superior.
- Proceso térmico: calienta sal fundida a más de 538 °C.
- Eficiencia de almacenamiento: 98 %.
- Ciclo de generación: similar al ciclo de Rankine (vapor -> turbina -> electricidad).
- Ventaja térmica: permite temperaturas más altas y almacenamiento más barato que el diseño cilíndrico-parabólico.
- Ventaja geográfica: permite construcción en laderas y concentración de tuberías.
- Desventaja técnica: requiere control individual en dos ejes para cada espejo.
- Costo estimado (2020): 5,47 centavos de dólar por kWh (torres) vs 6,21 centavos (cilíndricos).
- Factor de planta: 72,9 % (torres) vs 56,2 % (cilíndricos).
- Tecnología eSolar: 24,000 espejos por torre; proporción de 16,000 m² por 1 MW.
- Centro de Desarrollo (Israel): torre de 60 metros y temperatura de 550 °C.
- Proyecto Marruecos: meta de 2,000 MW en 10,000 hectáreas.
Sistemas de Energía Solar: Discos Stirling y Reflectores Fresnel
- Sistema Disco-Stirling: usa disco parabólico para concentrar calor en un punto.
- Conversión: Calor ightarrow Motor Stirling/Vapor ightarrow Energía cinética ightarrow Generador ightarrow Electricidad.
- Ventaja Disco: Temperaturas más altas y mayor eficiencia que los diseños de torre.
- Desventaja Disco: Mayor mantenimiento por piezas móviles y necesidad de seguimiento en dos ejes.
- Acuerdo 2005: 20.000 unidades para generar 500 MW durante 20 años.
- Maricopa Solar (2010): Central de demostración de 1,5 MW.
- Proyectos vendidos (2011): Imperial (709 MW) y Calico (850 MW).
- Reflectores Fresnel: Espejos largos/estrechos con enfoque lineal y un solo eje de seguimiento.
- Ventaja Fresnel: Bajos costos y receptor estacionario (sin acoples de fluidos).
- MTSA: Arreglo de torres múltiples con enfoque puntual para minimizar el bloqueo de espejos.
- Divisor de haz MTSA: Separa verde, rojo e infrarrojo cercano para fotovoltaica; el resto para receptor termal.
- Prototipo Australia: Objetivo de 150 kW(e) con microturbina combinada.
Proyectos y aplicaciones de tecnología Fresnel lineal
- Prototipo Bélgica: Solarmundo validó la tecnología Fresnel lineal en Lieja.
- Solar Power Group GmbH: Empresa alemana que desarrolló prototipos con generación directa de vapor con el DLR.
- Proyecto Carrizo (California): Propuesta de 177 MW cancelada tras venta de Ausra a First Solar.
- Desafío económico: Las centrales de capacidad pequeña son poco comunes en diseños cilíndricos-parabólicos.
- Plan Portugal: Central de ciclo combinado de 6,5 MW por SHP Europe.
- Plan Sur de Europa: Centrales de 1 a 3 MW por SK Energy GmbH.
- Central Gotarrendura (España): Planta de 10 MW con tecnología Fresnel y respaldo fósil.
- Puerto Errado 1 (PE 1): Capacidad 1,4 MW, superficie 18.000 m², presión 55 bar, temperatura original 270 °C (actualmente 500 °C).
- Puerto Errado 2 (PE 2): Capacidad 30 MW, superficie 302.000 m², ubicada en Murcia.
Tecnologías de seguimiento de un solo eje y concentradores solares
- LFR: absorbedor fijo sobre el campo de espejos con torre receptora elevada.
- LFR: bajo costo por compartir el absorbedor entre varias filas de espejos.
- LFR: problema de obscurecimiento y bloqueo (solución: torres más altas o absorbedores más grandes).
- CLFR: permite dirigir la radiación hacia al menos dos absorbedores.
- CLFR: permite arreglos de alta densidad con patrones de inclinación alternados.
- CLFR: reducción de costos por uso de vidrio plano/curvado y separación del ciclo de transferencia de calor.
- CLFR: uso de agua con ebullición directa pasiva para minimizar pérdidas por bombeo parásito.
- CLFR: eficiencia anual del 19% como precalentamiento.
- Lentes Fresnel: más baratos que los espejos y permiten estructuras de soporte menos rígidas.
- Lentes Fresnel: proyecto Desert Blooms busca concentradores livianos con mínima superficie de terreno.
- Cilíndrico parabólico cerrado: recinto de vidrio tipo invernadero para proteger contra viento y polvo.
- Cilíndrico parabólico cerrado: espejos suspendidos que enfocan en tuberías de acero estacionarias.
- Cilíndrico parabólico cerrado: generación de vapor mediante ebullición de agua para calor de proceso.
Funcionamiento y aplicaciones de los hornos solares
- Temperatura máxima teórica: 6000 °C (superficie solar)
- Temperaturas experimentales alcanzadas: hasta 3500 °C (registros > 4000 °C)
- Ángulo del sol: 32' (genera imágenes de magnitud finita en el foco)
- Diámetro de la imagen: Longitud focal / 111
- Flujo de energía: Cociente entre abertura y longitud focal
- Helióstatos: Espejos móviles que permiten montaje estacionario de la parábola
- Pérdida de flujo por helióstato: 5 % a 15 % (reflexión del 85 % al 95 %)
- Diámetro de hornos estándar: hasta 3 metros
- Métodos de medición: Fusión de sustancias y medios pirométricos
- Reacción de eliminación de flúor: [Ca₃(PO₄)₂]₃ ext{CaF}₂ + x ext{SiO}₂ + ext{H}₂ ext{O} ightarrow 3 ext{Ca}₂( ext{PO}₄)₂ + ( ext{SiO}₂)ₓ ext{CaO} + 2 ext{HF}
- Preparación de ext{ZrO}₂: ext{ZrSiO}₄ + 2 ext{Na}₂ ext{CO}₃ ightarrow ext{Na}₄ ext{SiO}₄ + 2 ext{CO}₂ + ext{ZrO}₂ a 1400 °C
Principios de acumulación, transferencia y almacenamiento de calor en sistemas solares termales
- Fórmula de energía: E=hν (E: energía, h: constante de Planck, ν: frecuencia)
- Efecto Compton: reduce frecuencias altas a frecuencias bajas en colectores metálicos
- Revestimientos: alta transmisividad en visible/UV y absorción en infrarrojo
- Eficiencia de almacenamiento: aumenta con el tamaño del sistema
- Cinco principios básicos: ganancia, transferencia, almacenamiento, transporte y aislación
- Ganancia de calor: basada en el efecto invernadero (transmisión de onda corta y reflexión de onda larga)
- Transferencia de calor: por conducción (energía cinética molecular) y convección (movimiento de fluidos)
- Almacenamiento: permite generación de carga base y potencia de punta
- Factores de transferencia: conductividad, convección y diferencia de temperatura
- Medios de almacenamiento: vapor presurizado, concreto, materiales de cambio de fase y sales fundidas (calcio, sodio, nitrato de potasio)
- Ejemplo PS10: vapor presurizado a 50 bar y 285 °C
- Capacidad de almacenamiento PS10: hasta una hora
Sistemas de almacenamiento térmico en energía solar
- Sal fundida: bajo costo, no inflamable, no tóxica y compatible con turbinas de vapor
- Mezcla comercial inicial: 60% nitrato de sodio y 40% nitrato de potasio
- Punto de fusión: 220 °C (mezcla inicial) y 131 °C (con nitrato de calcio)
- Estabilidad térmica: grados técnicos de nitrato de calcio estables a más de 500 °C
- Capacidad de almacenamiento: tanques aislados retienen calor hasta una semana
- Dimensiones para 100 MW (4h): 9 m de alto por 24 m de diámetro
- Hito Andasol: primera central comercial con sal fundida (marzo 2009)
- Hito Gemasolar: primera generación ininterrumpida por 24 horas (julio 2011)
- Grafito Directo: calor de helióstatos va directamente al grafito en la torre
- Grafito Indirecto: uso de sales fundidas y fluidos secundarios mediante intercambiadores
- Ventajas grafito: bajo costo, alta masa y capacidad calórica volumétrica
- PCM Orgánicos: no corrosivos, estables, pero con baja entalpía y baja conductividad
- PCM Inorgánicos: mayor entalpía, pero con riesgos de corrosión y separación de fase
- Sales hidratadas: candidatas por su alta entalpía de cambio de fase
- Restricción hídrica: Ley de Aguas de California prohíbe agua potable para refrigeración
- Eficiencia Ivanpah: refrigeración por aire reduce el uso de agua en un 90%
Eficiencias y costes de conversión en energía solar térmica
- Eficiencia disco solar/motor Stirling: 31,25 %
- Eficiencia centrales cilíndrico parabólicas: aprox. 20 %
- Eficiencia bruta: calculada sobre el área total de la central
- Eficiencia de Andasol: 2,6 %
- Costo normalizado: Inversión total / producción anual de kWh
- Factor de capacidad promedio: 20 %
- Generación anual estimada (50 MW): 87,6 GWh/año
- Relación lineal: Reducción del 20 % en inversión = reducción del 20 % en precio por kWh
Vista previa de las fichas (6 de 40)
- 01
En la energía solar térmica, ¿qué tipo de colectores se usan generalmente para calentar agua?
Placas planas (baja y media temperatura).
- 02
En los colectores de alta temperatura, ¿qué elementos se usan para concentrar la luz solar?
Espejos o lentes.
- 03
En las instalaciones de circuito abierto de ACS, ¿qué problema presentan las zonas con alta concentración de sales?
Obstrucción de los conductos de los paneles.
- 04
En la calefacción solar, ¿qué componente permite conectar el sistema solar con la caldera?
Intercambiador de placas.
- 05
En una instalación solar térmica por flujo forzado, ¿qué componentes adicionales se necesitan respecto al sistema termosifón?
Bombas y un panel de control principal.
- 06
Función principal de los captadores solares:
Capturar radiación solar y convertirla en energía térmica (calor).
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