Un colector solar es un dispositivo para recolectar la energía térmica del Sol (planta solar), transportada por luz visible y radiación infrarroja cercana . A diferencia de los paneles solares que producen electricidad , el colector solar calienta el material de transferencia de calor .
Por lo general, se utiliza para las necesidades de suministro de agua caliente y calefacción de espacios. [una]
Un colector de placa plana consta de un elemento que absorbe la radiación solar (absorber), un revestimiento transparente y una capa de aislamiento térmico. El absorbedor está conectado al sistema de transferencia de calor . Se recubre con pintura negra o con un recubrimiento selectivo especial (generalmente, pulverización catódica de níquel negro u óxido de titanio) para aumentar la eficiencia. El elemento transparente suele ser de vidrio templado con un contenido reducido de metal, o policarbonato especial corrugado . La parte posterior del panel está cubierta con un material aislante del calor (como el poliisocianurato ). Los tubos por los que se distribuye el refrigerante están fabricados en polietileno reticulado o cobre. El panel en sí es hermético, por lo que los orificios están cerrados con sellador de silicona.
En ausencia de entrada de calor (estancamiento), los colectores de placa plana pueden calentar el agua hasta 190-210 ° C .
Cuanta más energía incidente se transfiere al refrigerante que fluye en el colector, mayor es su eficiencia. Se puede aumentar mediante el uso de recubrimientos ópticos especiales que no emiten calor en el espectro infrarrojo.
Es posible aumentar la temperatura del refrigerante hasta 250-300 °C en el modo de limitación de extracción de calor. Esto se puede lograr reduciendo la pérdida de calor como resultado del uso de un revestimiento de vidrio multicapa, sellando o creando un vacío en los colectores .
De hecho, un tubo de calor solar tiene un dispositivo similar a los termos domésticos. Solo la parte exterior del tubo es transparente, mientras que el tubo interior tiene un recubrimiento altamente selectivo que capta la energía solar. Hay un vacío entre el tubo de vidrio exterior e interior. Es la capa de vacío la que permite ahorrar alrededor del 95% de la energía térmica captada.
Además, los tubos de calor han encontrado aplicación en colectores solares de vacío , que actúan como conductores de calor. Cuando la instalación se irradia con luz solar, el líquido en la parte inferior del tubo se calienta y se convierte en vapor. Los vapores suben a la parte superior del tubo (condensador), donde se condensan y transfieren calor al colector. El uso de este circuito le permite lograr una mayor eficiencia (en comparación con los colectores de placa plana) cuando opera a bajas temperaturas y poca luz.
Los colectores solares domésticos modernos pueden calentar el agua hasta el punto de ebullición incluso a temperaturas ambientales negativas.
El refrigerante (agua, aire, aceite o anticongelante ) se calienta al circular por el colector y luego transfiere la energía térmica al tanque de almacenamiento, que acumula agua caliente para el consumidor.
En una variante sencilla, la circulación del agua se produce de forma natural debido a la diferencia de temperatura en el colector. Esta solución mejora la eficiencia de la instalación solar, ya que la eficiencia del colector solar disminuye al aumentar la temperatura del refrigerante.
También existen instalaciones solares de calentamiento de agua del tipo de acumulación, en las que no existe un acumulador separado, y el agua calentada se almacena directamente en el colector solar. En este caso, la instalación es un tanque cercano a una forma rectangular. [una]
| tubular de vacío | Plano altamente selectivo |
|---|---|
| Ventajas | Ventajas |
| Baja pérdida de calor | Capacidad para despejar la nieve y la escarcha. |
| Eficiencia en la estación fría hasta -30C | Alto rendimiento en verano |
| Capacidad de generar altas temperaturas. | Excelente relación precio/rendimiento para latitudes del sur y climas cálidos |
| Largo período de trabajo durante el día. | Se puede instalar en cualquier ángulo. |
| Facilidad de instalación | Menor costo inicial |
| viento bajo | |
| Excelente relación precio/rendimiento para latitudes templadas y climas fríos | |
| Defectos | Defectos |
| Incapacidad para autolimpiar la nieve | Alta pérdida de calor |
| Costo inicial del proyecto relativamente alto | Bajo rendimiento durante la estación fría. |
| Ángulo de inclinación de trabajo no inferior a 20° | La complejidad de la instalación asociada a la necesidad de entregar el colector ensamblado al techo |
| Viento alto |
Es posible aumentar las temperaturas de funcionamiento hasta 120–250 °C introduciendo concentradores en los colectores solares utilizando reflectores cilindroparabólicos colocados debajo de elementos absorbentes. Se requieren dispositivos de seguimiento solar para obtener temperaturas de funcionamiento más altas.
Los colectores solares de aire son dispositivos que funcionan con energía solar y calientan el aire. Los colectores solares de aire se utilizan con mayor frecuencia para calentar espacios y secar productos agrícolas. El aire pasa a través del absorbedor debido a la convección natural o bajo la influencia de un ventilador.
En algunos calentadores de aire solares, los ventiladores están conectados a la placa absorbente para mejorar la transferencia de calor. La desventaja de este diseño es que consume energía para operar los ventiladores, lo que aumenta los costos operativos del sistema. En climas fríos, el aire se canaliza hacia el espacio entre la placa absorbente y la pared trasera aislada del colector: así se evita la pérdida de calor a través del acristalamiento. Sin embargo, si el aire se calienta a no más de 17 °C por encima de la temperatura del aire exterior, el medio de transferencia de calor puede circular a ambos lados de la placa absorbente sin mucha pérdida de eficiencia.
Las principales ventajas de los colectores de aire son su sencillez y fiabilidad. Con el cuidado adecuado, un colector de calidad puede durar de 10 a 30 años y es muy fácil de manejar. No se requiere un intercambiador de calor ya que el aire no se congela.
Los colectores solares se utilizan para calentar locales industriales y domésticos, para el suministro de agua caliente de los procesos de producción y las necesidades del hogar. La mayor parte de los procesos de producción que utilizan agua caliente y templada (30-90 °C) tienen lugar en las industrias alimentaria y textil, que por lo tanto tienen el mayor potencial para el uso de colectores solares.
En Europa en 2000, el área total de colectores solares era de 14,89 millones de m² , y en todo el mundo, de 71,341 millones de m².
Los colectores-concentradores solares pueden producir electricidad utilizando células fotovoltaicas o un motor Stirling .
Los colectores solares se pueden utilizar en plantas de desalinización de agua de mar. Según las estimaciones del Centro Aeroespacial Alemán (DLR), en 2030 el coste del agua desalada bajará hasta los 40 céntimos de euro por metro cúbico de agua [2]
Según la investigación de JIHT RAS , durante el período cálido (de marzo a abril a septiembre), en la mayor parte de Rusia, la cantidad diaria promedio de radiación solar es de 4,0-5,0 kWh/m² (en el sur de España: 5,5-6,0 kWh/ m², en el sur de Alemania - hasta 5 kWh/m²). Esto permite calentar unos 100 litros de agua para uso doméstico utilizando un colector solar de 2 m² con una probabilidad de hasta el 80%, es decir, casi a diario. Según la ingesta media anual de radiación solar, los líderes son Transbaikalia , Primorye y el sur de Siberia . Les siguen el sur de la parte europea (hasta aproximadamente los 50º N) y una parte importante de Siberia.
El uso de colectores solares en Rusia es de 0,2 m²/1000 personas, en Alemania se utilizan 140 m²/1000 personas, en Austria 450 m²/1000 personas, en Chipre unos 800 m²/1000 personas.
En el período de verano, la mayoría de las regiones de Rusia hasta 65º N.S. se caracterizan por valores elevados de radiación media diaria. En invierno, la cantidad de energía solar entrante disminuye varias veces dependiendo de la ubicación latitudinal de la instalación.
Para uso en todo clima, las unidades deben tener una gran superficie, dos circuitos anticongelantes , intercambiadores de calor adicionales. En este caso se utilizan colectores de vacío o colectores de placa plana con un recubrimiento muy selectivo, ya que la diferencia de temperatura entre el refrigerante calentado y el aire exterior es mayor. Sin embargo, este diseño es más caro. [una]
La construcción de colectores se lleva a cabo actualmente principalmente en el Territorio de Krasnodar, Territorios de Buriatia , Primorsky y Khabarovsk . [3]
Por primera vez, la idea de crear una planta de energía solar de tipo industrial fue propuesta por el ingeniero soviético N.V. Linitsky en la década de 1930 . Al mismo tiempo, propuso un esquema para una estación solar con un receptor central en la torre. En él, el sistema de captación de los rayos del sol consistía en un campo de helióstatos, reflectores planos controlados en dos coordenadas. Cada helióstato refleja los rayos del sol sobre la superficie del receptor central, que se eleva por encima del campo de helióstatos para eliminar la influencia del sombreado mutuo. En cuanto a sus dimensiones y parámetros, el receptor es similar a una caldera de vapor convencional.
Las evaluaciones económicas han demostrado la viabilidad de utilizar grandes generadores de turbina de 100 MW en tales estaciones. Para ellos, los parámetros típicos son una temperatura de 500 °C y una presión de 15 MPa. Teniendo en cuenta las pérdidas, para garantizar dichos parámetros, se requería una concentración de alrededor de 1000. Tal concentración se logró controlando los helióstatos en dos coordenadas. Las estaciones debían disponer de acumuladores de calor para asegurar el funcionamiento del motor térmico en ausencia de radiación solar.
Desde 1982 , se han construido varias plantas tipo torre en los Estados Unidos con una capacidad de 10 a 100 MW. Un análisis económico detallado de sistemas de este tipo mostró que, teniendo en cuenta todos los costos de construcción, 1 kW de capacidad instalada cuesta aproximadamente $ 1150. Un kWh de electricidad cuesta alrededor de $ 0,15.
Los concentradores cilíndricos-parabólicos tienen la forma de una parábola , estirada a lo largo de una línea recta.
En 1913, Frank Schumann construyó una estación de bombeo en Egipto a partir de concentradores cilindroparabólicos. La estación constaba de cinco centros de 62 metros de largo cada uno. Las superficies reflectantes estaban hechas de espejos ordinarios. La estación producía vapor, con el que bombeaba unos 22.500 litros de agua por minuto [4] .
Un concentrador de espejos cilíndricos parabólicos enfoca la radiación solar en una línea y puede proporcionar su concentración cien veces mayor. En el foco de la parábola se coloca un tubo con un refrigerante (aceite) o una celda fotovoltaica . El aceite se calienta en un tubo a una temperatura de 300-390 °C. En agosto de 2010, NREL probó la instalación de SkyFuel. Durante las pruebas, se demostró que la eficiencia térmica de los concentradores cilindroparabólicos era del 73 % a una temperatura de calentamiento del refrigerante de 350 °C [5] .
Se fabrican espejos cilíndricos parabólicos de hasta 50 metros de largo. Los espejos están orientados a lo largo del eje norte-sur y dispuestos en filas cada pocos metros. El refrigerante ingresa al acumulador de calor para generar más electricidad mediante un generador de turbina de vapor .
Entre 1984 y 1991, se construyeron nueve centrales eléctricas a partir de concentradores cilindroparabólicos en California con una capacidad total de 354 MW. El costo de la electricidad fue de alrededor de $ 0,12 por kWh.
La empresa alemana Solar Millennium AG está construyendo una planta de energía solar en Mongolia Interior ( China ) . La capacidad total de la central eléctrica aumentará a 1.000 MW para 2020 . La capacidad de la primera etapa será de 50 MW.
En junio de 2006 se construyó en España la primera planta termosolar de 50 MW de potencia . En España , en 2010 se podrán construir 500 MW de centrales eléctricas con concentradores cilindroparabólicos.
El Banco Mundial está financiando la construcción de centrales eléctricas similares en México , Marruecos , Argelia , Egipto e Irán .
La concentración de la radiación solar permite reducir el tamaño de la célula fotovoltaica . Pero al mismo tiempo, su eficiencia disminuye y se requiere algún tipo de sistema de enfriamiento.
Los concentradores parabólicos tienen forma de paraboloide de revolución. El reflector parabólico se controla en dos coordenadas al seguir al sol. La energía del sol se concentra en un área pequeña. Los espejos reflejan alrededor del 92% de la radiación solar que cae sobre ellos. En el foco del reflector, un motor Stirling , o celdas fotovoltaicas, está montado en un soporte . El motor Stirling está ubicado de tal manera que el área de calentamiento está en el foco del reflector. El fluido de trabajo de un motor Stirling suele ser hidrógeno o helio .
En febrero de 2008, el Laboratorio Nacional Sandia logró una eficiencia del 31,25% en un montaje compuesto por un concentrador parabólico y un motor Stirling [6] .
Actualmente se encuentran en construcción plantas con concentradores parabólicos con una capacidad de 9 a 25 kW. Se están desarrollando instalaciones domésticas con una capacidad de 3 kW. La eficiencia de tales sistemas es de aproximadamente 22-24%, que es más alta que la de las células fotovoltaicas. Los colectores están hechos de materiales comunes: acero , cobre , aluminio , etc. sin el uso de silicio de "grado solar" . En metalurgia, se utiliza el llamado "silicio metalúrgico" con una pureza del 98%. Para la producción de células fotovoltaicas se utiliza silicio de "pureza solar", o "graduación solar" con una pureza del 99,9999% [7] .
En 2001, el costo de la electricidad generada en colectores solares fue de $0,09-0,12 por kWh . El Departamento de Energía de EE. UU. predice que el costo de la electricidad producida por concentradores solares caerá a $0.04-0.05 para 2015-2020 .
Stirling Solar Energy desarrolla colectores solares de gran tamaño, hasta 150 kW con motores Stirling . La compañía está construyendo la planta de energía solar más grande del mundo en el sur de California . Para el 2010 habrá 20.000 colectores parabólicos con un diámetro de 11 metros. La capacidad total de la planta de energía se puede aumentar hasta 850 MW.
Las lentes de Fresnel se utilizan para concentrar la radiación solar en la superficie de una celda fotovoltaica o en un tubo de transferencia de calor. Se utilizan lentes tanto anulares como de cintura. En inglés, se usa el término LFR - reflector lineal de Fresnel.
En 2010 estaban en funcionamiento en todo el mundo 1.170 MW de centrales termosolares. De estos, España cuenta con 582 MW y Estados Unidos con 507 MW. Está prevista la construcción de 17,54 GW de centrales termosolares. De estos, en USA 8670 MW, en España 4460 MW, en China 2500 MW [8] . En 2011 había 23 fabricantes y proveedores de colectores planos de 12 países; 88 fabricantes y proveedores de colectores de vacío de 21 países. [9]