La energía solar se ha convertido en una opción cada vez más popular para generar electricidad de manera limpia y sostenible. Uno de los sistemas más eficientes y prometedores en este campo es el de las torres de energía solar, también conocidas como centrales receptoras. Estas torres son grandes generadores de energía a gran escala que consisten en un campo de heliostatos y una torre solar con ópticas instaladas y un receptor solar. A continuación, exploraremos en detalle cómo funcionan estas torres y cuál es su temperatura de operación.
¿Qué es la temperatura de una torre de energía solar?
Las torres de energía solar son sistemas generadores de energía a gran escala que aprovechan la radiación solar concentrada para generar calor de alta temperatura en el receptor solar. Este calor se convierte luego en energía eléctrica utilizando un ciclo termodinámico convencional o avanzado. El ciclo más comúnmente utilizado es el ciclo Rankine de vapor, aunque también se pueden utilizar ciclos de aire Brayton o dióxido de carbono. Para garantizar un funcionamiento continuo a pesar de la intermitencia de la luz solar, estos sistemas están integrados con métodos de almacenamiento de energía térmica.
La torre de energía solar, también conocida como receptor central, consiste en una columna de torre con un reflector instalado en la parte superior o un receptor solar que convierte la radiación en calor. Cuando la torre tiene un reflector en la parte superior, el receptor solar se encuentra en la base y recibe la radiación concentrada reflejada desde el sistema de espejos superiores. El elemento de costo principal de los sistemas de torres solares concentradas es el campo de heliostatos, que corresponde aproximadamente al 40% de la inversión total. Además, se requiere almacenamiento térmico para un funcionamiento eficiente y continuo. El almacenamiento térmico debe diseñarse de manera que la planta de energía reciba calor de manera constante y la turbina funcione a su punto de diseño con su máxima eficiencia. Uno de los medios de almacenamiento más comunes es el uso de sales fundidas, como una mezcla de sal de potasio y nitrato de sodio. La sal fundida se calienta mediante radiación concentrada a una temperatura de aproximadamente 300-550°C. Se utilizan un tanque caliente y uno frío, y se almacena una cantidad suficiente de sal caliente. Gracias a este sistema de almacenamiento termocline, el factor de capacidad de la planta puede alcanzar valores en el rango del 20% al 70% o incluso más.
La temperatura de una torre de energía solar
La energía de la radiación incidente en el receptor central es menor que la energía de la radiación incidente en el campo solar debido a múltiples tipos de pérdidas ópticas que difieren según la posición del heliostato en el campo y el ángulo del sol. Estas pérdidas ópticas se pueden combinar en un factor de pérdida óptica compuesto del campo, que se describe de la siguiente manera: F field = f y f s f b f at f g f a, donde los factores a la derecha se refieren a pérdidas debido al ángulo incidente momentáneo del sol con respecto a las superficies reflectantes (f y), sombreado de superficies debido a la posición de otros heliostatos en el campo (f s), bloqueo parcial o luz reflejada (f b), atenuación atmosférica de la luz (f at), aberración óptica e intercepción de luz por el divisor espectral (f g) y el ángulo incidente de la radiación concentrada en la superficie del receptor (f a), respectivamente. El factor F field es un valor promedio para todos los heliostatos y se puede definir mediante un modelo detallado del campo solar basado en las posiciones conocidas de los heliostatos, las características ópticas y las ubicaciones geográficas conocidas.
Con el desarrollo de la tecnología y las oportunidades de producción en masa, se estima que el costo de los heliostatos disminuirá por debajo de los $90/m2, lo que hace que el sistema de receptor central sea mucho más atractivo desde el punto de vista económico. Los flujos de energía y exergía reflejados por el campo de heliostatos dependen de las características ópticas de los espejos. Los heliostatos reflejan la mayoría de la radiación incidente en función de la reflectancia espectral. Los heliostatos convencionales utilizan espejos de vidrio flotado con plata húmeda en la superficie posterior, que son muy populares en muchas condiciones ambientales adversas. Consisten en una lámina de vidrio recubierta en la parte posterior con una capa de plata de 700 Å, una capa de cobre de 300 Å y pintura negra de 25 mm. Los heliostatos están compuestos por muchos de estos espejos planos de plata sobre vidrio, fijados en una estructura metálica para formar una superficie cuasi-paraboloide con un punto focal en la torre solar. El uso de plata está justificado por su alta reflectancia en el rango visible, que corresponde aproximadamente al 95%.
Tipos de receptores solares
En la mayoría de los casos, el receptor solar se coloca en la parte superior de la torre. La opción de receptor externo generalmente consiste en un número de tubos verticales ensamblados en registros. A través de los tubos, se circula comúnmente una sal fundida como fluido térmico de transferencia de calor. Evidentemente, esta solución constructiva es simple pero no permite una alta concentración debido a la gran superficie expuesta a la radiación.
Otra solución es el uso de un receptor en forma de cavidad. En este caso, la luz concentrada proviene solo de la dirección ecuatorial y se refleja a través del campo. Hay un campo hacia el sur en el hemisferio norte, mientras que en el hemisferio sur hay un campo hacia el norte. La apertura del receptor en forma de cavidad es relativamente pequeña, lo que permite una transferencia de calor radiativa más intensa que en el caso del receptor externo. Dentro de la cavidad se encuentra el receptor, que puede diseñarse en forma de un registro de tubos con su superficie expuesta a la radiación concentrada.
Uno de los problemas con los absorbedores de luz superficial es la limitación de la resistencia del material al flujo de calor por unidad de superficie. Otros problemas relacionados con el uso de sales fundidas comunes incluyen el bombeo hacia la parte superior de la torre. Sin embargo, existe una alternativa a los receptores superficiales, conocidos como receptores volumétricos.
Los receptores volumétricos generalmente operan con fluidos térmicos en fase gaseosa. Se instala una matriz de receptores, cada uno de ellos con una CPC (Colector de Concentración Primaria) para una concentración secundaria. Se utiliza un vidrio transparente cóncavo para confinar el fluido térmico dentro del receptor. La luz se transmite al vidrio e interactúa con un material de estructura porosa en el interior a través del cual fluye el fluido de transferencia de calor. Esta disposición permite una absorción de luz volumétrica en lugar de una absorción superficial, lo que permite soportar flujos de luz mucho más altos. Con los receptores superficiales, la limitación del flujo de calor es de aproximadamente 200 kW/m2, mientras que con los receptores volumétricos, el límite es del orden de 1 MW/m
Las torres de energía solar, también conocidas como centrales receptoras, son sistemas eficientes y prometedores para la generación de energía limpia y renovable. Estos sistemas aprovechan la radiación solar concentrada para generar calor de alta temperatura, que luego se convierte en energía eléctrica. Con el desarrollo de tecnología y la reducción de costos de los heliostatos, estas torres se están volviendo cada vez más económicamente atractivas. Además, la integración de métodos de almacenamiento térmico permite un funcionamiento continuo y eficiente a pesar de la intermitencia de la luz solar. Los diferentes tipos de receptores solares, como los externos, de cavidad y volumétricos, ofrecen opciones flexibles para adaptarse a diferentes condiciones y necesidades. Las torres de energía solar son una solución prometedora para satisfacer la creciente demanda de energía de manera sostenible y respetuosa con el medio ambiente.