El blog de las Energías Renovables

Artículos de 08 - 2008

Continuamos en este artículo mencionando los últimos avances en producción de energía solar.

La segunda tecnología nombrada, la de las células de triple unión, están basada en compuestos, normalmente de Arseniuro de Galio, y son células altamente eficientes que han sido concebidas para ser utilizadas en aplicaciones que requieren un alto rendimiento. Dichas células de unión múltiple constan de varias películas delgadas cada una constituida por un semiconductor diferente. Una célula de triple unión, por ejemplo, podría estar compuesta por GaAs (Arseniuro de Galio), Ge (Germanio) y GaInP2 (Gallium Indium Phosphide), con una capa túnel entre cada una de las anteriores, y los contactos eléctricos en los extremos.

Cada tipo de semiconductor se caracteriza por una banda de energía, que le hace más sensible a la luz de determinado color, o dicho de manera más precisa, a absorber radiación electromagnética de una determinada región del espectro. Los semiconductores son seleccionados cuidadosamente para poder absorber todo el espectro solar produciendo así la máxima electricidad posible. El resultado final es un rendimiento superior al de las actuales células monocapa.

De esta manera, y uniéndola con la tecnología de puntos cuánticos podrían llegar a fabricarse células que aprovechasen todo el espectro solar, incluidos los no visibles.

La última tecnología es XCPV (Fotovoltaica Concentrada al Extremo) patente de Sunrgi. Su objetivo es amplificar la energía del sol (magnificación óptica) mediante la concentración y aumento de la energía solar utilizando reflectores y lentes Fresnel. Su principal ventaja es que minimiza la cantidad de paneles fotovoltaicos necesarios para obtener energía, aunque la opción más interesante para otros técnicos es la estrategia contraria, usar paneles muy pequeños combinados en un diseño por módulos infinitamente escalables.

El punto flaco de esta tecnología es que depende exclusivamente de un sistema de refrigeración, ya que los sistemas son capaces de magnificar la luz del sol 2.000 veces y alcanzar temperaturas de 1.650ºC. A este respecto los técnicos de Sunrgi aseguran haber vencido dicho obstáculo mediante un sistema de refrigeración de las células mediante conducción, radiación y convección de aire y un líquido patentado basado en materiales nanotecnológicos.

Según SUNRGI su producto abarata el coste de producción energética a 0,05€ el Kw.

Aún tardaremos en encontrar todos estos avances en el mercado, pero no cabe duda que si todos los datos son ciertos, la industria fotovoltaica está a punto de sufrir una nueva revolución.

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Desde hace unos años estamos observando grandes avances dentro de las energías renovables, sea cual sea su campo, tanto en la eólica, la solar ya sea en su rama eléctrica como en la térmica, o incluso en las refrigeraciones solares, o áreas tan desconocidas como la energía marina u otras. Ahora le vuelve a tocar el turno a la energía solar, y es que recientemente se han dado a conocer tres nuevos avances, casi futuristas, que según las empresas que los han llevado a cabo, harán posible que la eficiencia obtenida se optimice hasta un 44% frente al 14% con los sistemas actuales.

Estos tres avances en cuestión son:

• Los puntos cuánticos.
• Las células de triple unión.
• La tecnología XCPV (Fotovoltaica Concentrada al Extremo).

La primera de ellas, los puntos cuánticos,

Los puntos cuánticos (qdots o quantum dots en inglés) o átomos artificiales son nanoestructuras creadas en el laboratorio que miden millonésimas de milímetro. Lo especial es que, en ellos, los electrones están obligados a permanecer atrapados, confinados en las tres dimensiones, y eso genera curiosos fenómenos cuánticos.

En concreto, los electrones se disponen en el punto como en un único átomo, de ahí el apodo átomos artificiales. Y de ahí, también, el que la materia estructurada en puntos cuánticos tenga propiedades que pueden ser controladas a voluntad.

Una de ellas es que, al ser iluminados, los puntos cuánticos reemiten luz en una longitud de onda muy específica, que depende del tamaño del punto cuántico. Cuanto más pequeños sean los puntos, menor es la longitud de onda y más acusadas las propiedades cuánticas de la luz que emiten. El resultado es que “puedes diseñar de antemano un punto cuántico para la longitud de onda que desees“.

Utilizando esta técnica de variar el tamaño, se puede por decirlo de alguna manera, ajustar de una forma más exacta la célula fotovoltaica para absorber distintas longitudes de onda, y así, por ejemplo, captar todo el espectro solar posible, ya sea visible o no. Al utilizar los puntos cuánticos en semiconductores se han obtenido eficiencias de hasta el 42% en laboratorio, esto es debido a que un punto cuántico genera 3 electrones por cada protón de energía de luz solar, frente a 1 único electrón mediante las células solares actuales, ya que el resto se convierten en calor.

Es decir, la tecnología de puntos cuánticos puede añadir un mayor rendimiento y un menor coste de fabricación para las futuras células solares.

En el siguiente post analizaremos las otras dos tecnologías anteriormente nombradas.

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En el post anterior ya hemos comentado el principio de funcionamiento de los tubos de vacío y los tipos que hay.

Continuando con dicho tema, y en relación con los tubos de vacío tipo Heat Pipe, comentar que las características principales de este tipo de tubos son:

• Está aislado del exterior por una capa de vacío entre dos de vidrio proporcionando así el mejor aislamiento térmico posible.
• Coeficiente de pérdidas varias veces menor que el de un panel plan estándar, de hasta un 35 por ciento más que un panel plano bajo condiciones climáticas adversas de baja temperatura y baja radiación. Esta es una gran ventaja que hace que se mantenga el rendimiento a lo largo del año.
• Unión seca. El fluido caloportador nunca entra en contacto con el HEAT PIPE, ofreciendo una gran robustez del sistema. Además se pueden montar y desmontar tubos con la instalación presurizada.
• Función diodo: Al contrario de equipos planos, los HEAT PIPE nunca emitirán calor al ambiente, ya que la transferencia de calor se realiza siempre en un solo sentido, desde el absorbedor hacia el agua, y nunca al revés
• Limitación de la temperatura: El ciclo de evaporación/condensación se detiene cuando se alcanza la temperatura crítica del fluido vaporizante evitando aumentos incontrolados de temperatura.
• Menor volumen de fluido primario por el colector en comparación con los paneles planos: El circuito tiene menos volumen total y consecuentemente el peligro de sobrepresiones disminuye.

Los colectores de tubo de vacío con tecnología heat pipe tienen la ventaja de no sufrir pérdidas por la noche ya que el proceso de transferencia de calor no es reversible (es decir el fluido caliente o el calor no puede pasar del acumulador al tubo y por lo tanto perderse). Además cada tubo es independiente pudiéndose cambiar en pleno funcionamiento del sistema. Es altamente resistente a las heladas.

Dado que también pueden girar sobre su eje los tubos, existe la posibilidad de que adopten posiciones verticales y horizontales al igual que ocurre en los sistemas de flujo directo aunque en este caso habrá que respetar una inclinación mínima del largo del tubo para permitir que el fluido una vez licuado pueda descender por gravedad.

La temperatura ambiente supone un factor importante que afecta al rendimiento de los colectores, cuanto más fría sea menor será su rendimiento porque habrá más pérdidas en la superficie del colector. Los colectores de tubo de vacío al tener muy pocas pérdidas ofrecerán un rendimiento claramente superior en climas muy fríos. Además este tipo de colectores es capaz de aprovechar la radiación difusa que suele darse en los días de nublados ligeros.

Entre las ventajas de estos sistemas encontramos las siguientes:

• Sistema de muy fácil instalación y sencillo mantenimiento.
• Alto rendimiento, hasta un 50% más que los sistemas tradicionales de placa.
• Elevada eficacia, es capaz de generar energía entre 2 y 5 minutos después de recibir radiación solar.
• Gran eficiencia, calienta el agua incluso en días nublados, condiciones adversas y con bajas temperaturas de hasta -50ºC.
• Alta resistencia, fabricados con vidrio de boro silicato endurecido, que permite resistir impactos de granizo de 30 a 40 mm
• Gran durabilidad, mas de 15 años de vida útil.
• Sin problemas de erosión o corrosión ya que los tubos no están en contacto con el agua.
• Funcionamiento continuo, los tubos no se calientan y pueden ser sustituidos sin necesidad de parar el sistema.

Con todo lo anteriormente comentado puede parecer que los tubos con sistema Heat Pipe son la panacea pero esto no es así, principalmente porque cada sistema tiene sus aplicaciones más óptimas.

Los colectores de tubo de vacío son especialmente apropiados para climas muy fríos y parcialmente nubosos, ya que como hemos mencionado anteriormente, son capaces de aprovechar niveles de radiación muy bajos, incluso en situaciones de nubosidad. Por el contrario son desaconsejables en zonas de clima cálido y mediterráneo, ya que en temporada de verano pueden llegar a producirse situaciones de sobrecalentamiento que dañen la instalación. Otro inconveniente es el coste superior frente a los colectores planos.

Resumiendo, no hay sistemas mejores o peores, sino que a la hora de proyectar una instalación hay que tener en cuenta varios factores para que el resultado final sea más adecuado en cuanto a inversión, rendimiento, superficie utilizada, etc.

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Solemos caer en la tentación de generalizar cuando hablamos de cualquier tema, ya sea en conversaciones normales, técnicas, etc…Podemos escuchar frases del tipo: “Lo mejor para….. es …”, y a veces no nos paramos a analizar las causas o condicionantes del problema en cuestión.

Recientemente me ha chocado esta cuestión al leer varias aportaciones en foros de energía solar térmica, así que me gustaría hacer mi pequeña aportación al respecto.

Respecto al aprovechamiento de energía solar para calefacción o agua caliente, existen, como cabe esperar, distintas tecnologías y sistemas. Quizás el más conocido sean los colectores planos que cada vez vemos más en los tejados de los nuevos edificios gracias a las nuevas normativas energéticas.

El funcionamiento de estos sistemas de energía solar ya sabemos como es; básicamente es una placa absorbedora de color oscuro formada por una superficie metálica por cuyo interior fluye el líquido caloportador, ya sea de forma natural, es decir, por termosifón, o forzado mediante una bomba. Posteriormente dicho fluido cede su temperatura en un intercambiador para que el agua de calefacción y acs puedan ser utilizadas.

Sin embargo, existen otros tipos de colectores con características bastantes diferentes a los anteriores, son los denominados tubos de vacío.

Este sistema se basa en un fenómeno llamado principio de concentración, necesitando de una superficie curva que a su vez sea reflectante para poder recibir la radiación. De esta forma los rayos acaban concentrándose en la parte central del colector, alcanzado altas temperaturas. Por tanto este circuito consiste en unas cámaras cilíndricas de vidrio con un fluido caloportador en su interior.

El colector de energía solar de vacío de flujo directo, se caracteriza por tener la tubería soldada a la placa absorbedora dividida en dos mediante una placa de cobre, de manera que por una parte del tubo entra el circuito primario y por la otra sale, calentándose durante el recorrido.

La placa colectora y el tubo del traspaso térmico son sellados al vacío dentro de un tubo de cristal. Esto proporciona un aislamiento excepcional y lo protege perfectamente de los agentes atmosféricos que pueden deteriorarlo o desgastarlo con el tiempo, tales como la humedad y la contaminación. Este aislamiento asegura una pérdida de calor mínima, lo que supone un altísimo rendimiento, incluso en las condiciones más adversas.

Los colectores de tubo de vacío de flujo directo tienen la ventaja de poder adoptar una posición tanto horizontal como vertical sin mermar su rendimiento ya que el tubo puede rotar sobre su eje inclinándose el absorbedor de la manera más adecuada.

Existe otro tipo de tubos de vacío denominados “Heat Pipe”, son considerados los “Superconductores del calor” debido a su muy baja capacidad calorífica y a su especial conductividad. El tubo Heat Pipe consiste en un cilindro de metal hueco, cerrado en sus extremos y sometido a vacío, cuyo interior contiene una pequeña cantidad de un fluido, normalmente una mezcla de ” agua-glicol “, que funciona como medio transmisor del calor, al cual nos referiremos como “caloportador”.

El sistema funciona como un ciclo natural evaporación-condensación de forma que cuando el tubo esta expuesto a la radiación solar y en posición inclinada, el fluido caloportador que esta dentro del tubo se evapora, absorbiendo el calor latente de vaporización, y asciende hasta el extremo superior, que al estar en contacto con una superficie más fría se produce, allí mismo su condensación, liberando el calor latente asociado a este cambio físico.

El caloportador en su estado líquido descenderá al extremo inferior del tubo, por la propia acción de la gravedad dando comienzo a un nuevo ciclo.

En el siguiente post nombraremos las ventajas de este tipo de sistemas y lo compararemos con los otros para aclarar cuándo es recomendable su instalación, y cuándo no lo es.

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Continuamos en este artículo comentando las características de las CSP (Centrales Solares Térmicas de Concentración) como continuación del post del pasado día.

Las centrales solares térmicas de colector distribuido, se caracterizan por usar un espejo curvo, de forma parabólica, como elemento para concentrar la radiación solar sobre una tubería, situada en paralelo con la superficie del espejo. Si orientamos el espejo hacia el sol, la curvatura parabólica del espejo hace que todos los rayos de sol se concentren en un mismo punto, llamado foco (en realidad es una línea paralela a la superficie del espejo). Es en esa posición donde se coloca la tubería con el fluido caloportador que queremos calentar, generalmente aceite.

El término colector distribuido hace referencia a que los espejos curvos (colectores) están distribuidos en hileras, con objeto de sumar sus efectos y conseguir elevar la temperatura del aceite hasta los valores deseados. En este caso los espejos también se orientan automáticamente (en sentido vertical) para captar siempre la máxima radiación posible para cada posición del sol a lo largo del día.

Una vez que el fluido caloportador ha captado toda la energía calorífica el proceso para convertirlo en electricidad es igual que en las centrales de torre. Se produce un intercambio de calor entre el fluido y agua dentro de un generador de vapor, el cual produce vapor a presión que mueve una turbina y un alternador, produciéndose así la electricidad que posteriormente será inyectada a la red de distribución eléctrica.

Existe un tercer tipo de centrales llamadas de Disco Parabólico Stirling, consiste en un grupo de espejos que forman una figura disco-parabólica que siguen al sol en dos ejes con gran precisión y en cuyo foco se dispone el receptor solar en el que se calienta un fluido (hasta los 750 ºC). Para generar electricidad se utilizan, actualmente, dos tipos de tecnologías: motores Stirling o turbinas Brayton.

De estas tres tecnologías, la de los colectores cilindro parabólicos (colector distribuido) es la más desarrollada comercialmente

Otra característica de este tipo de plantas, es que pueden funcionar constantemente, ya que parte del calor es almacenado en aceite o sales fundidas para que la turbina siga funcionando de noche. Las sales, constituidas por nitratos de sodio y potasio, se mantienen fundidas con la aportación de la energía solar recogida por los heliostatos, de tal modo que almacenan el excedente de calor acumulado durante las horas de insolación, lo que permite seguir produciendo electricidad aún cuando no hay luz solar. Gracias a este sistema, la autonomía es de unas 16 horas en ausencia de insolación. Además, la elevada temperatura a la que se capta la energía solar en el receptor de sales permite disponer de vapor de mayor presión y temperatura, lo que aumenta considerablemente el rendimiento de la turbina.

España es un país privilegiado en cuanto a recurso solar y condiciones favorables para la instalación de centrales eléctricas termosolares. El Gobierno Central, en su Plan de Energías Renovables 2005- 2010, ha marcado un objetivo de 500MWe de potencia instalada en el año 2010 para este tipo de tecnologías. Para potenciar el cumplimiento de dicho objetivo, entre otras medidas, se ha establecido un marco legal favorable cuyo principal exponente es el RD 661/2007, del 25 de Mayo del año 2007, y que sustituye al anterior R.D. 436/2004.

En la actualidad, existen en España cuatro instalaciones de generación eléctrica a partir de energía termosolar: la PS 10, en la provincia de Sevilla, que emplea un receptor central de torre, la Central Termosolar de Puertollano (Ciudad Real), que emplea colectores cilindro parabólicos, la Central Andasol I, situada en la provincia de Granada, que utiliza esta misma tecnología, y la central de Manchasol-1, que será el tercer mayor complejo termosolar de Europa y el cuarto del mundo cuando esté finalizada.

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