La energía solar es el principal recurso de luz y calor de la Tierra. Puede proporcionar energía eterna para mantener la temperatura ambiente y germinar plantas. Con los avances tecnológicos, la energía solar se puede utilizar cada vez más eficiente y económicamente.
En un sistema de calefacción y refrigeración solar, la energía solar tiene el potencial de satisfacer una gran proporción de las necesidades de calefacción y refrigeración de los edificios y la industria. También existen numerosas tecnologías para diferentes temperaturas de fuente de calor y demandas específicas. Para garantizar una utilización solar constante y a largo plazo, el almacenamiento de calor también es esencial. En esta publicación, se brindará una descripción general de las tecnologías de calefacción y refrigeración solar.
Energía solar
La energía solar es la fuente de energía de los sistemas solares de calefacción y refrigeración. Existen principalmente dos formas modernas de recolectar energía solar. Una es adoptar directamente la energía térmica producida por la radiación solar con el uso de un colector solar. El calor solar obtenido podría luego transferirse a aplicaciones de calefacción o refrigeración solar; este tipo de sistema también se llama sistema termosolar. El otro es convertir la radiación solar en energía eléctrica a través de material fotovoltaico (PV); este tipo de sistema también se denomina sistema solar fotovoltaico.
Cuando la energía solar se integra con los sistemas de calefacción y refrigeración, hay muchas más opciones para los sistemas de accionamiento térmico que para los sistemas de accionamiento eléctrico. En este caso, se enfatizan los colectores solares térmicos y los sistemas de accionamiento térmico han sido ampliamente investigados y desarrollados. Debido a la importante reducción de precios de la energía solar fotovoltaica en los últimos años, los sistemas de energía solar fotovoltaica también se están volviendo atractivos.
Existen diferentes clasificaciones del colector solar. Se puede clasificar en no concentrador tipos y concentrando tipos También se puede clasificar en colectores de baja temperatura, colectores de temperatura media y colectores de alta temperatura según la temperatura de trabajo. Los colectores de temperatura baja, media y alta funcionan a temperaturas inferiores a 100 °C, 100–200 °C y superiores a 200 °C, respectivamente.
En este post, los colectores solares se clasifican en sin seguimiento colectores solares y seguimiento colectores solares. También se ofrece una breve introducción a la tecnología solar fotovoltaica.
Colectores solares sin seguimiento
Este tipo de colector solar incluye principalmente el colector de placa plana (FPC), el colector de tubo de vacío (ETC) y el concentrador parabólico compuesto (CPC). Por lo general, funcionan como colectores de baja y media temperatura que son adecuados para la calefacción y refrigeración de espacios. Se puede utilizar agua, aire o aceite como medio de transporte térmico.
Colector de placa plana
FPC: Los FPC generalmente contienen el acristalamiento, la placa absorbente, el componente de transferencia de calor y la capa de aislamiento. Los FPC se utilizan normalmente para la calefacción de espacios o el suministro de agua caliente. Tiene baja temperatura de trabajo, pero es simple, rentable y tiene una larga vida útil. También se integra fácilmente en edificios.
Colector de tubo de vacío
ETC: Cuando el clima no es tan cálido o la temperatura de trabajo es alta, el FPC no puede funcionar de manera eficiente debido a las pérdidas de calor y se pueden usar los ETC. En el ETC, la superficie absorbente con revestimiento selectivo (absorción 95 %, emisividad <5 %) se coloca en un tubo de doble capa con vacío entre dos capas. El vacío que rodea al absorbedor puede reducir en gran medida las pérdidas de calor por convección y conducción. En este caso, se puede aumentar la eficiencia.
Concentrador parabólico compuesto
CPC: Para aumentar la eficiencia del colector solar, se pueden utilizar colectores de concentración como los CPC. El CPC es un concentrador sin imágenes con una relación de concentración baja. El CPC utiliza una superficie reflectante parabólica compuesta para reflejar y concentrar la radiación solar en la línea focal. Se utiliza un absorbedor tubular como receptor. En algunos colectores CPC recientemente desarrollados, una superficie parabólica compuesta y un receptor están integrados en el tubo de vacío para evitar pérdidas de calor y aumentar la eficiencia.
Seguimiento de colectores solares
Este tipo de colector solar incluye principalmente los colectores de seguimiento de un solo eje y los colectores de seguimiento de dos ejes. Los colectores de seguimiento de un solo eje incluyen colectores cilindroparabólicos lineales (PTC), reflectores Fresnel lineales (LFR) y colectores cilindrocilíndricos (CTC). Tienen un efecto concentrador bidimensional. Los colectores de seguimiento de dos ejes incluyen el colector de plato parabólico y el colector de torre solar (campo de heliostatos). Tienen un efecto concentrador tridimensional. Los colectores de seguimiento suelen funcionar como colectores de media y alta temperatura. Se puede utilizar agua, aceite o sal fundida como fluido de trabajo.
Colectores cilindroparabólicos
PTC: El PTC utiliza un reflector cilindroparabólico para concentrar la radiación solar. El receptor tubular integrado en el tubo de vacío se coloca a lo largo de la línea focal del reflector. El colector necesita seguir al Sol a lo largo de un solo eje para maximizar su eficiencia. Se puede obtener una relación de concentración más alta que la del CPC. Los PTC pueden producir calor de manera efectiva a temperaturas entre 50 °C y 400 °C. Se puede utilizar para la generación de energía solar térmica, energía solar térmica para usos industriales y como fuente de calor para un enfriamiento solar eficiente.
Reflectores Fresnel Lineales
LFR: El LFR utiliza varios conjuntos de espejos planos para reflejar y concentrar la radiación solar en conjunto. Comparado con los PTC, el LFR es más económico y ocupa menos espacio. Los conjuntos de espejos generalmente se colocan en el suelo. Esto hace que la instalación sea más sencilla que las PTC, especialmente en un sistema grande. Sin embargo, los problemas de sombreado y bloqueo posiblemente pueden reducir su eficiencia. La tecnología LFR compacta puede mejorar esto ahora que es bien aceptada para la industria de calefacción y refrigeración solar.
plato parabólico
plato parabólico: El plato parabólico utiliza el plato reflectante para concentrar la radiación solar en un punto. En este caso, la relación de concentración de un disco parabólico es más alta que la PTC y la LFR. Se puede obtener una mayor eficiencia o una mayor temperatura de trabajo. El absorbedor de un colector de plato parabólico se coloca en el punto focal. Como se adopta la concentración tridimensional, se necesita un seguimiento de dos ejes. Se han utilizado platos parabólicos con motores Stirling de potencia para generar electricidad.
torre solar
Torre solar: La torre solar utiliza los helióstatos para concentrar la radiación solar al receptor en una torre. Los helióstatos son espejos de seguimiento repartidos por la torre. En este caso la torre solar también se denomina campo de helióstatos o colector receptor central. Debido a que los helióstatos son componentes individuales instalados en el suelo, el área reflectante total y la relación de concentración pueden ser grandes, lo que aumenta la potencia del sistema y la eficiencia de trabajo. Los sistemas de torres solares han sido considerados como un sistema eficiente para generar electricidad a partir de energía solar térmica. Los tipos de concentración, modos de seguimiento, temperaturas de trabajo y eficiencias de los colectores mencionados se dan en la Tabla 1.1. Las eficiencias de los colectores solares térmicos están estrechamente relacionadas con la temperatura de trabajo y la temperatura ambiente. En este caso no se incluyen las eficiencias.
Colectores solares térmicos
Coleccionista | Movimiento | Tipo de absorbente | Proporción de concentración | Temperatura indicativa (°C) |
placa plana | Estacionario | Plano | 1 | 30–80 |
tubo de vacío | Estacionario | Plano | 1 | 50–200 |
CPC | Estacionario | Tubular | 1–5 | 60–240 |
PTC | Seguimiento de un solo eje | Tubular | 15–45 | 60–300 |
LFR | Seguimiento de un solo eje | Tubular | 10–40 | 60–250 |
plato parabólico | Seguimiento de dos ejes | Punto | 100–1000 | 100–500 |
Torre solar | Seguimiento de dos ejes | Punto | 100–1500 | 150–2000 |
- CPC, Concentrador parabólico compuesto;
- PTC, colector cilindroparabólico;
- LFR, reflector Fresnel lineal.
Energía solar fotovoltaica
Cuando se utilizan energía solar fotovoltaica para un sistema de calefacción y refrigeración, se puede adoptar un sistema de compresión de vapor convencional. En un sistema solar fotovoltaico, la radiación solar se puede convertir en electricidad de corriente continua a través del efecto fotovoltaico de los materiales semiconductores. Las celdas solares pueden clasificarse como celdas de silicio, células de película delgada, células solares emergentes, y células solares de unión múltiple, entre las que se encuentran disponibles en el mercado células solares de película y de silicio.
Células de silicio
Células de silicio: El material a base de silicio es el material fotovoltaico más desarrollado y comercializado. También se le llama tecnología de “primera generación”. Los materiales a base de silicio representan la mayor cuota de mercado de productos fotovoltaicos. El silicio policristalino y el silicio monocristalino son los materiales más utilizados en el mercado.
Células de película delgada
Células de película delgada: Una celda de película delgada se fabrica depositando una o más capas delgadas de material fotovoltaico de película delgada sobre un sustrato. Su grosor varía de nanómetros a decenas de micrómetros, lo que facilita su integración en edificios. También se denomina tecnología de “segunda generación”. Las células solares de película delgada comercializadas suelen utilizar telururo de cadmio, seleniuro de cobre, indio y galio y silicio amorfo de película delgada (a-Si). En 2014, las celdas de película delgada representaron aproximadamente el 9 % del despliegue mundial, mientras que el resto se componía de celdas de silicio cristalino.
Células solares emergentes
Células solares emergentes: Las células solares emergentes también pueden llamarse células solares de "tercera generación". Estas células solares tienen el potencial de superar el límite de Shockley-Queisser para células solares de banda prohibida única. Incluyen las células sensibilizadas con tinte y las células orgánicas. Otras tecnologías disponibles incluyen la celda de sulfuro de cobre, zinc y estaño, la celda de perovskita, la celda de polímero y la celda de puntos cuánticos.
Células multiunión
Células multiunión: Las celdas tradicionales tienen solo una unión p-n y existe un límite de eficiencia teórico. Las células solares multiunión tienen múltiples uniones p-n hechas de diferentes materiales semiconductores. Se puede alcanzar una eficiencia teórica de hasta el 86,8% mediante uniones p-n infinitas. Las celdas de unión múltiple varían según el número de unión y el material. Estos incluyen la celda InGaP/GaAs/InGaAs, silicio amorfo/aleación de hidrógeno (a-Si)/silicio nanocristalino o microcristalino (nc-Si)/celda de película delgada nc-Si, celda de película delgada a-Si/nc-Si y pronto.
Más información
- [1] Kalogirou SA Colectores solares térmicos y aplicaciones. Prog Energy Combust Sci. 2004;30(3):231–295.
- [2] Informe Fraunhofer ISE Photovoltaics. 2015.
- [3] Shockley W, Queisser HJ Límite de equilibrio detallado de la eficiencia de las células solares de unión pn. J Appl Phys. 1961;32(3):510–519.
- [4] Dimroth F, Kurtz S. Células solares de unión múltiple de alta eficiencia. Sra. Toro. 2007;32(03):230–235.
