Solar thermal energy

Solar thermal energy (STE) is a form of energy and a technology for harnessing solar energy to generate thermal energy for use in industry, and in the residential and commercial sectors. Solar thermal collectors are classified by the United States Energy Information Administration as low-, medium-, or high-temperature collectors. Low-temperature collectors are generally unglazed and used to heat swimming pools or to heat ventilation air. Medium-temperature collectors are also usually flat plates but are used for heating water or air for residential and commercial use.

High-temperature collectors concentrate sunlight using mirrors or lenses and are generally used for fulfilling heat requirements up to 300 °C (600 °F) / 20 bar (300 psi) pressure in industries, and for electric power production. Categories include concentrated solar thermal (CST) for fulfilling heat requirements in industries, and concentrated solar power (CSP) when the heat collected is used for electric power generation. CST and CSP are not replaceable in terms of application.

Unlike photovoltaic cells that convert sunlight directly into electricity, solar thermal systems convert it into heat. They use mirrors or lenses to concentrate sunlight onto a receiver, which in turn heats a water reservoir. The heated water can then be used in homes. The advantage of solar thermal is that the heated water can be stored until it is needed, eliminating the need for a separate energy storage system.^[1] Solar thermal power can also be converted to electricity by using the steam generated from the heated water to drive a turbine connected to a generator. However, because generating electricity this way is much more expensive than photovoltaic power plants, there are very few in use today.^[2]

Augustin Mouchot demostró un colector solar con un motor de refrigeración para fabricar helado en la Exposición Universal de París de 1878. La primera instalación de equipos de energía solar térmica tuvo lugar en el Sahara aproximadamente en 1910, a cargo de Frank Shuman, quien utilizó una máquina de vapor alimentada con vapor producido por la luz solar. Debido a que se desarrollaron motores de combustible líquido y resultaron más convenientes, el proyecto del Sahara fue abandonado, para ser retomado varias décadas después. ^{[ 3 ]} En 2023, la planta de energía solar térmica más grande del mundo se encontraba en los Emiratos Árabes Unidos . ^{[ 4 ]}

Los sistemas para aprovechar la energía solar térmica de baja temperatura incluyen medios para la captación de calor; generalmente almacenamiento de calor, ya sea a corto plazo o entre estaciones; y distribución dentro de una estructura o una red de calefacción urbana. En algunos casos, un mismo elemento puede realizar más de una de estas funciones (por ejemplo, algunos tipos de colectores solares también almacenan calor). Algunos sistemas son pasivos, otros son activos (que requieren energía externa para funcionar). ^{[ 5 ]}

La calefacción es la aplicación más obvia, pero la refrigeración solar puede lograrse en un edificio o en un sistema de refrigeración urbana mediante el uso de una enfriadora de absorción o adsorción ( bomba de calor). Existe una coincidencia productiva: cuanto mayor es el calor generado por la insolación, mayor es la capacidad de refrigeración. En 1878, Auguste Mouchout fue pionero en la refrigeración solar al producir hielo mediante una máquina de vapor solar conectada a un dispositivo de refrigeración. ^{[ 6 ]}

En Estados Unidos, los sistemas de calefacción , ventilación y aire acondicionado ( HVAC ) representan más del 25 % (4,75  EJ) de la energía utilizada en edificios comerciales (50 % en ciudades del norte) y casi la mitad (10,1  EJ) de la energía utilizada en edificios residenciales. ^{[ 7 ] [ 8 ]} Las tecnologías de calefacción, refrigeración y ventilación solar pueden utilizarse para compensar una parte de esta energía. La tecnología de calefacción solar más popular para calentar edificios es el sistema integrado de captación de aire solar transpirado que se conecta al equipo HVAC del edificio. Según la Asociación de Industrias de Energía Solar, en 2015 había más de 500 000 ^m²  ( 5 000 000 pies cuadrados) de estos paneles en funcionamiento en Norteamérica.

En Europa, desde mediados de la década de 1990 se han construido alrededor de 125 grandes centrales termosolares de calefacción urbana, cada una con más de 500 ^{m² (}  5400 ft² ) ^de colectores solares. Las más grandes tienen aproximadamente 10 000 m² (2,5 acres), con capacidades de 7 MW térmicos y costes de calefacción solar de alrededor de 4 céntimos de euro/kWh sin subvenciones. ^{[ 9 ]} 40 de ellas tienen capacidades nominales de 1 MW térmico o más. El programa de Calefacción Urbana Solar (SDH) cuenta con la participación de 14 países europeos y la Comisión Europea, y trabaja en el desarrollo técnico y de mercado, además de celebrar conferencias anuales. ^{[ 10 ]}   

Colectores de baja temperatura

Los colectores solares acristalados están diseñados principalmente para la calefacción de espacios. Recirculan el aire del edificio a través de un panel solar donde se calienta y luego se dirige de nuevo al interior. Estos sistemas de calefacción solar requieren al menos dos aberturas en el edificio y solo funcionan cuando la temperatura del aire en el colector solar es superior a la temperatura ambiente. La mayoría de los colectores acristalados se utilizan en el sector residencial.

Los colectores solares sin acristalamiento se utilizan principalmente para precalentar el aire de ventilación en edificios comerciales, industriales e institucionales con alta demanda de ventilación. Convierten muros o secciones de muros en colectores solares sin acristalamiento de bajo costo y alto rendimiento. También llamados "paneles solares transpirados" o " pared solar ", emplean un absorbedor de calor solar de metal perforado pintado que también funciona como la superficie exterior del edificio. La transferencia de calor al aire se produce en la superficie del absorbedor, a través del metal y detrás del mismo. La capa límite de aire calentado por el sol es aspirada hacia una perforación cercana antes de que el calor pueda escapar por convección al aire exterior. El aire calentado es entonces aspirado desde detrás de la placa absorbedora hacia el sistema de ventilación del edificio.

Un muro Trombe es un sistema pasivo de calefacción y ventilación solar que consiste en un canal de aire intercalado entre una ventana y una masa térmica orientada hacia el sol. Durante el ciclo de ventilación, la luz solar almacena calor en la masa térmica y calienta el canal de aire, lo que provoca la circulación a través de las rejillas de ventilación situadas en la parte superior e inferior del muro. Durante el ciclo de calefacción, el muro Trombe irradia el calor almacenado. ^{[ 11 ]}

Los estanques solares para techos, utilizados para calefacción y refrigeración solar, fueron desarrollados por Harold Hay en la década de 1960. Un sistema básico consiste en una vejiga de agua montada en el techo con una cubierta aislante móvil. Este sistema permite controlar el intercambio de calor entre el interior y el exterior cubriendo y descubriendo la vejiga entre el día y la noche. Cuando se necesita calefacción, la vejiga se descubre durante el día para que la luz solar la caliente y almacene calor para su uso nocturno. Cuando se necesita refrigeración, la vejiga cubierta extrae calor del interior del edificio durante el día y se descubre por la noche para irradiar calor a la atmósfera más fría. La casa Skytherm en Atascadero, California, utiliza un prototipo de estanque solar para calefacción y refrigeración. ^{[ 12 ]}

La calefacción solar mediante colectores de aire es más popular en Estados Unidos y Canadá que la calefacción con colectores de líquido, ya que la mayoría de los edificios ya cuentan con un sistema de ventilación para calefacción y refrigeración. Los dos tipos principales de paneles solares de aire son los acristalados y los no acristalados.

De los 21 000 ⁰⁰⁰ pies cuadrados (2 000 000 m² ⁾ de colectores solares térmicos producidos en Estados Unidos en 2007, 16 000 000 pies cuadrados (1 500 000 m² ⁾ eran de baja temperatura. ^{[ 13} ] Los colectores de baja temperatura se instalan generalmente para calentar piscinas, aunque también pueden utilizarse para la calefacción de espacios. Los colectores pueden usar aire o agua como medio para transferir el calor a su destino. La energía gratuita del sol también puede utilizarse para calentar agua y satisfacer las necesidades de agua caliente sanitaria, como el agua caliente que sale de los grifos. Los sistemas de calentamiento de agua solar térmico pueden proporcionar aproximadamente el 50 % de la demanda anual de agua caliente de una propiedad (dependiendo del tamaño de la propiedad, su ubicación, etc.), lo que a su vez puede ayudar a los propietarios a ahorrar en sus facturas de energía. ^{[ 14 ]}  

Un conjunto de tecnologías maduras llamadas almacenamiento de energía térmica estacional (STES) es capaz de almacenar calor durante meses, por lo que el calor solar recolectado principalmente en verano puede usarse para calefacción durante todo el año. La tecnología STES alimentada por energía solar se ha desarrollado principalmente en Dinamarca, ^{[ 15 ]} Alemania, ^{[ 16 ]} y Canadá, ^{[ 17 ]} y sus aplicaciones incluyen edificios individuales y redes de calefacción urbana. La comunidad solar de Drake Landing en Alberta, Canadá, tiene un pequeño sistema urbano y en 2012 logró un récord mundial al proporcionar el 97% de las necesidades de calefacción de la comunidad durante todo el año a partir del sol. ^{[ 18 ]} Los medios de almacenamiento térmico STES incluyen acuíferos profundos; roca nativa que rodea grupos de pozos de pequeño diámetro equipados con intercambiadores de calor; grandes fosas poco profundas revestidas que se llenan con grava y se aíslan en la parte superior; y grandes tanques de agua superficial aislados y enterrados.

La calefacción urbana centralizada las 24 horas también es factible con una planta de almacenamiento de energía solar térmica concentrada (CST). ^{[ 19 ]}

Almacenamiento interanual . El calor solar (o el calor procedente de otras fuentes) puede almacenarse eficazmente entre estaciones opuestas en acuíferos , estratos geológicos subterráneos, grandes fosas construidas especialmente y grandes depósitos aislados y cubiertos de tierra.

Almacenamiento a corto plazo . Los materiales de masa térmica almacenan energía solar durante el día y la liberan en los periodos más fríos. Entre los materiales de masa térmica más comunes se encuentran la piedra, el hormigón y el agua. La proporción y la ubicación de la masa térmica deben tener en cuenta factores como el clima, la iluminación natural y las condiciones de sombra. Cuando se incorporan correctamente, las masas térmicas pueden mantener temperaturas confortables de forma pasiva, reduciendo al mismo tiempo el consumo de energía.

Calor de proceso

Los sistemas de calefacción solar de procesos están diseñados para proporcionar grandes cantidades de agua caliente o calefacción de espacios para edificios no residenciales. ^{[ 21 ]}

Los estanques de evaporación son estanques poco profundos que concentran los sólidos disueltos mediante la evaporación . El uso de estanques de evaporación para obtener sal del agua de mar es una de las aplicaciones más antiguas de la energía solar. Entre sus usos modernos se incluyen la concentración de soluciones de salmuera utilizadas en la lixiviación minera y la eliminación de sólidos disueltos de los efluentes. En conjunto, los estanques de evaporación representan una de las mayores aplicaciones comerciales de la energía solar en uso actualmente. ^{[ 22 ]}

Los colectores transpirados sin acristalar son paredes perforadas orientadas al sol que se utilizan para precalentar el aire de ventilación. Estos colectores también pueden montarse en el techo para su uso durante todo el año y pueden elevar la temperatura del aire de entrada hasta 22  °C (72  °F) y proporcionar temperaturas de salida de 45–60  °C (110–140  °F). El corto período de recuperación de la inversión de los colectores transpirados (de 3 a 12  años) los convierte en una alternativa más rentable que los sistemas de captación acristalados. En 2015, se habían instalado más de 4000 sistemas en todo el mundo, con una superficie total de captación de 500 000 m² (100 acres). Algunos ejemplos incluyen un colector de 860 ^m²  ( ⁹³⁰⁰ ft² ) en Costa Rica, utilizado para el secado de granos de café ^, y un colector de 1300 ^m² ( 14 000 ft² ⁾ en Coimbatore, India, utilizado para el secado de caléndulas. ^{[ 23 ] [ 24 ]}    

Una planta procesadora de alimentos en Modesto, California, utiliza colectores parabólicos para producir vapor empleado en el proceso de fabricación. Se espera que el área de captación de 5000 ^m²  proporcione 15 TJ por año. ^{[ 25 ]} 

Estos colectores podrían usarse para producir aproximadamente el 50% o más del agua caliente necesaria para uso residencial y comercial en los Estados Unidos. ^{[ 26 ]} En los Estados Unidos, un sistema típico cuesta entre $4000 y $6000 al por menor ($1400 a $2200 al por mayor para los materiales) y el 30% del sistema califica para un crédito fiscal federal + existe un crédito estatal adicional en aproximadamente la mitad de los estados. La mano de obra para un sistema simple de circuito abierto en climas del sur puede tomar de 3 a 5 horas para la instalación y de 4 a 6 horas en áreas del norte. Los sistemas del norte requieren más área de colector y plomería más compleja para proteger el colector de la congelación. Con este incentivo, el tiempo de recuperación para un hogar típico es de cuatro a nueve años, dependiendo del estado. Existen subsidios similares en partes de Europa. Un equipo de un plomero solar y dos asistentes con capacitación mínima puede instalar un sistema por día. Las instalaciones de termosifón tienen costos de mantenimiento insignificantes (los costos aumentan si se usa anticongelante y energía de la red para la circulación) y en los EE. UU. reducen los costos operativos de un hogar en $6 por persona por mes. El calentamiento solar de agua puede reducir las emisiones de CO₂ _de una familia de cuatro en 1 tonelada/año (si reemplaza el gas natural) o 3 toneladas/año (si reemplaza la electricidad). ^{[ 27 ]} Las instalaciones de temperatura media pueden usar cualquiera de varios diseños: los diseños comunes son glicol presurizado, drenaje por retorno, sistemas por lotes y sistemas más nuevos tolerantes a la congelación de baja presión que usan tuberías de polímero que contienen agua con bombeo fotovoltaico. Se están revisando las normas europeas e internacionales para incorporar innovaciones en el diseño y operación de colectores de temperatura media. Las innovaciones operativas incluyen la operación de "colector permanentemente humedecido". Esta innovación reduce o incluso elimina la aparición de tensiones de alta temperatura sin flujo llamadas estancamiento que de otro modo reducirían la esperanza de vida de los colectores.

Cocinando

Las cocinas solares utilizan la luz del sol para cocinar, secar y pasteurizar . Cocinar con energía solar reduce los costos de combustible, disminuye la demanda de leña y mejora la calidad del aire al reducir o eliminar una fuente de humo.

El tipo más sencillo de cocina solar es la cocina de caja, construida por primera vez por Horace de Saussure en 1767. Una cocina de caja básica consiste en un recipiente aislado con una tapa transparente. Estas cocinas se pueden usar eficazmente con cielos parcialmente nublados y suelen alcanzar temperaturas de 50 a 100  °C (100 a 200  °F). ^{[ 29 ] [ 30 ]}

Las cocinas solares de concentración utilizan reflectores para concentrar la energía solar en un recipiente de cocción. Las geometrías de reflector más comunes son placa plana, disco y canal parabólico. Estos diseños cocinan más rápido y a temperaturas más altas (hasta 350  °C; 660  °F), pero requieren luz directa para funcionar correctamente.

La cocina solar de Auroville , India, utiliza una tecnología de concentración única conocida como cuenco solar . A diferencia de los sistemas convencionales de reflector de seguimiento/receptor fijo, el cuenco solar utiliza un reflector esférico fijo con un receptor que sigue el foco de la luz a medida que el Sol se mueve por el cielo. El receptor del cuenco solar alcanza una temperatura de 150  °C (300  °F) que se utiliza para producir vapor que ayuda a cocinar 2000 comidas diarias. ^{[ 31 ]}

Muchas otras cocinas solares en India utilizan otra tecnología de concentración única conocida como reflector Scheffler. Esta tecnología fue desarrollada por primera vez por Wolfgang Scheffler en 1986. Un reflector Scheffler es un plato parabólico que utiliza un seguimiento de un solo eje para seguir el curso diario del Sol. Estos reflectores tienen una superficie reflectante flexible que puede cambiar su curvatura para ajustarse a las variaciones estacionales en el ángulo de incidencia de la luz solar. Los reflectores Scheffler tienen la ventaja de tener un punto focal fijo que mejora la facilidad de cocción y pueden alcanzar temperaturas de 450-650  °C (850  °F a 1200  °F). ^{[ 32 ]} Construido en 1999 por Brahma Kumaris , el sistema de reflector Scheffler más grande del mundo en Abu Road, Rajastán, India, es capaz de cocinar hasta 35 000 comidas al día. ^{[ 33 ]} A principios de 2008, se habían construido más de 2000 grandes cocinas del diseño Scheffler en todo el mundo.

Cuando las temperaturas inferiores a unos 95  °C (200  °F) son suficientes, como en el caso de la calefacción de espacios, se suelen utilizar colectores de placa plana no concentradores. Debido a las elevadas pérdidas de calor a través del acristalamiento, estos colectores no alcanzan temperaturas muy superiores a los 200  °C (400  °F), incluso cuando el fluido caloportador está estancado. Dichas temperaturas son demasiado bajas para una conversión eficiente en electricidad.

La eficiencia de las máquinas térmicas aumenta con la temperatura de la fuente de calor. Para lograrlo en las centrales termosolares, la radiación solar se concentra mediante espejos o lentes para obtener temperaturas más elevadas  ; una técnica denominada energía solar de concentración (CSP). El efecto práctico de una alta eficiencia es la reducción del tamaño de los colectores de la central y del espacio total utilizado por unidad de energía generada, lo que disminuye tanto el impacto ambiental como el coste de la central.

A medida que aumenta la temperatura, diferentes formas de conversión se vuelven prácticas. Hasta 600  °C (1100  °F), las turbinas de vapor , tecnología estándar, tienen una eficiencia de hasta el 41 %. Por encima de 600  °C (1100  °F), las turbinas de gas pueden ser más eficientes. Las temperaturas más altas son problemáticas porque se necesitan diferentes materiales y técnicas. Una propuesta para temperaturas muy altas es usar sales de fluoruro líquido que operan entre 700  °C (1300  °F) y 800  °C (1500  °F), usando sistemas de turbinas multietapa para lograr eficiencias térmicas del 50 % o más. ^{[ 36 ]} Las temperaturas de operación más altas permiten que la planta use intercambiadores de calor secos de alta temperatura para su escape térmico, reduciendo el uso de agua de la planta  , crítico en los desiertos donde las grandes plantas solares son prácticas. Las altas temperaturas también hacen que el almacenamiento de calor sea más eficiente porque se almacenan más vatios-hora por unidad de fluido.

Las centrales termosolares de concentración (CSP) comerciales se desarrollaron por primera vez en la década de 1980. Las centrales termosolares más grandes del mundo son actualmente la planta solar Ivanpah  de 370 MW , puesta en marcha en 2014, y la instalación CSP SEGS de 354 MW , ambas ubicadas en el desierto de Mojave , en California, donde también se han llevado a cabo otros proyectos solares . 

La principal ventaja de la energía termosolar de concentración (CSP) es la capacidad de incorporar eficientemente almacenamiento térmico, lo que permite el suministro de electricidad durante un período de hasta 24 horas. Dado que la demanda máxima de electricidad suele producirse entre las 16:00 y las 20:00  horas, ^{[ 37 ]} muchas centrales termosolar de concentración utilizan entre 3 y 5  horas de almacenamiento térmico. Con la tecnología actual, el almacenamiento de calor es mucho más económico y eficiente que el de electricidad. De esta forma, la central termosolar de concentración puede producir electricidad día y noche. Si la ubicación de la central cuenta con una radiación solar predecible, se convierte en una central eléctrica fiable. La fiabilidad puede mejorarse aún más mediante la instalación de un sistema de combustión de respaldo. Este sistema puede utilizar la mayor parte de la planta termosolar de concentración, lo que reduce su coste.

Con fiabilidad, desierto sin explotar, ausencia de contaminación y sin costes de combustible, los obstáculos para el despliegue a gran escala de la energía termosolar de concentración (CSP) son el coste, la estética, el uso del suelo y factores similares relacionados con las necesarias líneas de alta tensión. Aunque solo se necesita un pequeño porcentaje del desierto para satisfacer la demanda mundial de electricidad, aún así se debe cubrir una gran superficie con espejos o lentes para obtener una cantidad significativa de energía. Una forma importante de reducir costes es el uso de un diseño sencillo.

Al considerar los impactos del uso de la tierra asociados con la exploración y extracción hasta el transporte y la conversión de combustibles fósiles , que se utilizan para la mayor parte de nuestra energía eléctrica, la energía solar a escala de servicios públicos se compara como uno de los recursos energéticos más eficientes en cuanto al uso de la tierra disponibles: ^{[ 38 ]}

El gobierno federal ha destinado casi 2000 veces más superficie a concesiones de petróleo y gas que al desarrollo solar. En 2010, la Oficina de Administración de Tierras aprobó nueve proyectos solares a gran escala, con una capacidad de generación total de 3682 megavatios, que representan aproximadamente 40 000 acres. En contraste, en 2010, la Oficina de Administración de Tierras tramitó más de 5200 solicitudes de concesiones de gas y petróleo, y otorgó 1308 concesiones, para un total de 3,2 millones de acres. Actualmente, 38,2 millones de acres de tierras públicas terrestres y otros 36,9 millones de acres de exploración en alta mar en el Golfo de México están arrendados para el desarrollo, la exploración y la producción de petróleo y gas. ^{[ 38 ]}

Diseños de sistemas

Durante el día, el sol tiene diferentes posiciones. Para sistemas de baja concentración (y bajas temperaturas), el seguimiento puede evitarse (o limitarse a unas pocas posiciones por año) si se utilizan ópticas no formadoras de imágenes . ^{[ 39 ] [ 40 ]} Sin embargo, para concentraciones más altas, si los espejos o lentes no se mueven, entonces el enfoque de los espejos o lentes cambia. Se requiere un sistema de seguimiento que siga la posición del sol. El sistema de seguimiento aumenta el costo y la complejidad. Teniendo esto en cuenta, se pueden distinguir diferentes diseños en la forma en que concentran la luz y siguen la posición del sol.

Diseños de canales parabólicos

Las centrales eléctricas de colectores parabólicos utilizan un colector curvo con espejos que refleja la radiación solar directa sobre un tubo de vidrio que contiene un fluido (también llamado receptor, absorbedor o colector) que recorre toda la longitud del colector, situado en el punto focal de los reflectores. El colector es parabólico en un eje y lineal en el eje ortogonal. Para compensar los cambios en la posición diaria del sol perpendicular al receptor, el colector se inclina de este a oeste, de modo que la radiación directa permanezca enfocada en él. Sin embargo, los cambios estacionales en el ángulo de la luz solar paralela al colector no requieren ajuste de los espejos, ya que la luz simplemente se concentra en otra parte del receptor. Por lo tanto, el diseño del colector no requiere seguimiento en un segundo eje. El receptor puede estar encerrado en una cámara de vacío de vidrio. El vacío reduce significativamente la pérdida de calor por convección.

Un fluido (también llamado fluido de transferencia de calor) pasa a través del receptor y se calienta mucho. Los fluidos más comunes son el aceite sintético, la sal fundida y el vapor a presión. El fluido que contiene el calor se transporta a una máquina térmica donde aproximadamente un tercio del calor se convierte en electricidad.

Los sistemas de colectores parabólicos a gran escala constan de muchos de estos colectores dispuestos en paralelo sobre una gran superficie de terreno. Desde 1985, un sistema solar térmico que utiliza este principio ha estado en pleno funcionamiento en California , Estados Unidos . Se denomina sistema de generación de energía solar (SEGS). ^{[ 41 ]} Otros diseños de CSP carecen de esta larga experiencia y, por lo tanto, actualmente se puede afirmar que el diseño de colectores parabólicos es la tecnología CSP más probada.

El SEGS es un conjunto de nueve plantas con una capacidad total de 354  MW y ha sido la planta de energía solar más grande del mundo, tanto térmica como no térmica, durante muchos años. Una planta más reciente es Nevada Solar One con una capacidad de 64  MW. Las centrales solares Andasol de  150 MW se encuentran en España, con una capacidad de 50 MW cada una. Cabe destacar que estas plantas cuentan con almacenamiento de calor, lo que requiere un campo de colectores solares mayor en relación con el tamaño de la turbina de vapor-generador para almacenar calor y enviarlo a la turbina de vapor simultáneamente. El almacenamiento de calor permite una mejor utilización de la turbina de vapor. Con el funcionamiento diurno y parcialmente nocturno de la turbina de vapor Andasol 1 a una capacidad máxima de 50 MW, produce más energía que Nevada Solar One a una capacidad máxima de 64 MW, debido al sistema de almacenamiento de energía térmica de la primera planta y a su campo solar más grande. La central generadora Solana de 280 MW entró en funcionamiento en Arizona en 2013 con 6 horas de almacenamiento de energía. La central eléctrica solar integrada de ciclo combinado Hassi R'Mel en Argelia y el Centro de Energía Solar Martin Next Generation utilizan colectores parabólicos en un ciclo combinado con gas natural.    

Canal cerrado

La arquitectura de canal cerrado encapsula el sistema solar térmico dentro de un invernadero. El invernadero crea un entorno protegido para resistir los elementos que pueden afectar negativamente la fiabilidad y la eficiencia del sistema solar térmico. ^{[ 42 ]}

Espejos ligeros y curvos reflectantes de luz solar están suspendidos dentro de la estructura del invernadero. Un sistema de seguimiento de un solo eje posiciona los espejos para seguir al sol y enfocar su luz en una red de tuberías de acero fijas, también suspendidas de la estructura del invernadero. ^{[ 43 ]} El vapor se genera directamente, utilizando agua de calidad petrolera, ya que el agua fluye desde la entrada a lo largo de las tuberías, sin intercambiadores de calor ni fluidos de trabajo intermedios.

El vapor producido se alimenta directamente a la red de distribución de vapor existente del campo, donde se inyecta continuamente en las profundidades del yacimiento petrolífero. Proteger los espejos del viento les permite alcanzar temperaturas más elevadas y evita la acumulación de polvo debido a la exposición a la humedad. ^{[ 42 ]} GlassPoint Solar , la empresa que creó el diseño del colector solar cerrado, afirma que su tecnología puede producir calor para la recuperación mejorada de petróleo (EOR) por aproximadamente 5 dólares por millón de unidades térmicas británicas en regiones soleadas, en comparación con los 10 a 12 dólares de otras tecnologías solares térmicas convencionales. ^{[ 44 ]}

El sistema de canal cerrado de GlassPoint se ha utilizado en la planta de Miraah en Omán , y recientemente se ha anunciado un nuevo proyecto para que la empresa lleve su tecnología de canal cerrado al campo petrolífero de South Belridge , cerca de Bakersfield, California . ^{[ 45 ]}

Diseños de torres eléctricas

Las torres de energía (también conocidas como centrales eléctricas de torre central o centrales de heliostatos ) capturan y concentran la energía térmica del sol mediante miles de espejos de seguimiento (llamados heliostatos) en un campo de aproximadamente dos millas cuadradas. Una torre se ubica en el centro del campo de heliostatos. Los heliostatos concentran la luz solar sobre un receptor situado en la parte superior de la torre. Dentro del receptor, la luz solar concentrada calienta sal fundida a más de 1000 °F (538 °C) . La sal fundida caliente fluye luego a un tanque de almacenamiento térmico donde se almacena, manteniendo una eficiencia térmica del 98 % , y finalmente se bombea a un generador de vapor. El vapor impulsa una turbina estándar para generar electricidad. Este proceso, también conocido como " ciclo Rankine ", es similar a una central eléctrica de carbón convencional, con la diferencia de que se alimenta de energía solar.  

La ventaja de este diseño sobre el colector parabólico radica en la mayor temperatura que alcanza. La energía térmica a temperaturas elevadas se puede convertir en electricidad de forma más eficiente y almacenar a menor coste para su uso posterior. Además, se reduce la necesidad de nivelar el terreno. En principio, una torre de energía puede construirse en la ladera de una colina. Los espejos pueden ser planos y las tuberías se concentran en la torre. La desventaja es que cada espejo requiere su propio control de doble eje, mientras que en el colector parabólico se puede compartir el seguimiento de un solo eje para un gran conjunto de espejos.

El NREL realizó una comparación de costo/rendimiento entre concentradores de torre y de canal parabólico, estimando que para 2020 la electricidad podría producirse a partir de torres a 5,47  ¢/kWh y a  partir de canales parabólicos a 6,21 ¢/kWh. El factor de capacidad para las torres se estimó en un 72,9 % y para los canales parabólicos en un 56,2 %. ^{[ 46 ]} Existe cierta esperanza de que el desarrollo de componentes de centrales eléctricas de heliostatos baratos, duraderos y de producción masiva pueda reducir este costo. ^{[ 47 ]}

La primera central eléctrica de torre comercial fue PS10 en España, con una capacidad de 11  MW, terminada en 2007. Desde entonces, se han propuesto varias centrales, algunas se han construido en varios países (España, Alemania, EE. UU., Turquía, China, India), pero varias de las propuestas se cancelaron debido al desplome de los precios de la energía solar fotovoltaica. Una torre de energía solar entró en funcionamiento en Sudáfrica en 2016. ^{[ 48 ]} La instalación de energía solar Ivanpah en California genera 392 MW de electricidad a partir de tres torres, lo que la convirtió en la mayor central de energía solar de torre cuando entró en funcionamiento a finales de 2013.

Diseños de platos

Un sistema Stirling con plato utiliza un gran plato parabólico reflectante (de forma similar a una antena parabólica de televisión por satélite). Este concentra toda la luz solar que incide sobre el plato en un único punto situado encima del mismo, donde un receptor capta el calor y lo transforma en energía útil. Normalmente, el plato se acopla a un motor Stirling en un sistema Stirling con plato, aunque a veces también se utiliza una máquina de vapor . ^{[ 49 ]} Estos sistemas generan energía cinética rotacional que puede convertirse en electricidad mediante un generador eléctrico. ^{[ 50 ]}

En 2005, Southern California Edison anunció un acuerdo para comprar motores Stirling alimentados por energía solar a Stirling Energy Systems durante un período de veinte años y en cantidades (20.000 unidades) suficientes para generar 500 megavatios de electricidad. En enero de 2010, Stirling Energy Systems y Tessera Solar pusieron en marcha la primera planta de energía de demostración de 1,5 megavatios ("Maricopa Solar") que utiliza tecnología Stirling en Peoria, Arizona. ^{[ 51 ]} A principios de 2011, el brazo de desarrollo de Stirling Energy, Tessera Solar, vendió sus dos grandes proyectos, el  proyecto Imperial de 709 MW y el  proyecto Calico de 850 MW a AES Solar y K.Road, respectivamente. ^{[ 52 ] [ 53 ]} En 2012, la planta Maricopa fue comprada y desmantelada por United Sun Systems . ^{[ 54 ]} United Sun Systems lanzó un sistema de nueva generación , basado en un motor Stirling en forma de V y una producción máxima de 33  kW. La nueva tecnología CSP-Stirling reduce el LCOE a 0,02 dólares estadounidenses a escala de servicios públicos.

Según su desarrollador, Rispasso Energy , una empresa sueca, en 2015 su sistema Dish Sterling, que se estaba probando en el desierto de Kalahari en Sudáfrica, mostró una eficiencia del 34%. ^{[ 55 ]}

Tecnologías Fresnel

Una central eléctrica con reflector Fresnel lineal utiliza una serie de espejos largos, estrechos y de curvatura poco pronunciada (o incluso planos) para enfocar la luz en uno o más receptores lineales situados sobre ellos. Sobre el receptor se puede acoplar un pequeño espejo parabólico para enfocar aún más la luz. Estos sistemas buscan ofrecer costes totales más bajos al compartir un receptor entre varios espejos (en comparación con los sistemas de canal y plato), manteniendo la geometría simple de enfoque lineal con un eje para el seguimiento. Esto es similar al diseño de canal (y diferente de las torres centrales y los platos con doble eje). El receptor es estacionario, por lo que no se requieren acoplamientos de fluidos (como en los sistemas de canal y plato). Los espejos tampoco necesitan soportar el receptor, por lo que su estructura es más simple. Cuando se utilizan estrategias de orientación adecuadas (espejos apuntando a diferentes receptores en diferentes momentos del día), esto puede permitir una mayor densidad de espejos en el espacio disponible.

Entre las tecnologías rivales de seguimiento de un solo eje se incluyen las relativamente nuevas tecnologías de reflector Fresnel lineal (LFR) y LFR compacto (CLFR). El LFR se diferencia del reflector parabólico en que el absorbedor está fijo en el espacio por encima del campo de espejos. Además, el reflector está compuesto por muchos segmentos de filas bajas que enfocan colectivamente en un receptor de torre larga elevado que corre paralelo al eje de rotación del reflector. ^{[ 56 ]}

International Automated Systems ha producido prototipos de concentradores de lentes de Fresnel para la captación de energía térmica . ^{[ 57 ]} No se conocen sistemas térmicos a gran escala que utilicen lentes de Fresnel en funcionamiento, aunque ya existen productos que incorporan lentes de Fresnel junto con células fotovoltaicas. ^{[ 58 ]}

MicroCSP

La tecnología MicroCSP se utiliza en centrales eléctricas de tamaño comunitario (de 1  MW a 50  MW), en aplicaciones de "calor de proceso" industriales, agrícolas y manufactureras, y cuando se necesitan grandes cantidades de agua caliente, como en piscinas de complejos turísticos, parques acuáticos, grandes lavanderías, esterilización, destilación y otros usos similares.

El calor en un sistema solar térmico se rige por cinco principios básicos: ganancia de calor; transferencia de calor ; almacenamiento de calor ; transporte de calor ; y aislamiento térmico . ^{[ 59 ]} Aquí, el calor es la medida de la cantidad de energía térmica que contiene un objeto y está determinado por la temperatura, la masa y el calor específico del objeto. Las centrales solares térmicas utilizan intercambiadores de calor diseñados para condiciones de funcionamiento constantes, para proporcionar el intercambio de calor. Los intercambiadores de calor de cobre son importantes en los sistemas solares de calefacción y refrigeración debido a la alta conductividad térmica del cobre, su resistencia a la corrosión atmosférica y del agua, su sellado y unión mediante soldadura, y su resistencia mecánica. El cobre se utiliza tanto en los receptores como en los circuitos primarios (tuberías e intercambiadores de calor para depósitos de agua) de los sistemas solares térmicos de agua. ^{[ 60 ]}

La ganancia de calor es el calor solar acumulado en el sistema. El calor solar térmico se atrapa mediante el efecto invernadero ; en este caso, el efecto invernadero es la capacidad de una superficie reflectante para transmitir radiación de onda corta y reflejar radiación de onda larga. El calor y la radiación infrarroja (IR) se producen cuando la luz de onda corta incide sobre la placa absorbedora, que queda atrapada dentro del colector. Un fluido, generalmente agua, en los tubos absorbedores recoge el calor atrapado y lo transfiere a un depósito de almacenamiento térmico.

El calor se transfiere por conducción o convección. Al calentar el agua, la energía cinética se transfiere por conducción a las moléculas de agua en todo el medio. Estas moléculas distribuyen su energía térmica por conducción y ocupan más espacio que las moléculas frías y de movimiento lento que se encuentran por encima. La distribución de energía desde el agua caliente ascendente hacia el agua fría descendente contribuye al proceso de convección. El calor se transfiere desde las placas absorbedoras del colector al fluido por conducción. El fluido del colector circula a través de las tuberías de transporte hasta la cámara de transferencia de calor. Dentro de la cámara, el calor se transfiere por todo el medio mediante convección.

El almacenamiento de calor permite a las centrales termosolares generar electricidad durante las horas sin luz solar. El calor se transfiere a un depósito aislado en un medio de almacenamiento térmico durante las horas de luz solar y se extrae para la generación de energía durante las horas sin luz solar. Los medios de almacenamiento térmico se analizarán en la sección correspondiente. La velocidad de transferencia de calor está relacionada con el medio conductor y convectivo, así como con las diferencias de temperatura. Los cuerpos con grandes diferencias de temperatura transfieren el calor más rápidamente que los cuerpos con menores diferencias de temperatura.

El transporte de calor se refiere al proceso mediante el cual el calor proveniente de un colector solar se traslada al depósito de almacenamiento térmico. El aislamiento térmico es fundamental tanto en las tuberías de transporte de calor como en el propio depósito. Este aislamiento evita la pérdida de calor, lo que a su vez se traduce en pérdida de energía o disminución de la eficiencia del sistema.

El almacenamiento de calor permite que una planta termosolar genere electricidad por la noche y en días nublados. Esto posibilita el uso de la energía solar tanto para la generación de carga base como para la generación de energía en horas pico , con el potencial de reemplazar las centrales eléctricas de carbón y gas natural . Además, la utilización del generador es mayor, lo que reduce los costos. Incluso el almacenamiento a corto plazo puede ayudar a suavizar la curva de demanda , caracterizada por cambios bruscos en los requerimientos de generación al atardecer, cuando la red cuenta con una gran capacidad solar.

El calor se transfiere a un medio de almacenamiento térmico en un depósito aislado durante el día y se extrae para la generación de energía durante la noche. Los medios de almacenamiento térmico incluyen vapor a presión, hormigón, diversos materiales de cambio de fase y sales fundidas como nitrato de calcio, sodio y potasio. ^{[ 61 ] [ 62 ]}

Almacenamiento de sales fundidas

La sal fundida se utiliza para transportar calor en sistemas de torres de energía solar porque, al ser líquida a presión atmosférica, proporciona un medio económico para almacenar energía térmica, sus temperaturas de funcionamiento son compatibles con las turbinas de vapor actuales y es ininflamable y no tóxica. La sal fundida también se utiliza en las industrias química y metalúrgica para el transporte de calor.

La primera mezcla comercial de sales fundidas fue una forma común de salitre , compuesta por un 60 % de nitrato de sodio y un 40 % de nitrato de potasio . El salitre se funde a 220  °C (430  °F) y se mantiene líquido a 290  °C (550  °F) en un tanque de almacenamiento aislado. El nitrato de calcio puede reducir el punto de fusión a 131  °C (268  °F), lo que permite extraer más energía antes de que la sal se congele. Actualmente existen varios grados técnicos de nitrato de calcio estables a más de 500  °C (1000  °F).

Este sistema de energía solar puede generar electricidad en días nublados o por la noche, aprovechando el calor del tanque de sal caliente. Los tanques están aislados y pueden almacenar calor durante una semana. Los tanques que alimentan una turbina de 100 megavatios durante cuatro horas tendrían aproximadamente 9  metros  de altura y 24  metros  de diámetro.

La central eléctrica de Andasol en España es la primera central termosolar comercial que utiliza sales fundidas para el almacenamiento de calor y la generación nocturna. Entró en funcionamiento en marzo de 2009. ^{[ 65 ]} El 4 de julio de 2011, una empresa en España celebró un momento histórico para la industria solar:  la central termosolar de concentración de 19,9 MW de Torresol se convirtió en la primera en generar electricidad ininterrumpida durante 24 horas seguidas, utilizando un sistema de almacenamiento de calor con sales fundidas. ^{[ 66 ]}

En enero de 2019, el proyecto de la central fototérmica de energía solar con torre de sales fundidas de 100 MW de Shouhang Energy Saving Dunhuang se conectó a la red y comenzó a operar. Su configuración incluye un sistema de almacenamiento de calor de sales fundidas de 11 horas y puede generar energía de forma continua durante 24 horas. ^{[ 67 ]}

Un diseño que requiere agua para condensación o refrigeración puede entrar en conflicto con la ubicación de plantas termosolares en zonas desérticas con buena radiación solar pero recursos hídricos limitados. Este conflicto se ilustra con los planes de Solar Millennium , una empresa alemana, para construir una planta en el valle de Amargosa , Nevada, que requeriría el 20 % del agua disponible en la zona. Otras plantas proyectadas por la misma y otras empresas en el desierto de Mojave, California, también podrían verse afectadas por la dificultad de obtener derechos de agua adecuados. La legislación californiana sobre el agua prohíbe actualmente el uso de agua potable para refrigeración. ^{[ 70 ]}

Otros diseños requieren menos agua. La central solar Ivanpah, en el sureste de California, conserva el escaso agua del desierto mediante la refrigeración por aire para convertir el vapor de nuevo en agua. En comparación con la refrigeración húmeda convencional, esto supone una reducción del 90 % en el consumo de agua, aunque con una ligera pérdida de eficiencia. El agua se devuelve a la caldera en un proceso cerrado que resulta respetuoso con el medio ambiente. ^{[ 71 ]}

De todas estas tecnologías, el sistema de parábola solar/motor Stirling presenta la mayor eficiencia energética . Un único sistema de parábola solar / motor Stirling instalado en el Laboratorio Nacional de Pruebas Termosolares (NSTTF) de los Laboratorios Nacionales Sandia produce hasta 25 kW de electricidad, con una eficiencia de conversión del 31,25 %. ^{[ 72 ]} 

Las plantas solares de colectores parabólicos se han construido con eficiencias de alrededor del 20%. Los reflectores Fresnel tienen una eficiencia ligeramente menor (pero esto se compensa con una mayor densidad de instalación).

Las eficiencias de conversión brutas (teniendo en cuenta que los parasoles ocupan solo una fracción del área total de la planta) se determinan por la capacidad de generación neta sobre la energía solar que incide en el área total de la planta solar. La planta SCE/SES de 500 megavatios (MW) extraería aproximadamente el 2,75 % de la radiación (1  kW/m² ^; véase Energía solar §  Energía del Sol para más información) que incide en sus 4500 acres (18,2 ^km²  ) . ^{[ 73 ]} Para la planta de energía AndaSol de 50 MW ^{[ 74 ]} que se está construyendo en España (área total 1,95 ^km² ; 3/4 de milla cuadrada ), la eficiencia de conversión bruta resulta ser del 2,6 % .  

La eficiencia no está directamente relacionada con el coste: el coste total incluye el coste de construcción y mantenimiento.

• EN 12975 (prueba de eficiencia)

• oxidación biológica de la madera
• Calentador de compost
• conversión de energía térmica oceánica

• Es el momento de que la energía solar brille. MSN Money
• La mayor planta solar térmica del mundo se encuentra en Arabia Saudita.
• Tecnologías renovables in situ en el sitio web de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos
• Evaluación de la estrategia del Banco Mundial/GEF para el desarrollo del mercado de la energía solar térmica de concentración.
• Calculadora de energía solar térmica
• Energía solar de concentración: Una descripción general de la tecnología por Gerry Wolff, coordinador de TREC-UK.
• Sitio del programa de energía solar de concentración de NREL
• Revisión exhaustiva de la tecnología y los mercados de colectores parabólicos.
• Nevada contará con la primera planta termosolar de Estados Unidos.
• Barómetro de energía solar térmica y de concentración solar – 2013 Pdf
• Informe de evaluación de la preparación del mercado de TechScope para el calentamiento solar de agua – PNUMA
• Guía para campañas de sensibilización sobre calefacción y refrigeración solar – PNUMA
• Directrices para la estandarización y el aseguramiento de la calidad de la energía solar térmica – PNUMA
• Directrices para la política y el marco de condiciones del calentamiento y la refrigeración solar del agua – PNUMA
• Calentamiento solar de agua: una guía de planificación estratégica para ciudades en países en desarrollo – PNUMA