Centrals solars

Tecnologia Industrial I

4.2.- Centrals solars

El Sol és una gegantesca esfera incandescent, amb una massa 334000 vegades superior a la de la Terra. La seva massa formada fonamentalment per heli, carboni, contínuament s’estan produint reaccions nuclears de fusió.

Aquesta enorme quantitat d’energia produïda en el nucli del Sol es transmet a l’exterior en forma de radiació. De la radiació solar només una petita quantitat arriba a l’atmosfera terrestre. La cara il·luminada de la Terra rep aproximadament 1000W/m²

D’aquesta radiació el 40% correspon a la radiació visible, el 57% a la radiació infraroja i el 3% a la radiació ultraviolada. De la visible depèn la vida de la Terra (fotosíntesià s’obté oxigen i biomassa) La infraroja és la que fa que la temperatura del planeta sigui adequada per a la vida i la que provoca els vents i el cicle de l’aigua.
Per tant, la major part de les fonts d’energia renovables i no renovables provenen de la radiació solar. En definitiva, tots els éssers vius que habitem la Terra, rebem directa o indirectament l’energia del Sol.
L’energia solar arriba a la superfície terrestre directament (radiació directa) o després d’haver-se reflectit amb pols o vapor d’aigua (radiació difusa)

La radiació solar és una font d’energia neta, gratuïta, inesgotable (es calcula que la vida del Sol es prolongarà 6000 milions d’anys) i disponible tots els dies de l’any.

Els principals inconvenients:

La radiació arriba de manera dispersa i inconstant a la superfície terrestre.

S’ha de transformar, en el moment que arriba, en energia tèrmica o elèctrica ja que no disposa de cap sistema d’emmagatzematge eficaç.

Per utilitzar-la a gran escala són necessaris sistemes de captació de gran superfície, en tenir baixa densitat energètica, màxim 1kW/m²

ÉS necessària una inversió inicial elevada donat que els sistemes de captació encara son relativament cars.

Sistemes d’aprofitament
En l’actualitat es disposa de 2 sistemes d’aprofitament de l’energia Solar: la via Tèrmica, que consisteix en la transformació de la radiació solar en energia tèrmica; i la conversió fotovoltaica, en què la radiació es transforma directament en energia elèctrica.
La utilització tèrmica del Sol es pot realitzar mitjançant sistemes actius o sistemes d’aprofitament passius (cases amb arquitectura bioclimàtica)

Els sistemes actius poden ser de baixa, mitjana i alta temperatura.
Els de baixa temperatura més utilitzats són els captadors plans també anomenats col·lectors, que es basen el l’efecte hivernacle. S’utilitzen per a l’obtenció d’aigua calenta, calefacció, climatització, etc.
Els sistemes de mitja i alta temperatura es poden utilitzar per a l’obtenció indirecta d’energia elèctrica, en les anomenades centralstermosolars.

Una aplicació molt important dels sistemes d’alta temperatura és el forn solar, per la seva aplicació en el camp de la investigació dels materials d’alta tecnologia. Consisteix en una gran superfície de captació parabòlica formada per miralls que reflecteixen la radiació rebuda en una superfície molt petita. En el cercle on es concentra la radiació solar, es poden assolir temperatures màximes de fins 4000°C. S’utilitza per a investigacions que impliquen temperatures molt altes (volatilització, vehicles hipersònics, etc.)

Centrals Termosolars
Es basen en l’obtenció d’energia elèctrica a través de l’energia tèrmica obtinguda de la radiació solar, sempre segueix el mateix procés: la radiació solar es concentra en un fluid i es transforma en energia tèrmica; el fluid en passar per un intercanviador produeix vapor que acciona un grup turboalternardor, en el qual s’obté l’energia elèctrica.

Hi ha dos sistemes diferents: sistemes heliotèrmics amb col·lectors distribuïts i sistemes de torre central.

I.Centrals amb col·lectors distribuïts DCS (Distributed Collector System)

Utilitzen els anomenats col·lectors de concentració, que concentren la radiació solar que reben en la superfície captadora d’un element receptor de superfície molt reduïda (un punt o una línia), la qual cosa permet obtenir, amb bons rendiments, temperatures de fins a 300°C suficients per produir vapor a alta temperatura, que s’utilitza per generar electricitat o també en altres processos industrials.

El principal inconvenient és que només aprofiten la radiació directa; no són convenients en zones climàtiques nuvoloses.
Per rebre la radiació solar en condicions òptimes han de disposar d’un sistema de seguiment del Sol. Consisteix en un mecanisme incorporat als captadors que els permet variar la posició respecte a dos eixos, l’horitzontal o d’elevació i el vertical o azimut, accionats per un servomotor comandat per un microordinador o per un rellotge solar.
II.Centrals solars de torre central CRS (Central Receiver System)
Aquestes centrals aprofiten l’energia solar a alta temperatura. El sistema de captació està format per una gran superfície coberta d’heliòstats (miralls), anomenada camp d’heliòstats, que concentra la radiació solar en un receptor instal·lat a l’extrem superior d’una torre.

Els heliòstats, en ser concentradors, només aprofiten la radiació directa i també disposen d’un sistema de seguiment de la trajectòria del Sol en els dos eixos, d’elevació y azimut.
En aquestes centrals la transformació de l’energia tèrmica en elèctrica és igual que en les de CDS, però el seu rendiment termodinàmic és més elevat, ja que la temperatura aconseguida en el fluid primari, normalment sodi, és molt superior. Són les centrals que més es construeixen i algunes arriben a 5MW de potència.

III.Conversió fotovoltaica

Un altre sistema per a l’aprofitament de la radiació solar és la conversió fotovoltaica, que consisteix en transformar la radiació solar directament en energia elèctrica, per a la qual cosa utilitza captadors formats per cèl·lules solars o fotovoltaiques.

Les cèl·lules fotovoltaiques estan constituïdes per una làmina de material semiconductor, normalment silici, que té la propietat de produir electricitat quan hi incideixen els fotons de les radiacions, aquest fenomen és l’efecte fotovoltaic.

L’efecte fotovoltaic és conegut des de la fi del segle passat, però és l’any 1954 quan es descriu l’aplicació de la unió p-n, per a la conversió d’energia radiant en energia elèctrica.

Durant el anys 60 comencen a desenvolupar generadors a base de cèl·lules fotovoltaiques, per ser utilitzats en els satèl·lits. Aquestes investigacions són el fonament que permet el desenvolupament de les cèl·lules fotovoltaiques a un determinat nivell industrial. S’utilitza el silici com a semiconductor, i necessita una gran puresa química per a la seva obtenció, fa que els costos de fabricació siguin molt elevats.
El rendiment de la transformació és molt baix, del 15 al 20% en les millor condicions de la radiació rebuda, i disminueix en augmentar la temperatura. La tensió màxima que s’obté entre els borns de la cèl·lula és d’uns 0,58V. Aquesta tensió no té cap aplicació de manera que es connecten diferents cèl·lules en sèrie per aconseguir una tensió més adient o en paral·lel segons la intensitat que es vulgui aconseguir. Acostumen a ser mòduls de 36 cèl·lules connectades en sèrie per aconseguir una tensió màxima de 18V.
L’energia fotovoltaica presenta un camp d’aplicació molt ampli, encara que les limitacions per produir grans quantitats d’electricitat fan que s’utilitzi, sobretot, per cobrir petits consums elèctrics, en el mateix lloc de la demanda. Té l’avantatge que no necessita un nivell important de recurs, com és necessari en l’eòlica i en la minihidràulica. A més a més el seu manteniment en ser elements estàtics, és mínim.
Les aplicacions (deixant de banda la industrial):
Instal·lacions aïllades de la xarxa elèctrica comercial: electrificacions rurals, aplicacions agrícoles, senyalització i comunicacions.
Instal·lacions connectades a la xarxa elèctrica: centrals fotovoltaiques i sistemes integrats en edificis.

Hi ha centrals fotovoltaiques de potència superior als 6MW, encara que la majoria d’instal·lacions són de poca potència. Bàsicament estan constituïdes per les plaques fotovoltaiques, un equip ondulador o inversor que transforma el corrent continu obtingut a les cèl·lules en corrent altern, i un transformador que adequa les característiques del corrent altern a les de la xarxa de transport o distribució. A vegades disposen d’un sistema d’acumulació i regulació de la càrrega (indispensable a les instal·lacions aïllades de la xarxa comercial) per al servei auxiliar de la central.

ACTIVITATS

5.- Raona per què l’energia solar es considera una font d’energia neta.
6.- Explica la diferència de la utilització de l’energia solar per via tèrmica o mitjançant la conversió fotovoltaica.
7.- Descriu les diferències entre una central termosolar DCS i una CRS.
8.- En què es fonamenta la conversió fotovoltaica?
9.- Quins són els components d’un captador fotovoltaic?
10.- Raona per que en un captador solar les cèl·lules estan connectades en grups sèrie-paral·lel
11.- Raona per que les centrals fotovoltaiques connectades directament a la xarxa no s’utilitzen sistemes d’acumulació d’energia.
Respostes