El campo solar

El sistema encargado de convertir la radiación solar en energía térmica aprovechable es el campo solar. Ocupa una basta extensión de terreno de aproximadamente 2 hectáreas (20.000 m2) por MW eléctrico instalado para una planta sin almacenamiento térmico, y entre 3 y 4 hectáreas para plantas que cuentan con un sistema de almacenamiento térmico de la energía captada basado en sales inorgánicas fundidas.

Este artículo es un extracto del capítulo 11 del manual del CURSO TÉCNICO GENERAL DE CENTRALES TERMOSOLARES, que se realiza en la modalidad ON LINE. Infórmate llamando al 687 80 53 80 o enviando un email a Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo. .

El campo solar está compuesto por una serie de concentradores formados por un espejo cilíndrico parabólico que refleja la radiación solar directa concentrándola sobre un tubo absorbedor colocado en la línea focal de la parábola. Esa radiación concentrada hace que el fluido que circula por el interior del tubo se caliente, transformándose así en energía térmica.

Para que la energía captada sea máxima, los concentradores o módulos deben orientarse en la dirección perpendicular a los rayos solares, por lo que deben estar dotados de un sistema de movimiento que permita realizar el seguimiento del movimiento relativo del Sol respecto a la Tierra a lo largo del día y a lo largo del año. Al ser el número de módulos muy elevado (más de 4000 para una planta de 50 MWeléctricos) es inviable técnica y económicamente dotar a cada módulo de un sistema de orientación independiente. Por esa razón se agrupan los módulos en conjuntos de 6, 8 o 12 unidades y unidos se accionan con un sistema común de tracción. A un conjunto de módulos que se mueven conjuntamente se le denomina colector solar.

Varios colectores se conectan ahora en serie, formando líneas rectas de cierta longitud. Esta longitud se calcula para que el fluido caloportador que atraviesa los colectores por su línea focal se caliente progresivamente a medida que avanza a lo largo de la línea formada por los colectores conectados en serie hasta la temperatura deseada. Durante años en las plantas SEGS se investigó para determinar cuál era el valor óptimo de los siguientes parámetros:

Temperatura óptima de entrada.
Temperatura óptima de salida para que el rendimiento de la planta sea el mayor posible, teniendo en cuenta las características del fluido.
Fluido óptimo para estas condiciones.
Longitud de tubo necesaria en una línea para alcanzar esta temperatura.
Caudal que debe atravesar cada línea.
Diámetro de los tubos absorbedores colocados en la línea focal del concentrador.
Presión a la que debe circular el fluido.
Velocidad a la que el fluido debe circular.
Las pruebas llevadas a cabo en las plantas SEGS instaladas en el desierto del Mojave (California) en los años ‘80 dieron respuesta a cada una de estas preguntas, y los resultados fueron verificados por el CIEMAT en la Plataforma Solar de Almería.
A pesar de que existen varias posibilidades, la mayor parte de las centrales han fijado los siguientes parámetros como valores óptimos para el diseño del campo solar:
Fluido seleccionado: Mezcla eutéctica de difenilo y éter difenílico, al 26,5%/73,5% respectivamente, con un punto eutéctico de congelación de 12ºC y con una temperatura máxima de utilización de 420ºC.
Temperatura óptima a la salida: 393ºC, ya que es la máxima que se puede alcanzar con el fluido empleado con una velocidad de degradación del fluido caloportador asumible. Esta temperatura supone que las pérdidas térmicas del tubo por los fenómenos de radiación, conducción y convección sean más altas que empleando temperaturas inferiores, pero a la vez hace que el rendimiento del ciclo agua-vapor sea mayor. El segundo efecto compensa sobradamente el primero, por lo que en las plantas actuales se ha buscado un punto favorecedor del rendimiento del ciclo agua-vapor, con una disminución del rendimiento del campo solar.
Temperatura de entrada: 293ºC. Representa un equilibrio interesante entre varios factores: viscosidad del fluido, salto térmico, caudal que debe circular, calor específico, densidad y erosión del tubo absorbedor.
Diámetro del tubo: 65 mm de diámetro interno, y 70 mm de diámetro externo. Con este diámetro se asegura que el caudal es suficiente y a la vez que la distribución de temperatura en el interior del tubo no tiene grandes diferencias entre el centro y la capa más próxima a las paredes del tubo.
Presión aconsejable a la entrada del tubo: entorno a 28 bar, suficiente para conseguir el caudal deseado.
Pérdida de presión a lo largo de una línea (denominada generalmente lazo): entre 8 y 10 bar.
Caudal de circulación: 6,8 Kg/s.
Potencia térmica captada por cada línea: Entre 0,4 y 1,70 MW, dependiendo de las condiciones de radiación. Es el resultado de multiplicar el caudal, por el salto térmico y por la diferencia de entalpia entre la entrada y la salida. El valor habitual medio de una planta situada en España es de 1,56 MW el día 21 de Junio a las 15:00.
Longitud de la línea resultante o lazo para alcanzar esa temperatura: 567 metros aproximadamente.
Velocidad de circulación del fluido: entre 1 y 3 m/s.
Superficie de captación para cada lazo: 3.270 m2.

A la vista de estos datos se podría describir el campo solar como un conjunto de líneas en paralelo, denominadas lazos, que debe atravesar el fluido caloportador para ganar unos 100 ºC de temperatura entre la entrada y la salida, siendo la temperatura de entrada de 293ºC y la de salida de 393ºC. Por cada una de ellas circula un caudal nominal de unos 6,8 Kg/s, entrando a una presión de 28 bares, cuando la planta se encuentra a plena potencia. Si la radiación aumenta o disminuye, estos valores cambian, y por supuesto, la potencia térmica captada y la energía eléctrica generada también lo hacen.