Libro solar para energia

Energía Eléctrica Energía Térmica Energía Mecánica

Energía
SOLAR
La fuente de energía más constante con la que cuenta nuestro planeta
es la proveniente del sol, que alcanza en promedio 1.361 W/m2
[NASA, 2005] en la capa exterior de la atmósfera. La energía recibida
en la superficie de la tierra se conoce como irradiancia, energía que
depende de la hora del día, la inclinación de los rayos del sol y la
cobertura de las nubes.
La energía solar es el recurso energético más abundante en la tierra,
la superficie del planeta en una hora recibe el equivalente al total de
energía consumida por todos los humanos en un año.
Ésta puede ser aprovechada de diversas maneras, tanto para generar
electricidad (energía eléctrica) como calor (energía térmica), pero tiene
el inconveniente de que sólo se recibe durante el día, por lo que se
requiere la combinación con otras fuentes de energía o bien la inclusión
de sistemas de almacenamiento, como por ejmplo baterías.
La energía solar puede ser transformada directamente en energía
eléctrica mediante sistemas fotovoltaicos, aprovechada como calor
para generación eléctrica indirectamente, mediante sistemas de
concentración solar de potencia o, utilizada para calentar agua a
través de colectores solares. Tanto la tecnología fotovoltaica, como los
colectores solares son modulares y escalables, desde pequeños sistemas
para uso domiciliario hasta grandes instalaciones para fines industriales.
Mientras que los sistemas de concentración solar de potencia (CSP),
en general, requieren instalaciones de gran escala para ser viables,
excepto tecnologías basadas en discos Stirling que también gozan de
modularidad.
El denominado Cinturón de Sol, que va desde los 35°N hasta los 35°S,
alcanza a cubrir casi la mitad del país, posibilitando el desarrollo
de tecnologías de energía solar en esta área, con un potencial
prácticamente ilimitado desde el punto de vista del recurso
[EPIA, 2010/Estela Solar]. Además, las zonas del desierto otorgan
grandes extensiones de tierras disponibles. Se estima que el
potencial bruto de capacidad instalable, que posee Chile para
generación de energía eléctrica a partir de energía solar es de
100.000 MW [USM, 2008]. A pesar de la existencia de sectores con gran
cantidad de radiación solar incidente en el país, en la actualidad el
desarrollo industrial de la energía solar en Chile es aún incipiente,
siendo las aplicaciones de pequeña escala de sistemas fotovoltaicos
y de colectores solares, las que se han posicionando como una
alternativa utilizada.
A diciembre de 2010 existen 9 grandes proyectos de generación, ingre-
sados al sistema de evaluación de impacto ambiental [SEIA].
2.

Fotovoltaica (PV)
Energía eléctrica
Los sistemas fotovoltaicos (PV por sus siglas en inglés) están
constituidos basicamente por la celda PV, la cual está compuesta por
un semiconductor capaz de convertir la energía solar en electricidad de
corriente continua (CC).
Mientras mayor sea la intensidad de la radiación solar incidente,
mayor será el flujo de electricidad producido, pues representa el recurso
esencial para la instalación de sistemas fotovoltaicos. La disponibilidad
de radiación solar es oscilante a lo largo del año, aunque Chile se
caracteriza por poseer una buena recepción de radiación, en general, en
todo el país.
Un sistema fotovoltaico no requiere necesariamente luz brillante directa
para operar, sino que también es posible generar electricidad en días
nublados. Gracias a la reflección de la luz, días ligeramente nublados
pueden dar mejores resultados que días completamente despejados.
Los módulos PV comerciales pueden ser divididos en dos grandes
categorías: - Silicio Cristalino, estos representan entre un 85% y 90%
del mercado mundial y se subdividen en dos grandes categorías, i) mono
cristalinos y ii) policristalinos. - Thin Films, corresponden a entre un
10% y 15% de las ventas de módulos PV en el mundo y se subdividen
en tres familias, i) Silicio amorfo y micromorfo, ii) Cadmium Telluride y
iii) Copper-Indium-Diselenide.
Existen también otras tecnologías emergentes como las siguientes:
- Concentración fotovoltaica (CPV), basa su operación en el uso de un
sistema de concentrador óptico el cual enfoca la radicación solar a una
celda pequeña de alta eficiencia. En la actualidad se encuentran siendo
testeados en proyectos pilotos.
- Celdas solares orgánicas: se encuentran por entrar al mercado en
aplicaciones tipo nicho.
- Además, existen otros conceptos novedosos con potenciales
significativos dados su reducción de costo y mejora de desempeño. Estos
últimos apuntan a lograr eficiencias ultra altas a través de la utilización
de materiales avanzados y nuevos conceptos y procesos de conversión.
Estos módulos, al ser combinados con componentes adicionales del
sistema como inversores, baterías, componentes eléctricos y sistemas
de montaje, componen los sistemas PV. Estos sistemas pueden ser
unidos unos a otros para alcanzar capacidades desde algunos watts a
decenas de megawatts (MW), lo que los hace altamente modulares.
Los principales componentes auxiliares de los paneles fotovoltaicos
son los sistemas de almacenamiento de energía, que permiten obtener
electricidad en las horas de reducida o nula radiación, reguladores de
carga y transformadores. El rango de potencia asociado a esta familia de
tecnologías es bastante amplio, con potencias que permiten abastecer
desde la demanda básica domiciliaria.
Gracias a que los paneles pueden ser utilizados en paralelo,
prácticamente sin limitación de número, es posible abastecer
demandas mayores e incluso, conectarse a la red local de distribución,
aunque requiriendo grandes extensiones deextensiones de suelo para
su instalación. La ubicación de los paneles debe realizarse en zonas
donde haya poca obstrucción a la radiación solar. Técnicamente, son
pocos los requisitos, pues es una tecnología de instalación y mantención
3.

sencilla cuando se trata de escalas pequeñas como el abastecimiento
de electricidad a nivel doméstico. En términos generales, el factor de
planta varía entre 11 y 30% dependiendo de los niveles de radiación
[IEA 2010, Tech. R oadmap] y s u eficiencia d e conversión entre varía
según el tipo de tecnología y se encuentra en valores entre 6% y 25%.
[MIT, 2008]. Actualmente, los costos d e inversión asociados b ordean
los USD 4.000 por kW instalado para el sector de servicios [IEA 2010,
Tech. Roadmap], sin embargo, las proyecciones son auspiciosas. Para el
año 2020 se prevé una reducción a USD 1.800 y para el 2050, USD 800
[IEA, 2010]. En términos de operación y mantenimiento, anualmente se
estima en un 1% de la inversión [IEA 2010, Tech. Roadmap].
Al año 2010 se cuentaba con una capacidad total de 27 GW de paneles
fotovoltaicos instalados en el mundo, lo que corresponde tan solo al 1%
de la energía generada [IEA, 2010]. En Chile sólo existen aplicaciones a
menor escala, no conectadas a la red.
A continuación se describen las p rincipales tecnologías d e
aprovechamiento de energía solar para la generación de electricidad.
4.

Paneles de silicio cristalino
El p rincipio d e funcionamiento d e estas
tecnologías e s la c onversión de r adiación
solar e n electricidad por medio de c eldas
fotosensibles colocadas f ormando p aneles,
los que capturan la radiación del sol y generan
un flujo de electrones que es transportado a
través de u n material s emiconductor. L as
tecnologías que u tilizan p aneles d e silicio
cristalino se clasifican e n las que u san
sólo una c apa (monocristalinos) y las que
utilizan 2 o más capas (policristalinos). Entre el
85%-90% d e los módulos d e paneles
solares están basados en cristales de silicio, y
se espera que se mantenga esta tendencia al
menos hasta el año 2020 [IEA, 2008].
Corresponde a una t ecnología con elevado
nivel de m adurez por l o que puede ser
encontrada a n ivel comercial. S in e mbargo,
aún se e stán d esarrollando modelos nuevos
de paneles para mejorar eficiencia, d isminuir
los costos d e fabricación y la cantidad d e
silicio ( grs/W) contenido e n ellos. A ún así s e
puede encontrar para uso comercial en Chile,
con diversas a plicaciones p rincipalmente a
pequeña escala. A gran escala, actualmente se
está construyendo un complejo que proyecta
un factor de planta de aproximadamente 31%
[Solarpack, 2010] el que incorpora sistemas de
seguimiento del sol.
5.

Silicio monocristalino
Los paneles monocristalinos se fabrican a partir
de rebanadas finas cortadas de un solo cristal de
silicio. La potencia de los paneles es escalable
y o scila entre 80 y 200 Wp ( Watt p eak) por
panel. L os costos de i nversión d el sistema
fotovoltaico, incluyendo estructuras demontaje,
inversores, cables, e tc., e stán e ntre U SD/KWp
3.750 y 6.250, y l os c ostos d e operación y
mantenimiento para e sta tecnología
corresponden a proximadamente al 1% d e la
inversión [IEA 2010, Tech. Roadmap].
Usualmente, alcanzan un f actor de p lanta
entre un 11% y un 30% [NREL, 2010], con una
eficiencia de c onversión actual d e entre
15%-19% [IEA, 2010 T ech. R oadmap],
proyectada para el período 2010-2015 de 21%,
mientras para el 2020 y 2050 es de 23% y 25%,
respectivamente [IEA 2010, Tech. Roadmap].
En C hile e stá presente e n aplicaciones d e
pequeña escala y sistemas eléctricos aislados
(off-grid), d estacando proyectos de
telecomunicaciones, d esarrollo social,
electrificación rural y responsabilidad social en
el norte grande. Hoy en día el valor del W peak
(Wp) se está equiparando con policristalinos y
otras tecnologías solares.
En c oncreto, e n Chile encontramos este t ipo
de tecnología en el proyecto Pica Solar, actual-
mente en ingeniería de detalle.
6.

Silicio policristalino
Los paneles policristalinos se fabrican a partir
de un solo bloque de cristales, que incluyen no
sólo silicio. La eficiencia de conversión de este
tipo de paneles fluctúa entre un 14% – 20%
[IEA 2010, T ech. Roadmap]. Usualmente,
alcanzan un factor de planta cercano al 20%
[NREL, 2010]. La p otencia d e los paneles es
escalable y oscila entre 5 y300 Wp (Watt peak)
por unidad. Los costos de inversión del sistema
fotovoltaico, incluyendo e structuras de
montaje, inversores, cables, e tc., e stán entre
USD/KWp 3.750 y 6 .250, y l os c ostos de
operación y mantenimiento p ara esta
tecnología corresponden aproximadamente al
1% de la inversión [IEA 2010, Tech. Roadmap].
El proyecto completo tiene un costo de entre
9 .000 y 11.000 U SD/KWp, y los costos de
operación y mantenimiento p ara esta
tecnología corresponden a proximadamente a
400 USD/sitio/año, asociados, principalmente,
a labores de revisión y limpieza.
Es una tecnología más antigua que requiere de
mayor superficie y e s menos e ficiente, p ero
es d e menor c osto que l a monocristalina.
A pesar d e que n o se utiliza e n proyectos
arquitectónicos como f achadas, s u
implementación es a decuada para
instalaciones r esidenciales o , cuando el
espacio no es un factor limitante.
Hasta el año 2003, gran parte de los proyectos
PV p resentes e n sistemas eléctricos aislados
(off-grid) desarrollados en Chile, corresponden
a tecnología policristalinos. El costo medio de
la energía se encuentra en el orden de los 23,3
a 36,3 centavos USD por kWh.
7.

Esta tecnología se aplica para obtener
electricidad, con un rango de potencia
variable, desde sistemas muy simples hasta
grandes sistemas de electrificación. Estos
paneles se encuentran usualmente en rollos,
los que equivalen a varios paneles unidos
longitudinalmente.
Los Thin Film se construyen depositando capas
muy delgadas de materiales fotovoltaicos so-
bre un soporte de bajo costo, tal como vidrio,
acero inoxidable o plástico, lo que resulta en
menores costos de producción en comparación
con la tecnología de cristalinos. Sin embargo,
estos menores costos de producción se com-
pensan con las tasas de eficiencia más bajas
que se obtienen con esta tecnología.
Comercialmente, los materiales utilizados en
la fabricación de estos paneles son: el Silicio
amorfo (a-Si, la estructura no sigue una con-
figuración cristalina), Cadmium Telluride (CdTe,
Cadmio Telurio), Copper Indium/Gallium Dise-
lenide/Disulphide (CIS, CIGS) y Multi junction
cells (a-Si/m-Si). Los Thin Films más utilizados
en la actualidad son los producidos con Silicio
amorfo.
La potencia de los paneles es escalable y
oscila entre 20 y 200 Wp (Watt peak) por panel
y, usualmente, tienen un factor de planta
promedio de 20%, normalmente entre 11%
y 30% [NREL, 2010], con una eficiencia de
conversión de entre 6% y 12% [IEA 2010, Tech.
Roadmap]. Al 2020-2030 se espera que la
eficiencia llegue a estar entre 15% y 18%. Los
costos de inversión del sistema fotovoltaico,
incluyendo estructuras de montaje,
inversores, cables, etc., están entre USD/KWp
1.500 y 2.250, y los costos de operación y
mantenimiento para esta tecnología
corresponden aproximadamente al 1% de la
inversión [IEA 2010, Tech. Roadmap]. Para un
proyecto completo, los costos de inversión
están entre 1.5.00 y 20.250 USD/KWp,
incluyendo el requerimiento de mano de obra
especializada.
Si bien las eficiencias logradas con esta
tecnología aún son bajas, el alto nivel de
automatización que pueden alcanzar en
su operación, la escasa sensibilidad al
sobrecalentamiento (en general los
paneles disminuyen su desempeño al
Thin Film
elevarse su temperatura), su mejor apariencia y
factibilidad de ser colocados en edificios, los
ha hecho ver aumentada su demanda.
Se espera desarrollar la tecnología que
permita el aumento en los rendimientos
de estos paneles y disminuir los costos de
fabricación, pues aún se pueden ahorrar costos
por concepto de construcción y requerimientos
de espacio. Se puede encontrar a nivel
comercial, pero la tecnología sigue bajo
estudio y mejora permanente, teniendo como
foco principal aumentar la eficiencia.
Hoy en día se encuentran en aplicaciones
especiales como fachadas, techos solares,
reemplazo de vidrios, entre otros.
8.

Los paneles solares de silicio amorfo (a-Si) se
forman mediante e l depósito de d iferentes
tipos de silicio tratado sobre un substrato de
vidrio. En p rimer l ugar, u n óxido conductor
transparente ( TCO) se a plica a u n sustrato
de vidrio s eguido d e un t razado con láser
para e stablecer los límites d e las c eldas. A
continuación, las c apas silicio tipo p-i-n, se
depositan e n el T CO. Esta c apas tipo p-i-n
permiten que los fotones actúen para excitar
a los pares electrón-hueco. L as c apas de
silicio son nuevamente trazadas y, finalmente,
se incorporan los contactos que conectan las
celdas recién formadas.
Esta t ecnología utiliza silicio d e menor
calidad y s u eficiencia d isminuye con el
aumento de la temperatura. Está disponible en
formato de módulos, tiene baja eficiencia pero
a la vez, menor costo. Es el más utilizado y se
encuentra e n diversas a plicaciones, desde
calculadoras h asta p royectos d e generación
eléctrica.
La p otencia e n este tipo de t ecnología
oscila entre 0 ,1 y 150 W p (Watt peak) y la
eficiencia d e conversión de e ste tipo de
Silicio Amorfo (a-Si)
paneles es de entre 6% y 9%. Los costos de
inversión del sistema fotovoltaico, incluyendo
estructuras de montaje, inversores, cables,
etc., están entre USD/KWp 1.500 y 2.250, y los
costos de operación y mantenimiento para esta
tecnología corresponden aproximadamente al
1% de la inversión [IEA 2010, Tech. Roadmap].
En Chile e stá presente a n ivel de
proyectos sociales, e lectrificación rural y
proyectos residenciales. C omo r eferencia s e
puede mencionar una planta de 250 MW que
se p retende i nstalar e n Chile [ SEIA, 2011].
El costo medio de la energía se encuentra en el
orden de los 23,3 a 36,3 centavos USD por kWh.
9.

Esta tecnología utiliza un elemento óptico para
concentrar la luz del sol entre 250-1000
veces, utilizando sólo 1 cm2 de celdas por
unidad, llegando a 1/1000 de la cantidad
de material de celdas solares utilizadas en
sistemas fotovoltaicos tradicionales. Es por
esto que la eficiencia de este sistema se
aproxima al 40% y su rendimiento no se ve
afectado por el aumento de la temperatura. El
factor de planta es del orden de 11 a 30%.
Es de diseño robusto, originalmente, concebido
para el exigente entorno de los satélites en
el espacio, utilizando materiales inmunes a
la degradación UV de largo plazo, totalmente
cerrado sin espejos expuestos, refrigeración
pasiva para la alta confiabilidad y bajo
costo, y el rango de capacidad es escalable en
cientos de kW hasta instalaciones superiores a
los 50 MW.
Debido a que en esencia la óptica de
concentración corresponde a telescopios,
los CPV sólo ven una pequeña parte
del cielo, por lo que deben permanecer en
línea con el sol con el fin de proporcionar
el beneficio para concentrarse. Cuanto
mayor sea el nivel de concentración,
más estrecho es el ángulo de captación solar
y, por ende, aquellos concentradores por
encima de 3 veces, requieren de sistema de
seguimiento en uno o dos ejes.
Se estima que el costo medio de inversión es
de 4.000 USD/kW, con un costo de operación
de sólo 9 USD/kW al año. El costo medio de la
energía es cercano a 26,6 centavos USD por
kWh.
Esta tecnología está en etapa de investigación
y desarrollo desde los años 70s, a pesar
de que desde hace algunos años es posible
encontrarla en etapa comercial. Existen
algunas instalaciones en países como EEUU,
México, España, Italia, Grecia y Australia
[SolFocus, 2011].
Concentración Fotovoltáica (CPV)
10.

Las Centrales Solares T ermoeléctricas,
comúnmente conocidas como plantas de CSP
(“Concentrated Solar Power”), generan energía
eléctrica mediante e l uso de espejos p ara
concentrar la energía s olar, de modo de
calentar u n fluido calor portador que
posteriormente genera vapor que ingresa a una
turbina (CIEMAT, 2009).
Actualmente, las t ecnologías d e generación
eléctrica mediante CSP pueden agruparse en
cuatro c ategorías p rincipales, dependiendo
de l a manera e n que enfocan l os r ayos
solares y la tecnología empleada para recibir la
energía s olar: R eflectores lineales de F resnel
(FLR); C olectores Cilindro Parabólicos (CCP);
Torres C entrales (CRS); y Discos Parabólicos
(PD). Estas familias d e tecnologías a s u
vez pueden s er clasificadas s egún e l tipo
de f oco y movilidad d e sus receptores, tal
como s e muestra en l a Tabla 1, a daptada
del “ CSP Technology R oadmap” d e la IEA
(OECD/IEA, 2010).
TIPO DE FOCOS
Tipo de Receptor
Foco Lineal Foco Puntual
Colectores siguen el sol en
un eje. Concentran sobre un
receptor lineal
Receptor queda fijo
mientras concentradores
siguen el sol
Receptor se mueve solida-
riamente con concentrador
Colectores siguen al sol en
dos ejes. Concentran sobre un
receptor puntual
Receptor Fijo Reflectores lineales
de Fresnel
Cilindro
Parabólicos
Discos
Parabólicos
Receptor Móvil
Concentración
Solar de Potencia (CSP)
Energía eléctrica y térmica
Torres centrales
11.

Existen además aplicaciones en procesos de desalinización de agua.
Para dar flexibilidad a la producción de energía, los sistemas CSP
comúnmente se combinan con sistemas de almacenamiento de energía
térmica, que utilizan sales fundidas; o, con sistemas de respaldo para
obtención de energía basados en combustibles o fuentes tales como
viento, biomasa, entre otros. Además del requerimiento de radiación solar
que presenta esta familia tecnológica, se hace necesaria también la
disponibilidad de agua, tanto para enfriamiento como para limpieza de
espejos. En algunos sitios pueden utilizarse sistemas de enfriamiento por
aire, los que pueden disminuir considerablemente el consumo de agua
reduciendo ligeramente la eficiencia.
El rango de potencia es variable en estas tecnologías, existiendo sistemas
que pueden generar desde 10 kW de potencia hasta proyectos sobre los
200 MW [EREC], permitiendo abastecer una amplia gama de demandas y
hasta conectarse a la red local de distribución. El factor de planta en la
actualidad es cercano al 30% [NREL, 2010], con posibilidades de
duplicarlos mediante sistemas de almacenamiento térmico.
Respecto de la eficiencia de conversión, esta se encuentra entre
15% y 35% dependiendo de la tecnología específica de que se trate
[IEA 2010, Tech. Roadmap].
Las principales barreras que deben enfrentar las tecnologías CSP
tienen relación con el bajo costo de los combustibles fósiles - en
especial en países que, por medio de subsidios, mantienen valores de
estos combustibles menores a los globales - la escasez de agua, los
permisos y acceso a la red, pues muchas veces los lugares óptimos que
cuentan con agua y radiación solar se encuentran alejados de los puntos
de consumo.
En particular, en Chile la mayor cantidad de radiación solar incidente
se produce en el desierto. Además, cabe destacar que el norte de Chile
presenta una serie de condiciones particularmente favorables para la
introduccióndetecnologíasdeconcentraciónsolartermoeléctrica(CSP):
1.- Goza de una de las mayores intensidades de irradiación solar en el
mundo, con cielos despejados durante la gran mayoría del año, lo que
permitiría diseñar plantas de generación eléctrica con menor cantidad
de metros cuadrados de campos solares por MW a generar, el que se
traduciría en una reducción del costo unitario de inversión.
12.

13.
2.- En la misma zona geográfica (norte grande
de Chile) se concentran grandes centros de
consumo energético, tanto eléctrico como
térmico, producto de la actividad económica
del sector. Dado lo anterior, se podría contar
con centrales de generación localizadas
cercanamente a los puntos de consumo,
evitando los sobre-costos y pérdidas por
transmisión de la energía a través de las largas
distancias.
3.- La existencia de una actividad industrial
asentada en la zona -con sus respectivos
servicios auxiliares e infraestructura vial
desarrollada facilita la instalación de proyectos
solares de generación de energía.
4.- Por último, Chile es el principal exportador
de sales para almacenamiento térmico,
actualmenteendesarrolloparalasplantasdeCSP,
por lo que pueden encontrarse nichos similares
en los demás servicios auxiliares que esta
industria requiere.
En este sentido, el impacto económico y
social (PIB, generación de empleo, formación
de capital humano, sectores productivos, entre
otros) es otro beneficio a considerar, sobre
todo al momento de evaluar el costo neto que
tendrían para el país los eventuales subsidios
para la penetración de estas tecnologías.
A partir del año 2006, España y EEUU se han
transformado en países líderes en estas
materias, implementando proyectos de gran
escala. Si bien hoy no existen estas
aplicaciones en nuestro país, el potencial de
obtencióndeenergíaesprácticamenteilimitado
desde el punto de vista de la disponibilidad
del recurso. Chile cuenta con el desierto de
Atacama en el norte del país que tiene uno de
los niveles de radiación solar incidente más
alto del mundo (sobre 2.500 kWh/m2), lo que
permite maximizar la eficiencia de estos
sistemas.

electricidad y energía térmica y posee un rango
de potencia entre 50 y 300 MW [Estela Solar].
Consiste en un semi cilindro de espejos
que concentran los rayos solares sobre una
tubería central por la cual circula un fluido que
transporta el calor, frecuentemente aceite
sintético. Para la acumulación de la energía
se utilizan sales fundidas. Sus principales
componentes son los espejos, el sistema
de conversión de energía, el sistema de
enfriamiento y el fluido de trabajo.
Se encuentra en etapa comercial y es la
tecnología más madura y común de los CSP
disponibles en la actualidad, en muchos casos
con grandes sistemas de almacenamiento,
aunque se sigue desarrollando para lograr
mejoras en su rendimiento. Permiten ofrecer
temperaturas máximas de 400°C [Estela
Cilindro parabólico
Solar], eficiencia solar-térmica de 60% y
solar-eléctrica de 15% [IEA 2010, Tech.
Roadmap]. El factor de planta puede alcanzar
un 40%, aunque se proyecta que pueda ser más
alto en el futuro [SolarPaces]. Para funcionar
sólo se requiere cielos despejados y alta
radiación solar. Respecto del requerimiento
de agua, éstos necesitan alrededor de 3.000
L/MWh [IEA 2010, Tech. Roadmap].
Se esperan mejoras en la generación directa
(vapor), en los materiales y en los sistemas de
almacenamiento, lo que provocaría aumento
en la eficiencia de conversión de energía. Los
costos actuales para este tipo de tecnología
se encuentran entre 4.000 y 8.000 USD por
kW instalado [IEA, 2010], 4.000 USD/kW sin
almacenamiento, y 8.000 USD/kW con
almacenamiento, mientras los costos de
operación y mantenimiento se estiman en
alrededor de 70 a 140 USD/kW al año [Abengoa
Solar, 2011]. El costo medio de la energía es
cercano a 18,5 centavos USD/kWh.
En EEUU hay diversas plantas que utilizan esta
tecnología, como por ejemplo en California,
operando desde la década de 1980 con una
capacidad de 354 MW, y en Kramer Junction,
planta que consiste de 5 parques con un
potencial total de 150MW. En Chile no se
cuenta con este tipo de instalaciones por ahora.
14.

Lineal Fresnel
electricidad y, en algunos casos, energía
térmica. Las plantas desarrolladas con este
sistema son principalmente pilotos de hasta
6 MW, aunque hay algunas más grandes en
desarrollo de hasta sobre 150 MW [Estela Solar].
Este tipo de sistemas se aproximan a la
forma parabólicade los sistemas de cilindro pero
utilizando largas filas de espejos planos, o
levemente curvos, de manera de reflejar los
rayos solares en un receptor linear fijo. Un
diseño reciente conocido como Compact Lineal
Fresnel Reflectors (CLFRs), utiliza dos receptores
paralelos por cada fila de espejos lo que lo
hace requerir menos superficie que los cilindros
parabólicos para producir una cierta cantidad de
energía.
La principal ventaja de este tipo de sistemas
es que su simple diseño de espejos curvos
flexibles y receptores fijos requiere menores
costos de inversión y facilita la generación
directa de vapor, eliminando de esta forma la
necesidad y costos de fluidos de transferencia
e intercambiadores de calor. Las plantas de
este tipo son, sin embargo, menos eficientes
que los cilindros parabólicos en convertir la
Imagen:BasedeimágenesCER
15.
energía solar en eléctrica, además de resultar
más complejo el incorporar capacidad de
almacenamiento en su diseño.
Se basa en la concentración de los rayos solares
utilizando espejos ligeramente curvos que se
orientan hacia un reflector secundario al cual se
reflejan los rayos del sol hasta un absorbedor en
el cual circula un fluido de trabajo, generando
directamente vapor saturado.
Los costos de inversión por superficie de espejo
son menores que las otras tecnologías, pero
su eficiencia no es muy alta. Los costos
actuales para este tipo de tecnología se
encuentran en 9.000 USD/kWp [Solar- Paces].
El principio de funcionamiento es el mismo que
el del cilindro parabólico, el factor de planta se
puede estimar en 50%, mientras que la
eficiencia en conversión de energía ronda el
30% [SolarPaces].
Los costos de operación y mantenimiento
incluyen, gastos en agua de consumo y
refrigeración, gastos de mantenimiento, y
gastos de combustible en el caso de hibridación
o respaldo. Una típica planta de 50 MW requiere
alrededor de 30 empleados para la operación y
10 para mantenimiento en terreno. Los costos
por este concepto se han evaluado desde 60
hasta 70 USD/MW/año. A medida que aumente
el tamaño de la planta, los costos de operación
y mantenimiento se hacen menores [OECD/AIE,
2010]. El costo medio de la energía se encuentra
entre 42 y 46 centavos USD/kWh.
Reflectores del tipo Linear Fresnel son una
tecnología naciente con muchas posibilidades
de mejora. La mayor ventaja es el diseño
relativamente simple de los espejos, lo que
puede implicar costos más bajos. Es uno de los
conceptos más recientemente surgidos, por
lo que no se ha alcanzado su pleno estado de
madurez, aunque es posible encontrar
aplicaciones de uso comercial. Surge como
una alternativa para obtención de energía de
forma eficiente en ciudades soleadas. A la vez,
debido a su baja madurez no es posible
aún obtener mejores rendimientos en el
aprovechamiento de la energía, lo que impacta
en el aumento en los costos porgeneración de
electricidad.
Algunos países líderes en la tecnología son EEUU,
Alemania y Australia.

16.
Torre de Concentración
electricidad y energía térmica, con un rango
de potencia estimado entre 10 y 50 MW
[Estela Solar].
Las torres solares, o sistemas de recepción
central (CRS por sus siglas en inglés), utilizan
cientos de miles de reflectores pequeños
para concentrar los rayos solares en un
receptor central ubicado en lo alto de una torre
fija. Algunas plantas de torre comerciales en
operación utilizan generación directa de vapor
en sus receptores, mientras que otras utilizan
sales “molten” como el fluido de transferencia
de calor y el medio de almacenamiento. El
poder de concentración del concepto de torre
alcanza temperaturas sumamente altas,
aumentando así la eficiencia por la cual el
calor es convertido en electricidad y
reduciendo los costos de almacenamiento
térmico. Además, el diseño es altamente
flexible, permitiendo a diseñadores escoger
entre una gran variedad de helióstatos,
receptores, fluidos de transferencia y bloques
de poder. Algunas plantas cuentan con varias
torres que alimentan un bloque de poten-
cia. Funciona a través de la concentración de
los rayos solares en la parte superior de una
torre fija, lo que permite mayores
temperaturas y eficiencias que los sistemas
lineales. Pueden generar vapor saturado o
sobresaturado directamente o utilizar
sales fundidas, aire u otro fluido. Hoy en día,
los campos solares de miles de pequeños
heliostatos son una alternativa de menor costo
para el diseño de campos, aunque cuen-
tan con la complejidad adicional asociada al
sistema de seguimiento de espejos y los
sistemas de emergencia para los cambios de
temperatura del receptor. El mantenimiento
del sistema puede producir algunos residuos
menores o cambios en condiciones naturales
de escurrimientos de agua.
Las partes básicas que conforman el sistema
son los espejos, la torre de concentración, el
sistema de conversión de energía térmica
en eléctrica, el sistema de enfriamiento y el
fluido de trabajo. El factor de planta se
proyecta cercano al 60% [SolarPaces] para
casos de almacenamiento térmico, y entre
35% a 38% sin almacenamiento, mientras
la eficiencia en la conversión en la
actualidad se encuentra del orden de 20% a
35% [IEA 2010, Tech. Roadmap].
Las torres que alimentan con aire a turbinas
a gas en una planta de ciclo combinado
pueden ofrecer eficiencias del orden del 35%
[SolarPaces]. El capital necesario para
instalar una torre se puede considerar
aproximadamente 4.000 USD/kW con
almacenamiento mínimo y 7.000 USD/kW con
mayor nivel de almacenamiento y factor de
planta de 70%. En términos de operación y
mantenimiento, según datos del año 2008,
los costos son de 66 USD/kW/año [EPA, 2008].
El costo medio de la energía es cercano a 17,4
centavos USD/kWh.
Actualmente, existen una serie de diseños
diferentes, en particular para el fluido de
transferencia de calor, conservación de éste
y ciclos termodinámicos. Las perspectivas a
futuro indican que los principales diseños
están siendo propuestos considerando una
o varias torres y alternativas de diseños de
receptores, así como diversas opciones de
fluidos transportadores de calor y sistemas
de almacenamiento. La tecnología aún no
alcanzalamadurezquepermitaobtenermejores
rendimientos en el aprovechamiento de la
energía, lo que impactaen el aumento en los
costos por generaciónde electricidad.

17.
Disco Parabólico
Esta tecnología se aplica para
obtener electricidad y energía térmica,
con un rango de potencia estimado entre
10 y 25 kW por unidad [Estela Solar].
Los discos parabólicos concentran los rayos
solares hacia un punto focal ubicado en sus
centro. El aparato completo sigue al sol, con
el disco y el receptor moviéndose en conjunto
ofreciendo la mayor eficiencia en sistemas
de baja capacidad de generación (decenas
de kW). El calor es absorbido en un motor
termodinámico que produce electricidad a
partir de él, tipo Stirling de alta eficiencia
con Hidrógeno o Helio y que cuenta con un
sistema de enfriamiento que usa un fluido
que trabaja en ciclo cerrado. La mayoría de
los discos cuentan con un motor/generador
independiente en el punto focal. Este
diseño elimina la necesidad de un fluido de
transferencia y de agua de enfriamiento.
Los discos ofrecen el mejor desempeño de
conversión solar a electricidad de cualquier
sistema CSP. Una serie de características, como
su tamaño compacto, ausencia de agua de
enfriamiento, entre otras, los ponen en
competencia con módulos PV, así como
también con otras tecnologías CSP. La
producción en masa permite ser una tecnología
competitiva con sistemas de mayor capacidad,
con el beneficio de las economías de escala.
Para su instalación requiere superficies de
tierras entre 1,2 y 1,6 ha/MW. No
necesita agua, salvo para lavar los espejos.
No hay piezas que se utilicen únicamente
para esta tecnología, y como cualquier diseño,
requiere analizar aspectos como instalación,
manufactura, ubicación de espejos, soportes,
algoritmos de control, entre otros. El factor
de planta se proyecta en 50 - 60% en el corto
plazo [SolarPaces], mientras que la eficiencia
en la conversión se encuentra alrededor de
25-30% [IEA 2010, Tech. Roadmap]. El costo
de inversión de una planta de este tipo es de
alrededor de 10.000 USD/kW, [IEA ETP, 2008]
con un costo de operación y mantenimiento
estimado en 48,2 USD/kW al año [SolarPaces,
2011]. El costo medio de la energía es cercano
a 28,3 centavos USD por kWh.
La introducción de tuberías receptoras de calor
independiente para cada unidad supone un
aumento en la eficiencia estimada en
Un país líder es España, por sus dos plantas de Sevilla: el PS10 de
11 MW y el PS20 de 20 MW. Otros proyectos mayores se están
desarrollando en Sudáfrica, Israel y el oeste de EEUU. En Chile no se
cuenta con instalaciones de este tipo, sin embargo, hay perspectivas
para construir una torre en el desierto en el Norte de Chile por sus
niveles de radiación.

18.
alrededor d e 10 [ SolarPaces]. E s una
tecnología que s e encuentra e n etapa
de desarrollo y mejoramiento, y tiene
prácticamente e n funcionamiento s ólo
plantas piloto, aunque algunos sistemas
llevan 2 0 años e n pruebas sin g randes
pérdidas en su rendimiento.
Algunos países, como EEUU y otros países de
Europa, poseen p lantas piloto e n operación,
como l a de S andia National Laboratories en
Nuevo México. Hay una planta de generación
c omercial e n Maricopa, Arizona, con 60
discos que generan 1.5 MW. También en
Odeillo, Francia, existe un disco parabólico de
52 k Wh. Actualmente e n Chile n o se c uenta
con proyectos de este tipo.

Energía Solar Térmica
(Agua Caliente Sanitaria, ACS)
rgía térmica
Un sistema solar térmico transforma la energía radiante emitida por
el sol en energía térmica y la acumula, en forma de agua caliente, para
pasar al sistema de apoyo antes de su posterior consumo. El sistema de
apoyo, por su parte, es el encargado de cubrir las diferencias térmicas
que el aporte solar no alcance a proveer al sistema.
En general, son proyectos que pueden aplicarse desde una escala
residencial, comercial hasta industrial, con potencias del orden de 700
W/m2 [EREC, 2010]. Dado que la energía térmica no se puede transportar
eficientemente a través de grandes distancias, este tipo de tecnologías
son especialmente adecuadas en áreas donde se concentra la demanda,
por ejemplo empresas, casas, edificios, industrias, etc.
Los principales componentes de estos sistemas son el sistema de
captación de energía solar, el sistema de almacenamiento de agua, el
sistema de intercambio, sistema de apoyo, la red hidráulica y el sistema
eléctrico y de control. El Factor de planta que alcanzan estos sistemas
térmicos está entre 24% y 50% [NREL, 2010], mientras que la eficiencia
de conversión de energía se encuentra normalmente entre 40% a
65% [Transenergie, 2011], pero puede ser aún mayor, dependiendo en
gran parte de las condiciones de trabajo de los equipos, como nivel de
radiación y diferencia de temperatura entre el ambiente y el colector.
Las principales barreras se encuentran asociadas con los costos
iniciales relativamente altos y un período de recuperación de capital
largo lo que hace que este tipo de energía sea poco atractivo para un
hogar promedio, además de la falta de profesionales capacitados para
diseñar, implementar y mantener estos sistemas. A nivel local se puede
mencionar como barrera, además, la falta de profesionales capacitados
para diseñar, implementar y mantener estos sistemas. El costo de
inversión se encuentra entre 1.294 y 2.000 USD/kW, con costos de
mantención entre 2,14 y 28,5 USD/kW al año. El costo medio de la energía
es de 5,5 a 19,1 centavos USD/kWh.
Un colector de 2,4 m2 y 150 litros oscila entre USD 270 en China, y
USD 950 en Grecia [OECD/IEA, 2009]. Los costos de operación varían
fuertemente con la presencia del recurso solar, la complejidad de las
instalaciones y el costo de mano de obra. En Europa el costo de generar
ACS oscila entre 70 y 215 USD/MW de calor [OECD/IEA, 2009], lo que
es más caro que utilizar gas natural pero competitivo frente al uso de
electricidad.
15.19.

16.
Los precios en Chile s on i nferiores a Europa
porque las i nstalaciones pueden ser m ás
simples y l a mano d e obra menos c ostosa
y serán aún más bajos en l a medida que s e
desarrolle e l mercado [TransEnergie-CNE,
2006].
Gracias al enorme potencial que posee Chile en
términos del recurso, en particular en la zona
norte y centro, se prevé que estas tecnologías
aumenten su p articipación en l a generación
nacional de energía t érmica e n los próximos
años. Aunque es factible de aplicar en todo el
país, se obtiene mayor eficiencia y economía
en el norte y zona central de Chile.
20.

Colectores sin cubierta
Consiste e n placas p lanas a bsorbentes de energía sin c ubierta,
conformadas por u n arreglo de t ubos por donde c ircula u n fluido de
trabajo,comúnmente agua. Seutiliza enen elcalentamientode agua para
aplicaciones simples, ya que en general son colectores que funcionan
a un bajo rango de temperatura (10-40°C).
Su e ficiencia d e conversión es variable, la que d isminuye a mayor
diferencia de temperatura entre el medio ambiente y el colector, pero
aumenta ante mejores condiciones de radiación. Con 400 W/m2 y una
diferencia d e temperatura entre e l medio ambiente y e l colector d e
20ºC, p ara esta tecnología se l ogra u n eficiencia d e 50% y c on u na
diferencia de temperatura de 40°C, ésta decae a 20% [TransEnergie-
CNE, 2006].
Los componentes principales de este tipo de sistemas son las placas
absorbentes de energía, los tubos, generalmente de PVC, a través de
trabajo, que son de fácil instalación pero a la vez de menor vida útil y el
sistema de acumulación de energía. Es una tecnología de instalación y
mantención sencilla y mientras haya radiación solar incidente con poca
obstrucción, no se requiere nada adicional para su implementación.
El p rincipal mercado de i nstalación en e l mundo e s Estados Unidos,
seguido por Australia y Nueva Zelanda. El desarrollo de la tecnología
ha alcanzado ya el uso comercial, por lo que en Chile existen diversos
sistemas de este tipo implementados. El principal uso potencial para
este tipo de colectores es el calentamiento de agua para piscinas.
21.

22.
Colectores planos
Esta tecnología se aplica para generar energía térmica, principalmente
para o btener a gua caliente sanitaria t anto e n nivel residencial, c omo
en aplicaciones de mayor demanda, ya que funcionan en un rango de
temperatura entre 1 0 y 80°C. Son c olectores planos que poseen una
cubierta, generalmente de vidrio mezclado con incrustaciones de hierro.
Estas cubiertas tienen un espesor mínimo de 4mm, deben ser capaces de
soportar inclemencias del clima y tienen un alto grado de transparencia,
sobre el 90%, pudiendo llegar a 95% con películas antirreflectivas.
Su e ficiencia d e conversión es variable, la que d isminuye a mayor
diferencia de temperatura entre el medio ambiente y el colector, pero
aumenta ante mejores condiciones de radiación. Con 400 W/m2 y una
diferencia de temperatura entreel medio ambiente y el colector de 20ºC,
para esta tecnología se logra un eficiencia de 65% y con una diferencia
de temperatura de 40ªC, ésta decae a 45% [TransEnergie-CNE, 2006].
Los principales componentes de estos sistemas son la cubierta, placa
absorbente, tubos por donde c ircula e l fluido de t rabajo, un aislante
térmico y s oporte. También s e suele aplicar u n sistema d e
almacenamiento p ara conservar a gua caliente e n las h oras e n que
disminuye la radiación solar. Es una tecnología de instalación y manten-
ción sencilla.
China posee una de las mayores superficies instaladas, junto a Turquía. A
su vez, Australia y Nueva Zelanda tienen una de las mayores tasas de m2
por habitantes de estos sistemas instalados.

Colectores tubos al vacío
Esta tecnología se aplica para obtener energía
térmica, principalmente para agua caliente
sanitaria y procesos térmicos industriales.
La base del funcionamiento consiste en la
colocación de placas absorbentes de energía y
tubos con fluidos de trabajo dentro de un tubo
al vacío, permitiendo un mayor aislamiento
térmico y permitiendo alcanzar mayores
temperaturas en la placa (sobre 100°C). Esta
configuración disminuye las pérdidas de calor
con lo cual aumenta la eficiencia del sistema.
Su eficiencia de conversión es variable, la que
disminuye a mayor diferencia de temperatura
entre el medio ambiente y el colector, pero
aumenta ante mejores condiciones de
radiación. Con 400 W/m2 y una diferencia de
temperatura entre el medio ambiente y el
colector de 20ºC, para esta tecnología se logra
un eficiencia de 75% y con una diferencia
de temperatura de 40ªC, ésta decae a 65%
[TransEnergie-CNE, 2006].
Se conocen 3 tipos de tubos: de flujo directo,
en los cuales el fluido de trabajo fluye
directamente a través del absorbente den-
tro de los tubos; tubo de calor, en el cual la
temperatura se transfiere al fluido de
trabajo en un condensador que recibe agua
u otro fluido evaporado, lo condensa y lo
devuelve al tubo de calor; y tipo Sydney, tubo
de vidrio de doble pared, en los cuales la
superficie absorbente se halla directamente
sobre el tubo interior de vidrio. Requiere un
reflector para aprovechar el área no alcanzada
por el sol.
Los componentes principales son tubos de
vidrio, placas absorbentes, las cuales son tubos
por donde circula el fluido de trabajo, placas
reflectantes, soporte y un sistema de
almacenamiento, que permita tener energía
para las horas sin radiación solar. Es una
tecnología de instalación y mantención
sencilla.
Del total mundial instalado de sistemas de ACS
al 2008, del orden de la mitad corresponden
a esta tecnología, con supremacía en China.
Australia y Nueva Zelanda tienen una de
las mayores tasas de m2 instalados por
habitantes. Es una tecnología suficientemente
madura como para encontrarse a nivel
comercial, a pesar de que al año 2009 no se
registran grandes sistemas de estos instalados
en Chile.
23.

Energía eléctrica
Chimenea solar
Esta t ecnología se puede a plicar p ara obtener electricidad y energía
térmica. Consiste en un invernadero el cual cuenta con una chimenea
pintada de negro, que durante el día se calienta por la radiación solar,
aumentando l a temperatura del a ire en s u interior, c reando una
corriente de aire ascendente dentro de la chimenea. Esta corriente de aire
ascendente se usa para generar electricidad mediante turbinas y para
sistemas de climatización.
Dada la escasa madurez tecnológica, no se conocen de manera confiable
sus niveles de factor de planta, sin embargo, dadas sus características,
se estima que deberían ser relativamente altos. Para una Chimenea se
necesita una gran superficie terrestre, si se quiere obtener un potencial
importante de energía, y mucha radiación solar. Además, la chimenea
debe tener una gran altitud, cercana a los 1.000 metros o más, mientras
que algunos proyectos diseñados en la actualidad consideran diámetros
de sobre 100 metros, lo que en términos de impactos puede implicar una
fuente de contaminación visual. Como la tecnología está en estudio, por
ahora no hay estimaciones de costos.
Teóricamente, Chile tendría mucho potencial para generar electricidad
a partir de una chimenea en el desierto, pero la tecnología todavía se
encuentra e n estado d e desarrollo. Actualmente, en Chile e xiste u n
desarrollo con apoyo FONDEF.
24.

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Para mayor información contactarse con:
Centro de Energías Renovables
Agustinas 640, piso 16, Santiago
Tel. 496 96 00
cer@corfo.cl
www.cer.gob.cl

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