Concentrador solar

Un concentrador solar es un dispositivo óptico diseñado para captar la energía solar incidente sobre una superficie amplia y concentrarla en una región de menos área, con el objetivo de aumentar la densidad energética disponible. Esta concentración puede lograrse mediante reflexión (empleando espejos) o refracción (usando lentes). Los concentradores solares se utilizan en aplicaciones que requieren altas temperaturas o elevada intensidad lumínica, como la energía termosolar de concentración, los motores Stirling o los sistemas fotovoltaicos de alta concentración (CPV).^[1]

Según Ma et al. (2019), estos sistemas "desempeñan un papel esencial en la captación de energía solar, al incrementar de forma efectiva la densidad de potencia disponible para su conversión térmica o eléctrica".^[1]

El funcionamiento de un concentrador solar se basa en los principios de la óptica geométrica, redirigiendo los rayos solares incidentes hacia un punto o línea focal. Para reflejar, dirigir y concentrar la radiación solar se emplean reflectores solares, que deben cumplir ciertas características para garantizar la eficiencia del sistema:

• Elevada reflectancia en el espectro solar (300–2500 nm).
• Alta especularidad o reflectancia especular (7–12,5 mrad) para concentrar correctamente los rayos.^[2]
• Facilidad de conformado, adaptándose a geometrías como cilindros parabólicos o helióstatos.

• Durabilidad ambiental, tanto química como mecánica, con una vida útil aproximada de 25 años.

En el foco, donde convergen los rayos solares redirigidos, se sitúa un receptor donde se transforma la radiación concentrada en calor o electricidad. Este receptor normalmente consiste en un material absorbente solar que debe:

• Absorber la mayor cantidad posible de radiación solar, es decir, tener elevada absorptancia solar (α).
• Minimizar las pérdidas de energía térmica por emisión infrarroja, mediante baja emitancia térmica (ε).^[3]
• Evitar pérdidas ópticas por reflexión, empleando recubrimientos antirreflectantes.

Los receptores solares pueden clasificarse según su diseño y forma de captación de energía:

• Receptores exteriores: tubos o superficies expuestas directamente a la radiación concentrada que transfieren el calor a un fluido caloportador (HTF).

• Receptores de cavidad: estructuras huecas que capturan y retienen la radiación, reduciendo pérdidas térmicas por convección y radiación.
• Receptores volumétricos: materiales porosos o semitransparentes que permiten que la radiación penetre y sea absorbida en todo el volumen, aumentando la transferencia de calor al fluido caloportador.
• Receptores de lecho fluido: sistemas en los que partículas sólidas suspendidas en un fluido actúan como medio absorbente, permitiendo alcanzar altas temperaturas y uniformidad térmica.^[4]

La eficiencia del sistema depende de la calidad y receptividad de las superficies ópticas, la precisión del seguimiento solar, la alineación geométrica y las pérdidas térmicas en el receptor.^[5]

Estudios como el De Lara (2013) sobre el dimensionamiento de concentradores Fresnel muestran que factores como el ángulo de aceptación, la dispersión y las sombras parciales influyen significativamente en el rendimiento óptico global.^[5] La radiación concentrada puede calentar fluidos térmicos (como aceites, sales fundidas o agua) hasta temperaturas superiores a 400 °C, permitiendo su uso en ciclos termoeléctricos o en procesos industriales.

Existen diversas configuraciones según su geometría, nivel de concentración y aplicación tecnológica:

• Cilindro parabólico: El concentrador parabólico cuenta con un arreglo de espejos en forma de cilindro parabólico. Los espejos reflejan la radiación solar hacia un tubo receptor lineal situado en el foco. En el foco se coloca un conducto por donde pasa un fluido, como aceite o salmuera. Dependiendo de la longitud de exposición, el área de captación solar y la irradiancia, dicho fluido puede calentarse incluso por encima del punto de ebullición del agua, llegando a temperaturas alrededor de 300 °C. El conducto está formado por dos tubos concéntricos: el tubo exterior es de vidrio con recubrimiento antirreflectante y cuenta con un vacío intermedio que reduce las pérdidas térmicas por convección; en su interior se encuentra un tubo metálico con recubrimiento absorbente selectivo, por cuyo interior circula el fluido caloportador (HTF), encargado de transportar la energía térmica.^[6] Una vez caliente, el fluido pasa a una caldera donde calienta agua y la convierte en vapor. La energía contenida en el vapor puede ser utilizada para generar electricidad si se pasa por una turbina que haga girar a un generador. Este tipo de sistema resulta especialmente adecuado para aplicaciones de media temperatura, como la producción de vapor industrial o la alimentación de ciclos Rankine simples. Su configuración lineal facilita el seguimiento solar en un solo eje y la instalación modular en plantas de gran extensión. Es uno de los sistemas más empleados en centrales termosolares de gran escala.^[5]
• Disco parabólico: utiliza una superficie reflectante con forma de cono parabólico que concentra los rayos del sol en un solo punto, en vez de un conducto lineal. Este arreglo permite generar temperaturas alrededor de los 650 °C. Dispone de un sistema mecánico de dos ejes que permite mantener la orientación del disco hacia el sol durante todo el día, optimizando la captación. A diferencia del sistema cilindro-parabólico, el plato parabólico alcanza mayores densidades de potencia gracias a su concentración puntual, lo que lo hace idóneo para aplicaciones que requieren altas temperaturas, como reactores termoquímicos. De esta forma puede calentar un fluido caloportador o puede acoplarse a un motor Stirling para la generación eléctrica descentralizada.^[7] Además, su diseño autónomo y compacto permite una operación descentralizada, aprovechando la radiación directa con gran precisión y eficiencia.
• Fresnel lineal: compuesto por una serie de espejos planos o ligeramente curvados que dirigen la luz hacia un receptor fijo suspendido. Su diseño modular facilita la reducción de costes de construcción y mantenimiento.^[5]
• Concentradores luminosos o LSC ("Luminiscent Solar Concentrators"): emplean materiales luminiscentes que absorben la luz solar y la guían ópticamente hacia los bordes del dispositivo, donde se ubican las celdas fotovoltaicas. Este tipo de concentradores puede integrarse en ventanas o fachadas semitransparentes.^[8]

• Sistemas de receptor central (SRC): utiliza un campo de espejos móviles, conocidos como heliostatos, para reflejar y concentrar la radiación solar hacia un receptor situado en la parte superior de una torre.^[9] Este receptor convierte la energía solar concentrada en calor, que luego se puede utilizar para generar electricidad mediante un ciclo termodinámico, generalmente el ciclo Rankine, o para aplicaciones industriales que requieren calor a alta temperatura.^[10]

Cada diseño presenta ventajas y limitaciones: mientras los sistemas parabólicos alcanzan mayores temperaturas, los LSC destacan por su potencial en integración arquitectónica y bajo coste de mantenimiento.^[11]

Los concentradores solares tienen aplicaciones en distintos campos de la ingeniería y la energía:

• Agua Caliente Sanitaria (ACS): mediante captadores planos, captadores de tubos de vacío o captadores “heat-pipe” se aprovecha la luz solar para calentar agua destinada a uso sanitario, lo cual permite reducir el consumo de energía convencional y proporcionar agua caliente de manera sostenible.^[12]
• Generación eléctrica en plantas termosolares (CSP): consiste en el uso de grandes campos de espejos o heliostatos que concentran la radiación solar sobre un receptor central, donde el calor captado se emplea para generar vapor de alta presión que impulsa una turbina acoplada a un generador eléctrico.
• Procesos térmicos industriales: como la destilación de agua, la producción de vapor para procesos químicos o el secado solar de alimentos.^[13]
• Sistemas híbridos fotovoltaico-térmicos (PVT): donde la radiación concentrada alimenta simultáneamente una celda solar y un intercambiador térmico.^[14]
• Motores solares: el acoplamiento entre un concentrador parabólico y un motor Stirling permite convertir la energía solar térmica en trabajo mecánico o electricidad local.

Según el Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE, 2020), la energía solar de concentración representa una de las vías más eficientes para la producción de calor de proceso y generación eléctrica renovable en zonas de alta irradiancia. (Guía de Energía Solar Térmica de Concentración para Procesos Industriales, IDAE, 2020).

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• Horno solar de Odeillo