Las plantas de energía solar de concentración (CSP) utilizan grandes cantidades de irradiación directa para producir calor de forma eficiente (y electricidad, después de que ese calor se introduce en una turbina). Los captadores cilindroparabólicos (Figura 1) son una tecnología CSP muy extendida y un tipo de captadores solares de concentración que utiliza espejos reflectores curvados en forma parabólica a lo largo de su eje longitudinal. Estos espejos concentran la radiación solar sobre la línea focal de la parábola, donde se encuentra el tubo receptor. Dicho tubo contiene el fluido que calentamos hasta casi 400 ºC, lo que permite producir calor solar de alta temperatura. El conjunto de reflectores y receptores está instalado sobre una estructura metálica que sigue el movimiento del sol a lo largo del día.

En general, la energía solar de concentración es una tecnología madura con varios gigavatios de capacidad instalada en todo el mundo. Aun así, uno de sus principales retos consiste en mantener la eficiencia óptica del sistema pese a la acumulación persistente de suciedad en los receptores y los espejos reflectores. De hecho, se estima que solo la limpieza representa entre el 1 % y el 3 % de los ingresos netos de las plantas CSP cilindroparabólicas11. En los siguientes párrafos analizaremos el problema con más detalle y presentaremos una solución novedosa.

Figura 1: Principio de funcionamiento de un captador cilindroparabólico

Suciedad en plantas solares térmicas cilindroparabólicas

Las partículas de polvo, el polen, las emisiones industriales y otros contaminantes —denominados conjuntamente suciedad— pueden provocar pérdidas del 3-4 % incluso en plantas con estrategias de limpieza rigurosas22. Las razones son varias33:

1. La más evidente es que la suciedad bloquea y absorbe parte de la radiación incidente. La suciedad sobre los reflectores reduce la cantidad de energía transferida a los receptores; la suciedad sobre los receptores reduce la cantidad de energía transferida al fluido caloportador.
2. Además, aumenta la reflectancia del receptor —un componente diseñado precisamente para absorber toda la luz concentrada sobre él—, lo que incrementa aún más las pérdidas. La radiación reflejada de vuelta al aire es energía que no puede ser captada por el fluido caloportador.
3. Por último, la suciedad dispersa parte de la luz reflejada por los espejos, desviándola del receptor. El receptor ya es un objetivo pequeño sobre el que concentrar la luz. Por tanto, incluso una pequeña desviación de unos pocos milirradianes en la trayectoria del haz de luz reflejado puede hacer que esta energía se desvíe del receptor y se pierda. Sin embargo, el receptor debe ser pequeño por necesidad. Aumentar su tamaño implicaría incrementar el diámetro del tubo, y un tubo de mayor diámetro supone tanto mayores costes de material como mayores pérdidas energéticas debido a su mayor superficie.

Teniendo en cuenta todo lo anterior —energía bloqueada, reflejada y dispersada—, las plantas CSP invierten considerablemente en mantener un factor de limpieza elevado en sus campos solares mediante la limpieza de los dos componentes clave de sus captadores cilindroparabólicos: los espejos reflectores y los receptores. El mantenimiento de estos componentes forma parte de la optimización de proyectos solares térmicos.

Limpieza del componente 1: espejos reflectores

Existen dos formas de limpiar los espejos reflectores: un cepillo de contacto que frota el captador y desprende la suciedad adherida a la superficie, y un chorro de agua que elimina las partículas depositadas de forma menos adherente. Ambos métodos se consideran complementarios y se aplican conjuntamente, como puede observarse en la Figura 2.

Figura 2: Camión especializado limpiando un captador cilindroparabólico con cepillo y chorro de agua

El polvo y la suciedad se adhieren a las superficies de los espejos mediante distintos mecanismos dependiendo del tiempo que llevan depositados, las condiciones ambientales y la composición de las partículas. Con el tiempo, el polvo suelto experimenta procesos dinámicos de migración y acumulación influidos por factores ambientales, transformándose gradualmente en polvo más fuertemente adherido. Por eso los dos métodos de limpieza funcionan mejor juntos: el chorro de agua elimina el material depositado de forma menos adherente, mientras que el cepillo elimina las partículas fuertemente adheridas.

Aun así, la limpieza únicamente mediante pulverización es más rápida porque evita el lento proceso de contacto mecánico; en el siguiente apartado explicaremos con más detalle por qué la limpieza con cepillo es más lenta. Esta ventaja de velocidad resulta útil para ciclos de limpieza intermedios y más frecuentes dirigidos únicamente a las partículas depositadas de forma menos adherente, que constituyen la mayor parte de la suciedad acumulada recientemente. Estos ciclos se realizan entre las limpiezas combinadas con cepillo y pulverización, o cuando es necesario limpiar rápidamente todo el campo solar, por ejemplo después de tormentas de polvo o episodios estacionales de suciedad.

En cuanto al riesgo de daños, los reflectores son suficientemente robustos para soportar la fricción del contacto con el cepillo cuando este se utiliza correctamente. Los sistemas de cepillos están diseñados específicamente con materiales suaves e integración del suministro de agua para minimizar posibles daños en la superficie y, al mismo tiempo, mantener una eliminación eficaz de las partículas. Aun así, el proceso requiere un posicionamiento preciso del cepillo, sincronización de la rotación y un control cuidadoso del contacto para evitar posibles arañazos en el espejo. La limpieza sin contacto mediante pulverización, por el contrario, no presenta esta limitación. Los espejos son prácticamente inmunes a los chorros de agua, ya que el agua a presión —aunque eficaz para eliminar partículas— no supone un riesgo de daño mecánico para las superficies reflectantes.

Limpieza del componente 2: receptores

Los receptores, por otro lado, son diferentes. Tanto la cara interior como la exterior del tubo de vidrio están recubiertas con un revestimiento antirreflectante. Se trata de una película fina y delicada fabricada con un material poroso, normalmente dióxido de silicio44. Los poros generan interferencia destructiva, lo que reduce considerablemente la cantidad de luz reflejada por la superficie del tubo de vidrio y aumenta la transmitancia hasta en cuatro puntos porcentuales55.

Sin embargo, las partículas de dióxido de silicio presentan una baja fuerza de unión entre sí, por lo que requieren un cuidado especial durante la limpieza. Se ha observado que la limpieza por contacto puede provocar arañazos en el tubo de vidrio, reducir su resistencia mecánica y desprender la capa de revestimiento66. Por ello, los fabricantes de receptores desaconsejan expresamente la limpieza por contacto y establecen límites para determinados parámetros de la limpieza por pulverización, como la presión del agua, el diámetro de la boquilla y la distancia entre la boquilla y el receptor.

Sin embargo, la limpieza por pulverización permite que las partículas de suciedad adherente se incrusten en la estructura porosa del revestimiento antirreflectante y se acumulen a lo largo de la vida útil del receptor. Este problema se ve agravado por el hecho de que actualmente todavía no disponemos de metodologías fiables para medir la suciedad de los receptores77. El resultado es que los operadores de las plantas son conscientes de la disminución progresiva del rendimiento de sus receptores, pero no pueden cuantificarla y, ante la ausencia de mejores opciones de limpieza, tampoco pueden tomar medidas.

Método de FersiSolar para la limpieza de receptores por contacto

En respuesta a este problema persistente que afecta al rendimiento de los campos solares de nuestros clientes, FersiSolar ha desarrollado un nuevo método de limpieza por contacto para equipos solares térmicos de alto rendimiento. Esta solución fiable elimina suavemente la suciedad adherente sin dañar los receptores. El método es altamente eficaz; en una prueba reciente realizada en la planta de un cliente, consiguió mejoras del 6-7 % en el rendimiento de la planta. Al pedirle su opinión, el responsable de ingeniería que supervisó las pruebas afirmó:

«Es impresionante ver la rapidez con la que los indicadores de rendimiento de la planta respondieron al nuevo método de limpieza. Observamos un aumento claro e inmediato de la producción de los sectores limpiados. Entiendo que muchos compañeros puedan mostrarse reticentes a empezar a limpiar sus receptores por contacto; al fin y al cabo, nadie quiere dañarlos. Sin embargo, el método de FersiSolar es seguro y, siempre que los operadores que realizan la limpieza estén atentos y sean cuidadosos, no hay motivo para preocuparse».

Esperamos ampliar la implantación de este novedoso proceso de limpieza por contacto de receptores en plantas de energía solar térmica de concentración. Superar este obstáculo en la gestión de la suciedad de los receptores solares supone un hito importante para la competitividad de esta tecnología renovable. ¿Quieres saber más? Contacta con nosotros, estaremos encantados de compartir más información.