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Sistema solar Disco-Stirling

Sistema solar Disco-Stirling

En los últimos siglos, la humanidad ha experimentado el mayor avance tecnológico y científico de su historia. Esto ha hecho posible una importante mejora en la calidad de vida gracias a la aparición de nuevas tecnologías que hacen que todo sea más fácil y cómodo. La otra cara de la moneda nos muestra el acelerado deterioro del medio ambiente, debido en gran medida al imparable aumento de las necesidades energéticas.

Las principales fuentes energéticas utilizadas en la actualidad (petróleo, carbón y gas) no son renovables, lo que significa que es preciso investigar todas las posibles alternativas. Así, se ha recuperado un motor termodinámico inventado hace casi dos siglos y caído en desuso tras la invención y posterior expansión de los motores de explosión y eléctricos. Estamos hablando del motor Stirling, cuyas prestaciones y posibles aplicaciones en las tecnologías de energías renovables pueden hacer que se convierta en uno de los motores clave del siglo XXI.

Orígenes y evolución del motor Stirling

El motor Stirling fue inventado y patentado en 1816 por el reverendo escocés Robert Stirling. Inicialmente fue ideado con el fin de reemplazar a las turbinas de vapor que, debido a las frecuentes explosiones, causaban numerosos accidentes en las fábricas.  Robert Stirling patentó este motor junto con un dispositivo que mejoraba el rendimiento térmico y que él denominó economizador de calor (hoy se conoce como regenerador). Así, fue capaz de desarrollar un motor que trabajaba con aire caliente a una presión más baja, por lo que era más seguro y tenía menor riesgo de explosión que las máquinas de vapor que se usaban en aquella época.

La facilidad de uso, el funcionamiento silencioso con cualquier tipo de combustible y la seguridad, hicieron que los motores Stirling fueran muy populares hasta el final del siglo XIX, y se utilizaban con frecuencia y con buenos resultados en aplicaciones de bombas de agua y maquinaria ligera como mezcladoras, bombas de aire, aserradoras, etc. Sin embargo, estos motores disponían de baja potencia en relación a su peso y tamaño. Posteriormente, con la invención del motor de explosión, el uso del motor Stirling fue decayendo poco a poco hasta quedarse casi en el olvido.

La segunda etapa de los motores Stirling tuvo lugar a finales de los años 30, cuando unos ingenieros de Philips intentaron poner a punto un motor Stirling para alimentar unos equipos eléctricos. En esta época, el conocimiento sobre la física térmica y los fluidos térmicos era mucho mayor, y además se disponía de nuevos materiales como por ejemplo, el acero inoxidable, por lo que los resultados fueron mejores. En los años 50 estos ingenieros lograron que su motor Stirling alcanzara un potencia 30 veces superior a los primeros Stirling. Este hecho suscitó un gran interés por parte de la comunidad científica, y se propusieron gran cantidad de proyectos y estudios sobre el tema. Después de este auge momentáneo, de nuevo vino un periodo de tiempo que duró varias décadas en el que los motores Stirling fueron relegados a un segundo plano.

La crisis del petróleo de 1973 reabrió el interés, pero fue la NASA, con su investigación sobre sistemas de alta eficiencia térmica alimentados por energía solar, la que le dio un nuevo impulso a esta tecnología que parecía obsoleta. Durantes estos últimos años, la popularidad de los motores Stirling ha aumentado debido al gran número de características favorables que presentan, ya que tienen el potencial para ser mucho más eficientes que los motores diesel o gasolina.

Principios de funcionamiento: motores termodinámicos

El Stirling es un motor termodinámico. Este tipo de motores son capaces de transformar energía térmica (calor) en trabajo mecánico aprovechando la diferencia de temperatura existente entre una fuente de calor, denominada foco caliente, y un sumidero de calor, denominado foco frío. Pueden ser de combustión interna (también llamados endotérmicos), como los motores de los coches, o de combustión externa (o exotérmicos), como es el caso del motor Stirling. Que sea de combustión externa quiere decir que el motor puede funcionar con cualquier fuente de calor externa como por ejemplo, gases de escape de motores, combustión de biomasa, energía nuclear o energía solar. Esto nos hace intuir la enorme versatilidad de este tipo de máquinas, que lo único que necesitan para funcionar es calor y que en su funcionamiento no emiten ningún tipo de contaminante a la atmósfera.

Básicamente, el ciclo de funcionamiento de un motor Stirling consta de cuatro fases en las que un gas se comprime, se calienta, se expande y se enfría de manera cíclica. Esta serie de eventos provocan cambios en la presión del gas que se traducen en trabajo útil. Este proceso de conversión de calor en trabajo hace que el motor Stirling sea el único motor cuyo rendimiento se acerca al máximo teórico posible, que viene determinado por el llamado rendimiento del motor ideal de Carnot. En la práctica no es posible alcanzar este rendimiento ideal, ya que durante el funcionamiento se producen pérdidas inevitables.

El motor Stirling y la energía solar

Los sistemas que utilizan motores Stirling para producir electricidad a partir de la energía solar se conocen como disco-Stirling. Muchos expertos creen que estos sistemas tienen un futuro prometedor, ya que han demostrado eficiencias superiores a las demás tecnologías solares.

Los disco-Stirling se utilizan en energía solar termoeléctrica, que es la que aprovecha la radiación solar incidente para calentar un fluido que posteriormente se hará pasar por una etapa de una turbina que generará electricidad. Son pequeños discos parabólicos independientes conectados a un motor Stirling que está situado en el foco de la parábola. Consiguen concentrar la luz solar entre 1.000 y 4.000 veces y así se obtiene el calor suficiente para que el motor pueda funcionar.

En Estados Unidos se encuentran las mayores plantas termoeléctricas del mundo que estarán pobladas por miles de unidades disco-Stirling. En España podemos verlos en la Plataforma Solar de Almería, que los ha estudiado desde 1992, y en Sanlúcar la Mayor (Sevilla), donde hay instalados 8 sistemas disco-Stirling.

I’d put my money on the sun and solar energy. What a source of power! I hope we don’t have to wait until oil and coal run out before we tackle that.”

Thomas Alva Edison, 1931

Escrito por Varinia para divulgaUNED.