La PSA cuenta actualmente con tres hornos solares, dos de eje horizontal y uno de eje vertical.

Los hornos solares alcanzan los más altos niveles energéticos que se pueden obtener con un sistema solar de concentración, habiéndose conseguido concentraciones por encima de los 10.000 soles.

Su campo de aplicación comprende principalmente los ensayos de materiales, tanto en condiciones ambientales como en atmósferas controladas o en vacío, y experimentos de química solar mediante receptores asociados a reactores químicos.

Constan esencialmente de un helióstato plano que realiza seguimiento solar continuo, un espejo parabólico concentrador, un atenuador o persiana y la zona de ensayos situada en el foco del concentrador [Martínez y Rodríguez, 1998].

El espejo captador plano –helióstato- refleja los rayos solares paralelos y horizontales sobre el disco parabólico, el cual los vuelve a reflejar concentrándolos en su foco (área de ensayos). La cantidad de luz incidente se regula mediante el atenuador situado entre el concentrador y el helióstato. Bajo el foco se encuentra la mesa de ensayos que tiene movimiento en las tres dimensiones espaciales (Este-Oeste, Norte-Sur, arriba-abajo), y sirve para posicionar las probetas con gran exactitud en el foco.

El elemento que capta la radiación solar y la envía hacia el concentrador parabólico es el campo de helióstatos. Los helióstatos están formados por una superficie reflectiva compuesta por múltiples facetas planas –no concentradoras- que reflejan los rayos solares horizontales y paralelos al eje óptico del concentrador y hacen seguimiento continuo del disco solar.

El horno solar de la PSA consta de cuatro helióstatos dispuestos en dos niveles, cada uno de los cuales enfoca a una esquina del concentrador, de manera que se asegura la iluminación completa del concentrador durante el periodo operativo.

Los helióstatos constan de 16 facetas de tipo sandwich de 3,35 m2, lo que da un total de 53,58 m2. Cada una está compuesta por dos espejos con un 90% de reflectividad y van fijadas a un marco portante por 30 ventosas.

El disco concentrador es el componente principal del horno solar. Concentra la luz incidente proveniente del helióstato, multiplicando la energía radiante en la zona focal. Sus propiedades ópticas afectan especialmente a la distribución de flujo en el foco.

Está compuesto por 89 facetas esféricas con un total de 98,5 m2 de superficie y un 92% de reflectividad. Su distancia focal es de 7,45 m.La superficie parabólica se consigue con el uso de facetas de curvatura esférica, distribuidas según cinco radios de curvatura distintos según su distancia al foco.

El atenuador consiste en un conjunto de lamas dispuestas horizontalmente que, mediante un movimiento giratorio sobre su eje, regulan la entrada de luz solar incidente en el concentrador. La energía total en el foco es proporcional a la radiación que pasa a través del atenuador.

Está compuesto por 30 lamas dispuestas en dos columnas de 15. En posición cerrado las lamas forman un ángulo de 55º con la horizontal y en abierto 0º.

La mesa de ensayos es un soporte móvil para las probetas o prototipos a ensayar y está situado bajo el foco del concentrador. Tiene movimiento en tres ejes (X,Y,Z) perpendiculares entre si, y sirve para posicionar con gran precisión en el área focal las probetas a ensayar.

La conjunción de todos los elementos anteriormente descritos da lugar a una distribución de la densidad de flujo en el foco, que es el elemento que caracteriza a un horno solar. Esta distribución suele tener geometría gaussiana y para su caracterización se emplea una cámara CCD conectada a un procesador de imágenes, y un blanco lambertiano. Las características del foco para el 100% de apertura y una radiación solar de 1000 W/m2 son: Pico de flujo: 3000 kW/m2, potencia total: 58 kW y diámetro del foco: 23 cm [Neumann, 1994].

Disco concentrador del Horno Solar (izquierda) y receptor en operación dentro de la zona focal (derecha)

Se ha iniciado la construcción de una nueva instalación para ubicar el concentrador McDonnell Douglas perteneciente a PSA-CIEMAT de 98,5 m2, capaz de concentrar 3000 veces la radiación que incide sobre él, y con una potencia de 68 kW, para su utilización como instalación para el ensayo de prototipos de generación de calor solar para procesos industriales y tratamiento de residuos de alta temperatura (superior a 1000ºC).

Obras del nuevo Horno Solar

Este concentrador permite el desarrollo de prototipos preindustriales para la generación de calor de proceso solar, una nueva línea iniciada en PSA-CIEMAT hace 4 años, sobre la base de diferentes modelos de reactor que demuestran la viabilidad de los procesos industriales estudiados. Los resultados obtenidos indican que la energía solar de concentración podrá aplicarse eficazmente a procesos industriales que requieran altas temperaturas, como los relacionados con los sectores cerámico, metalúrgico o de eliminación de residuos tóxicos persistentes.