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Termosolares

Tipos de Centrales Termosolares

INDICE

1. DISCO STIRLING.

2. TECNOLOGÍA DE TORRE.

3. TECNOLOGÍA CILINDRO-PARABÓLICA.

4. ISCC (Integración Solar en Ciclos Combinados).

5. REQUISITOS BÁSICOS PARA LA INSTALACIÓN DE LA CENTRAL TERMOSOLAR.

ÍNTRODUCCIÓN.

En la actualidad existen 3 tipos principales de centrales termosolares las de disco stirling, las de torre y las de colectores cilindro parabólicos, a partir de estos 3 tipos se están desarrollando otros módelos de produción como convinar centrales termosolares con ciclos combinados, para mejorar rendimientos.

1. DISCO STIRLING.

Un sistema de concentrador disco Stirling está compuesto por un concentrador solar de alta reflectividad, por un receptor solar de cavidad, y por un motor Stirling o una microturbina que se acopla a un alternador. El funcionamiento consiste en el calentamiento de un fluido localizado en el receptor hasta una temperatura entorno a los 750º C. Esta energía es utilizada para la generación de energía por el motor o la microturbina. Para óptimo funcionamiento, el sistema debe estar provisto de los mecanismos necesarios para poder realizar un seguimiento de la posición del sol en dos ejes.

Figura 1. Captador Disco Stirling.

2. TECNOLOGIA DE TORRE.

La tecnología de torre se posiciona como una tecnología termosolar con un grado de madurez media.

En los sistemas de torre, un campo de helióstatos o espejos móviles que se orientan según la posición del sol, reflejan la radiación solar para concentrarla hasta 600 veces sobre un receptor que se sitúa en la parte superior de una torre. Este calor se transmite a un fluido con el objeto de generar vapor que se expande en una turbina acoplada a un generador para la producción de electricidad.

 

Figura 2. Esquema de funcionamiento de la tecnología torre.

El funcionamiento de la tecnología de torre se basa en tres elementos característicos: los helióstatos, el receptor y la torre.

1)     Los helióstatos tienen la función de captar la radiación solar y dirigirla hacia al receptor. Están compuestos por una superficie reflectante, una estructura que le sirve de soporte, y mecanismos que permiten orientarlo para ir siguiendo el movimiento del sol. Las superficies reflectantes más empleadas actualmente son de espejos de vidrio.

2)     El receptor, que transfiere el calor recibido a un fluido de trabajo, que puede ser agua, sales fundidas, etc. Este fluido es el encargado de transmitir el calor a la otra parte de la central termosolar, generalmente a un depósito de agua, obteniéndose vapor a alta temperatura para producción de electricidad mediante el movimiento de una turbina.

3)     La torre sirve de soporte al receptor, que debe situarse a cierta altura sobre el nivel de los helióstatos con el fin de evitar, o al menos reducir, las sombras y los bloqueos.

 

Figura 3. Vista de una torre y su campo de helióstatos.

2.1 Mejoras en la tecnología de torre.

En la constante búsqueda para obtener mayores rendimientos se ha avanzado principalmente en dos frentes, conseguir mayores temperaturas e hibridar y mejorar el almacenamiento.

1. Altas temperaturas, buenos rendimientos, las altas temperaturas (superiores a 1000º C) que se pueden alcanzar con esta tecnología permiten aspirar a elevados rendimientos en la generación de electricidad, incluso por encima del 25 % en la transformación de radiación solar a electricidad.

2. Hibridación y almacenamiento, en la tecnología de torre, se puede incorporar el almacenamiento de energía. A partir de este almacenamiento el sistema puede proporcionar energía aun en condiciones de nubosidad o de noche. Actualmente la solución más utilizada es el uso de un tanque de almacenamiento de agua/vapor o sales fundidas que acumula la energía para ser distribuida en otro momento, por lo que la planta de ser sobredimensionada. Otra aplicación utilizada en la tecnología de torre es la hibridación.

3. TECNOLOGIA CILINDRO-PARABOLICA.

La tecnología cilindro-parabólica es una tecnología limpia, madura y con un extenso historial que demuestra estar preparada para la instalación a gran escala. Esta tecnología lleva siendo instalada a nivel comercial desde los años 80 con un excepcional comportamiento. Desde entonces, ha experimentado importantes mejoras a nivel de costes y rendimientos. Actualmente hay 300 MWs en operación, 400 en construcción y alrededor de 6 GWs en promoción a nivel mundial.

La tecnología cilindro-parabólica basa su funcionamiento en seguimiento solar y en la concentración de los rayos solares en unos tubos receptores de alta eficiencia térmica localizados en la línea focal de los cilindros. En estos tubos, un fluido transmisor de calor, tal como aceite sintético es calentado a aproximadamente a 400 ºC por los rayos solares concentrados. Este aceite es bombeado a través de una serie de intercambiadores de calor para producir vapor sobrecalentado. El calor presente en este vapor, se convierte en energía eléctrica en una turbina de vapor convencional.

La tecnología cilindro-parabólica es la tecnología CSP más desarrollada.

Figura 4. Esquema de funcionamiento de la tecnología Cilindro-parabólica

Los componentes principales del campo solar de la tecnología cilindro-parabólica son:

1)     El reflector cilindro-parabólico: La misión del receptor cilindro parabólico es reflejar y concentrar sobre el tubo absorbente la radiación solar directa que incide sobre la superficie. La superficie especular se consigue a través de películas de plata o aluminio depositadas sobre un soporte que le da la suficiente rigidez. En la actualidad los medios soporte más utilizados son la chapa metálica, el vidrio y el plástico.

2)     El tubo absorbedor: El tubo absorbedor consta de dos tubos concéntricos separados por una capa de vacío. El interior, por el que circula el fluido que se calienta es metálico y el exterior de cristal.
El fluido de trabajo que circula por el tubo interior es diferente según la tecnología. Para bajas temperaturas (< 200 ºC ) se suele utilizar agua desmineralizada con Etileno-Glicol mientras que para mayores temperaturas (200º C < T < 450 º C) se utiliza aceite sintético. Las últimas tecnologías permiten la generación directa de vapor sometiendo a alta presión a los tubos y la utilización de sales como fluido caloportante.

3)  El sistema de seguimiento del sol: El sistema seguidor más común consiste en un dispositivo que gira los reflectores cilindro-parabólicos del colector alrededor de un eje.

4)     La estructura metálica: La misión de la estructura del colector es la de da rigidez al conjunto de elementos que lo componen.

Figura 5. Colector cilindro-parabólico.

3.1 Almacenamiento.

La tecnología de colectores cilindro-parabólicos puede incorporar almacenamiento para poder producir electricidad en horas de oscuridad, la más extendida es el almacenamiento con sales. Esta tecnología se basa en la utilización de dos tanques de sales para almacenar el calor.

1)   Durante el ciclo de carga, las sales intercambian calor con el fluido procedente del campo solar y se almacenan en el tanque caliente.

2)  Durante el ciclo de descarga, el sistema simplemente opera en sentido contrario al anteriormente expuesto, calentando el fluido caloportador que generará vapor para mover la turbina que producirá finalmente la electricidad.

Figura 6. Esquema de funcionamiento de almacenamiento de sales fundidas

Figura 7. Depósitos de sales fundidas

4. ISCC (Integracion Solar en Ciclos Combinados).

La tecnología ISCC combina todos los beneficios de la energía solar con los beneficios de un ciclo combinado. El recurso solar sustituye parcialmente el uso del combustible fósil con el ahorro de emisiones que ello supone. El campo solar se construye a partir de tecnología cilindro-parabólica.

4.1 El ciclo combinado convencional.

Una planta convencional de ciclo combinado, está formada por una turbina de gas, un recuperador de calor y una turbina de vapor. En el caso de una planta híbrida solar ISCC, se utiliza la energía solar como energía auxiliar que permitirá incrementar el rendimiento del ciclo, y disminuir las emisiones.

4.2 El ciclo combinado-solar

El funcionamiento de una planta híbrida de ciclo combinado-solar, es semejante al de una planta de ciclo combinado convencional. El combustible  se quema normalmente en la cámara de combustión de la turbina de gas. A los gases de escape que se dirigen al recuperador de calor, se les añade el calor proveniente del campo solar, resultando en un aumento en la capacidad de generación de vapor y consecuentemente un incremento de producción de electricidad en la turbina de vapor.

Figura 8. Esquema de funcionamiento planta ISCC

5. REQUISITOS BASICOS PARA LA INSTALACION DE LA CENTRAL TERMOSOLAR .

Para la instalación de plantas de tecnología termosolar, existen ciertos requerimientos como vitales para que funcione correctamente:

1)  El clima. La viabilidad económica de un proyecto termosolar depende de forma directa de los valores de irradiación solar directa que se registran anualmente en la zona considerada para la implantación, por lo que normalmente este tipo de centrales se instalan en zonas calidas y muy soleadas.

2)   La orografía. Una superficie plana facilita las labores de diseño y construcción del campo solar, ya que se evitan las sombras que pudiese provocar un terreno ondulado.

3)     Disponibilidad de agua.

4)     Disponibilidad de conexión eléctrica a la red.

5.1 Superficie mínima para la construcción de diferentes tipos de plantas termosolares.

Figura 9. Instalación termosolar de torre

Para la construcción de una central termosolar se necesita una gran cantidad de superficie para poder instalar todos los espejos y evitar las sombras, en la tabla 1, se muestran las superficies orientativas para diferentes potencias y configuraciones para unas condiciones de radiación en torno a los 2120 kWh/m 2año.

Tabla1. Compación de potencia de la instalación y superficie ocupada

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