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Estudio de las Diferentes Tipologas de Receptores Volumtricos en Centrales Termosolares
UNIVERSIDAD DE SEVILLA
Estudio de las Diferentes Tipologas de Receptores
Volumtricos en Centrales Termosolares
Proyecto Fin de Carrera
Autor: David Gonzlez Fuentes
Director: Dr. Jos Julio Guerra Macho
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2 David Gonzlez Fuentes
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3 David Gonzlez Fuentes
A mis padres por su confianza y nimos constantes durante todos estos aos, a mi hermano
por su actitud, a mi novia por su apoyo y sacrificio y a mis compaeros que me hicieron estos
aos ms gratos.
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4 David Gonzlez Fuentes
Resumen
Este proyecto se divide en cuatro apartados. En el primero se recogen numerosos artculos
cientficos que permiten comprobar el estado del arte actual en los receptores volumtricos.
En el siguiente apartado, se muestra la diversidad de centrales termosolares que existen en
la actualidad, describiendo sus principales caractersticas y sus elementos constituyentes. Se
contina realizando una comparacin de estas tecnologas y se concluye con una
recopilacin de las plantas operativas agrupadas por pases.
En el tercer apartado, el proyecto se centra en el receptor volumtrico indicando sus
principios operativos, sus elementos y su clasificacin. Adems, se incluye un apartado con
los materiales constructivos ms empleados y los problemas no resueltos que presenta sta
tecnologa.
En el ltimo apartado se muestran unas conclusiones obtenidas tras la finalizacin del
proyecto.
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ndice
Resumen ............................................................................................................................. 4
ndice .................................................................................................................................. 6
ndice de Figuras .................................................................................................................. 8
ndice de tablas ................................................................................................................... 9
Glosario............................................................................................................................. 10
1. Introduccin............................................................................................................... 12
1.1. Introduccin ................................................................................................................ 12
1.2. Estado del Arte ............................................................................................................ 12
1.2.1. Simulaciones y Experimentos en Receptores Solares ......................................... 13
1.2.2. Revisiones de la Tecnologa Actual. .................................................................... 17
1.2.3. Actividades de Investigacin. .............................................................................. 18
1.2.4. Software para el Anlisis y la Optimizacin de Instalaciones. ............................ 24
1.3. Organizacin y Contenido ........................................................................................... 26
2. Centrales Termosolares .............................................................................................. 28
2.1. Concepto ..................................................................................................................... 28
2.2. Fundamentos .............................................................................................................. 28
2.2.1. El medio ambiente .............................................................................................. 28
2.2.2. Economa ............................................................................................................. 29
2.2.3. Requisitos ............................................................................................................ 29
2.3. Funcionamiento .......................................................................................................... 30
2.4. Clasificacin de CTS ..................................................................................................... 31
2.4.1. Centrales de Concentrador Cilindro Parablico .................................................. 32
2.4.2. Central de Concentrador Lineal Fresnel .............................................................. 36
2.4.3. Centrales de Disco Parablico con Motor Stirling ............................................... 39
2.4.4. Centrales de Torre ............................................................................................... 42
2.5. Anlisis Comparativo de las Tecnologas..................................................................... 46
2.6. Relacin de Plantas Existentes .................................................................................... 48
2.6.1. Espaa ................................................................................................................. 48
2.6.2. EE.UU. .................................................................................................................. 54
2.6.3. rea Mediterrnea y Oriente Medio................................................................... 55
2.6.4. Australia y Sudfrica. ........................................................................................... 56
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3. Receptores Volumtricos ............................................................................................ 58
3.1. Introduccin ................................................................................................................ 58
3.2. Descripcin del Funcionamiento y del Proceso de Transferencia de Calor ................ 58
3.3. Clasificacin de Receptores Volumtricos .................................................................. 63
3.3.1. Receptor no presurizado con absorbedor metlico. ........................................... 64
3.3.2. Receptor no presurizado con absorbedor cermico. .......................................... 67
3.3.3. Receptor presurizado con absorbedor cermico o metlico. ............................. 72
3.4. Materiales Constructivos ............................................................................................ 79
3.5. Problemas no resueltos. .............................................................................................. 80
4. Conclusiones .............................................................................................................. 82
5. Bibliografa ................................................................................................................ 83
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ndice de Figuras
Figura 1-1 Sistema de receptor volumtrico........................................................................ 16
Figura 1-2 Ciclos Brayton propuestos. ................................................................................. 20
Figura 1-3 Ciclo combinado propuesto. ............................................................................... 21
Figura 2-1 Esquema de CTS ................................................................................................ 30
Figura 2-2 Clasificacin de centrales termosolares .............................................................. 32
Figura 2-3 Centrales de concentrador cilindro parablico. ................................................... 32
Figura 2-4 Central de concentrador lineal fresnel. ............................................................... 36
Figura 2-5 Centrales de disco parablico con motor Stirling................................................. 40
Figura 2-6 Centrales de receptor central. ............................................................................ 42
Figura 2-7 Distribucin geogrfica de plantas operativas en Espaa .................................... 48
Figura 2-8 Distribucin por tecnologas de plantas operativas en Espaa ............................. 49
Figura 3-1 Mecanismos de transferencia de calor en un receptor de cavidad. ...................... 60
Figura 3-2 Estructura porosa de almina recubierta de SiC .................................................. 61
Figura 3-3 Perfil generalizado de temperaturas en el interior de un receptor volumtrico. ... 62
Figura 3-4 Comparacin de los mecanismos de intercambio de calor entre un receptor de
tubos y uno volumtrico. ................................................................................................... 62
Figura 3-5 Reactor volumtrico para el reformado de metano............................................. 63
Figura 3-6 Mdulo de absobedor metlico ......................................................................... 66
Figura 3-7 Detalle de las secciones hexagonales del receptor Phoebus-TSA. ........................ 66
Figura 3-8 Esquema del receptor cermico con recubrimiento de cristal de cuarzo. ............. 69
Figura 3-9 Esquema del HiTRec I. ........................................................................................ 70
Figura 3-10 Detalle del receptor SOLAIR 3000. .................................................................... 71
Figura 3-11 Esquema del Receptor PLVCR-500 .................................................................... 73
Figura 3-12 Esquema de la seccin de DIAPR. ..................................................................... 73
Figura 3-13 Conjunto de precalentadores sobre la etapa central. ........................................ 74
Figura 3-14 Mdulo del receptor REFOS. ............................................................................ 75
Figura 3-15 Conjunto de receptores solares SOLGATE. ........................................................ 75
Figura 3-16 Resistencia frente a temperatura de diversos materiales. ................................. 79
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ndice de tablas
Tabla 2-1 Comparacin de las Tecnologas. ......................................................................... 47
Tabla 2-2 Plantas operativas en Espaa. ............................................................................. 49
Tabla 2-3 Plantas en construccin o preasignadas. .............................................................. 53
Tabla 3-1 Resumen de receptores volumtricos .................................................................. 77
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Glosario FC Fluido Caloportador SRC Sistemas de Receptor Central CTS Centrales Termosolares SEM Scanning Electron Microscopy EDXS Energy Dispersive X-ray Spectrometer CRS4 Central Receiver Solar System SimulationS PSA Plataforma Solar de Almera RVP Receptor Volumtrico Presurizada NREL National Renewable Energy Laboratory
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1. Introduccin
1.1. Introduccin
Las centrales termosolares estn presentes en la mayora de pases desarrollados, siendo el
consumo de electricidad y el crecimiento del sistema indicadores claves para su presencia.
Estas plantas presentan una gran dinmica y evolucin durante su vida til ya que la tecnologa
no est an lo suficientemente madura. Si particularizamos en los receptores volumtricos
vemos que incluso se acenta esta falta de experiencia, pese a que desde la unin europea y
desde los gobiernos anglosajones, se fomentan la inversin y la investigacin para que la
mejora continua del sistema sea una realidad.
Esta evolucin tan impresionante y beneficiosa para la sociedad, lleva pareja unas obligaciones
y retos tcnicos que los ingenieros estamos llamados a resolver. Queda mucho camino por
recorrer; el control de estas plantas necesita investigacin, estudiando su topologa variable y
sus posibles arquitecturas; adems se necesita una mayor planificacin a la hora de
incrementar su potencia y desarrollar mejores configuraciones que permitan su manejo de
manera ms eficiente.
El objetivo de este proyecto es la recopilacin de informacin, la clasificacin de las
tecnologas y la profundizacin en el rea de los receptores volumtricos, los cuales son
grandes candidatos para ser integrados en las plantas comerciales en un futuro.
1.2. Estado del Arte
A continuacin, se presenta una revisin de artculos cientficos en relacin con el tema
propuesto en el proyecto. Los artculos se han clasificado segn su temtica, dando lugar a
cuatro grupos:
Simulaciones y experimentos en receptores solares.
Revisiones de la tecnologa actual.
Actividades de Investigacin.
Software para el anlisis y la optimizacin de instalaciones.
En total se recopilan 29 artculos que han sido localizados mediante las plataformas de datos
Science Direct y Elsevier.
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1.2.1. Simulaciones y Experimentos en Receptores Solares
Hoffschmidt et al. 2003. Artculo en el que evalan un receptor de alta temperatura (HitTRec),
que consta de un absorbedor modular de cermica, una estructura de soporte y un sistema de
aire de retorno. Se ha diseado para evitar la posible inestabilidad del flujo a 700 - 800 C de
temperatura media de salida de aire a presin atmosfrica.
El prototipo Hitrec-II fue desarrollado para resolver los problemas estructurales del primer
prototipo (Hitrec-I). Las pruebas en banco de pruebas de la Plataforma Solar de Almera (PSA)
duraron desde noviembre de 2000 hasta mayo de 2001, acumulando 150 horas de pruebas.
Los resultados demostraron la durabilidad de la modificacin de la estructura de acero
inoxidable. El flujo de entrada fue de hasta 900 kW/m2 y una temperatura media de salida de
aire de hasta 840 C con temperaturas de pico de salida de aire de hasta 950 C. La eficiencia
trmica bajo condiciones de estado estable fue de 76 + -7% a 700 C, condiciones nominales
para un receptor volumtrico de tipo PHOEBUS.
Los autores del artculo evaluaron tambin otras caractersticas como la relacin de aire de
retorno del 46% y el tiempo de respuesta caracterstico del receptor de 70 s.
Heller et al. 2006. En este artculo se describe la experimentacin y los resultados de un
primer prototipo de sistema de produccin de energa solar de turbina de gas, instalado en
2002 en el CESA-1 planta de torre en la Plataforma Solar de Almera (PSA).
Los principales objetivos del proyecto eran desarrollar un receptor solar capaz de proporcionar
aire a presin a 1000 C y resolver los problemas que surgen a partir del acoplamiento de los
receptores con una turbina de gas convencional para demostrar la operatividad del sistema.
La instalacin consiste en un campo de helistatos de la instalacin CESA-1 proporcionando la
energa solar concentrada, un receptor solar presurizado de tres mdulos de 400 kWth cada
uno que convierten la energa solar en calor, y un motor de helicptero modificado (OST3) con
un generador acoplado a la red.
La primera fase de la prueba en la PSA empez en diciembre de 2002 con el objetivo de
alcanzar un nivel de temperatura de 800 C en la entrada de aire del combustor. Este objetivo
lo consiguieron al final de esta fase de prueba en marzo de 2003, y el sistema pudo ser
operado a 230 kWe de potencia sin mayores problemas. En la segunda fase de prueba entre
junio de 2003 y agosto de 2003 el nivel de temperatura se increment a casi 1000 C. Para ello
fueron necesarios 45 heliostatos aportando una irradiancia de 770 W/M2. La eficiencia a esta
temperatura vari en torno a (70 +- 10) %.
En el documento se describe la configuracin del sistema, la eficiencia de los componentes y
las experiencias de operacin de las primeras 100 horas de funcionamiento con energa solar
de esta primera prueba de un sistema solar con turbina de gas.
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Yao et al. 2009. Artculo sobre el proyecto DAHAN, de 1 MWe (sistema de receptor central),
financiado por el Ministerio de Ciencia y Tecnologa (MOST), que puede ser considerado como
un hito en el desarrollo de la energa solar trmica en China. El artculo se centra en describir la
creacin de modelos matemticos de los principales componentes bsicos de CRS y su
integracin como un modelo para la simulacin de toda la planta. El objetivo final de este
trabajo es predecir el comportamiento transitorio de las variables termodinmicas asociadas a
las perturbaciones externas y el cambio entradas operacionales.
El sistema est compuesto por un campo de helistatos, un receptor de cavidad, una turbina y
un sistema de almacenamiento trmico en aceite y agua/vapor. La radiacin solar es reflejada
desde un campo de heliostatos con seguimiento y se concentra en el receptor, el cual calienta
el agua de alimentacin hasta vapor sobrecalentado, y se enva a la entrada de la turbina
directamente o se almacenarse en el sistema de almacenamiento. El aceite se bombea desde
el tanque fro al depsito de agua caliente a travs de los intercambiadores de calor y se
calienta con vapor de agua producido por el receptor. Existe una resistencia auxiliar antes de
entrada de la turbina de vapor saturado.
El objetivo principal del diseo y la construccin de DAHAN es demostrar el funcionamiento de
las centrales solares con receptor central en China. La herramienta de software HFLD ha sido
desarrollada para el clculo del diseo y disposicin del campo de helistatos. Los resultados
de la simulacin de HFLD concuerdan muy bien con los datos de eficiencia publicados en el
campo de helistatos PS10 de Espaa. En base a esto, el diseo del campo de helistatos de
DAHAN se ha diseado utilizando HFLD y toda la planta se simula usando un modelo en
TRNSYS.
Slocum et al. 2011. Artculo cientfico en el que se presenta un sistema de produccin de
energa solar de concentracin que utiliza heliostatos sobre una ladera, concentrando la
radiacin solar en un receptor volumtrico de sales fundidas con almacenamiento integral
(NaNO3-KNO3 punto de fusin, 222C, temperatura estimada de corrosin, 593C).
La radiacin solar concentrada es absorbida por sales fundidas en el receptor a travs de una
profundidad de 4-5 m, haciendo en la medida de lo posible que el sistema sea insensible al
paso de las nubes espordicas. El volumen del receptor tambin acta como almacenamiento
trmico que elimina la necesidad de tanques de sal, de almacenamiento secundario. Una
abertura pequea y un techo abovedado cubierto de material refractario reducen las prdidas
y reflejan la radiacin trmica en el tanque. La sal caliente es bombeada desde la parte
superior del tanque a travs de un generador de vapor y luego regresa a la parte inferior del
tanque. Una placa aislante se coloca dentro del tanque para proporcionar una barrera fsica y
trmica entre las capas trmicamente estratificadas, manteniendo los volmenes de sal fra y
caliente requeridos para la operacin continua.
Utilizando el programa de NREL Solar Advisor, se estima que el sistema consiga unos costos de
produccin de la electricidad competitivos (0.07-0.33$/kWh).
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Villafn-Vidales et al. 2011. Estudio numrico con el objetivo de predecir la transferencia
trmica dentro de un receptor solar volumtrico cermico de 1kW. El receptor consiste en una
cmara cilndrica horizontal que contiene una estructura porosa cermica. El frontal del equipo
es directamente irradiado mediante la concentracin de la energa solar suministrado por un
heliostato parablico de 2 metros de dimetro (85 cm de distancia focal, 120 de apertura),
con seguimiento solar. Las paredes laterales estn rodeadas de aislante y cristal semiesfrico
separa el sistema del aire ambiente.
El reactor produce hidrgeno mediante un ciclo termoqumico de dos reacciones. El modelo
es usado para predecir el comportamiento trmico del receptor bajo diferentes condiciones
operacionales como el ratio de flujo de gas inerte (N2), el flujo de incidencia solar, la
porosidad, el tamao de celda, el tamao del receptor solar volumtrico y la influencia de la
reaccin qumica. Los resultados concluyen que la mxima temperatura del receptor fue de
1440 C y que las mayores variaciones de temperatura del receptor volumtrico se dan al
aumentar el ratio de flujo de gas inerte, lgicamente disminuyendo la temperatura del
receptor.
Wu et al. 2011. Este estudio analiza de manera similar a Villafn-Vidales et al. 2011 la
distribucin de temperatura de las fases fluida y slida en receptores volumtricos de aire, si
bien no se realiza un experimento real sino una simulacin con un modelo macroscpico de
receptor cermico con forma cilndrica. La cada de presin en la espuma cermica y la
transferencia de calor entre el fluido y el slido estn incluidas en el modelo. Los estudios
fueron destinados a analizar los efectos de la velocidad, porosidad, tamao de celda y
conductividad trmica de la fase solida frente a la temperatura.
Los resultados concluyen que, partiendo de una radiacin solar de 600KW/m2
aproximadamente, el tamao de celda tiene un efecto dominante en la temperatura del
receptor.
Coelho et al. 2012. Las plantas termosolares tienen costos de electricidad reales moderados, y
en la mayora de los casos tienen problemas transitorios, debido a la alta inercia. La
hibridacin puede ayudar a resolver estos problemas y, si se hace con la integracin de la
biomasa de residuos forestales, se puede mantener el objetivo de energa "renovable", con un
impacto positivo en la reduccin de incendios forestales. Las condiciones locales, los recursos y
las tarifas tienen un gran impacto en la evaluacin econmica y tcnica de las soluciones
hbridas. Uno de los lugares ms idneos en Europa para este tipo de centrales es la regin
portuguesa del Algarve.
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Debido al nivel de concepto innovador, los enfoques conservadores se consideran las mejores
soluciones. En esta perspectiva, para una inversin de capital pequea en una planta de 4
MWe de potencia, la mejor solucin tcnica y econmica es Planta de concentracin de torre
central (con receptor volumtrico)/ Planta de biomasa HVIB3S4s con estrategia de control
CS3. El resultado es un costo de electricidad de 0,146 /kWh, con una mayor eficiencia y
factor de capacidad que una planta convencional de 4 MWe. Una planta de 10 MWe
(HVIB3S10s) hbrida, podra generar electricidad con indicadores econmicos positivos (0,108
/kWh y una TIR del 11,0%), con el doble de eficiencia anual y menores costos que una planta
convencional de 4 MWe. Tambin dara lugar a una reduccin del 17% en el consumo de
biomasa (aproximadamente 12.000 toneladas por ao menos) en comparacin con una tpica
planta de energa de 10 MWe de biomasa, lo que sera importante en el caso de un aumento
constante en el precio de la biomasa.
Cui et al. 2012. En este artculo, los autores han desarrollado un modelo (Figura 1-1) ptico
tridimensional para un receptor volumtrico presurizado y simulan el proceso de propagacin
de radiacin solar dentro del receptor volumtrico presurizado, por el mtodo de Monte Carlo.
Usando las coordenadas cilndricas en las estadsticas de distribucin de energa, se reduce el
nmero de clulas en la malla computacional y por tanto, el tiempo, en comparacin con un
mallado uniforme normal.
El concentrador secundario tiene un ngulo de aceptacin de 20, 1200mm de dimetro. El
cristal de cuarzo tiene un dimetro de 620mm y un espesor de pared de 8mm. El receptor es
diseado para una temperatura de operacin de 800-1000C y una presin de 1.5 MPa.
Figura 1-1 Sistema de receptor volumtrico.
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Los resultados muestran que, en las condiciones de funcionamiento dadas, el flujo de calor de
radiacin se concentra principalmente en el rea superior del absorbedor y el valor del flujo
trmico mximo es de hasta 2,73x 109Wm-3, pero disminuye rpidamente en los laterales.
En el artculo se concluye que el ngulo de incidencia y una forma relativamente estrecha de
absorbedor son tiles para reducir el flujo de calor mximo en el absorbedor. Adems, la
distribucin de energa de radiacin absorbida es ms uniforme y el mximo del flujo trmico
en el absorbedor disminuye en gran medida.
Veeraragavan et al. 2012. En este artculo se presenta un modelo de anlisis que investiga el
efecto de la prdida de calor, la concentracin solar y la altura del canal en la eficiencia del
receptor.
El modelo analtico fue formulado modelando la absorcin de la radiacin solar por las
nanopartculas en suspensin como una generacin de calor dentro del FC. La ecuacin de la
energa se resolvi modelando las prdidas de calor utilizando un coeficiente de prdidas
combinado radiante y convectivo.
Por ltimo, el modelo analtico se utiliz para estimar la eficiencia ptima y la correspondiente
longitud ptima del receptor para diferentes configuraciones de diseo con diferentes
Nusselts y flujos solares incidentes adimensionales obteniendo una eficiencia del sistema de
0.35 con una longitud adimensional de 0.86 para un valor de Nusselt igual a uno.
1.2.2. Revisiones de la Tecnologa Actual.
Garca et al. 2008. En este estudio los investigadores han tratado de obtener una visin
general de los cdigos informticos detallando sus caractersticas, fortalezas y debilidades.
Muestran que las herramientas de modelado de sistemas de receptor central (CRS) se pueden
dividir en dos categoras principales, que corresponden a dos tipos de problemas: por un lado
las dedicadas a la optimizacin del sistema: HFLCAL, UHC-RCELL y (WIN) DELSOL; y por otro
lado los diseados para el anlisis detallado de las prestaciones pticas: FIAT LUX, MIRVAL,
UHC-NS o IH y SOLTRACE.
Para laboratorios de investigacin o empresas del sector, es interesante el uso de un cdigo de
cada categora. Mediante un cdigo de la primera categora se consigue la distribucin de flujo
en lo alto del receptor y por tanto dimensionar el receptor. Con el uso de un software de la
segunda categora es posible el asesoramiento tcnico y econmico en la instalacin de
centrales termosolares.
vila-Marn 2011. Este documento es una extensa gua cronolgica de los receptores
volumtricos ms interesantes para la produccin de electricidad, identificando las diferentes
configuraciones, los materiales y resultados reales y esperados y sealando sus principales
ventajas y conclusiones basadas en la multitud de referencias y reportes de proyectos
internacionales.
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Este estudio tambin trata otros temas importantes relacionados con los receptores
volumtricos como la configuracin bsica de las plantas, el fenmeno de estabilidad de flujo y
los principales problemas del diseo de ventana para receptores presurizados.
1.2.3. Actividades de Investigacin.
Buck et al. 2006. En este artculo se desarrolla un nuevo concepto de receptor dual que mejora
la adaptacin del receptor central al ciclo de vapor en una central trmica solar. Mediante la
combinacin de un calentador de aire volumtrico abierto con una seccin de evaporador
tubular, conseguimos las ventajas de estos dos conceptos bsicos evitando sus problemas
caractersticos.
En este trabajo se presenta un estudio de concepto basado en la configuracin que se plane
originalmente para el proyecto PS10 en Espaa, utilizando la tecnologa volumtrica de
receptor abierto donde el aire es calentado hasta 700C en el receptor. El sistema de
concentracin consiste en 620 heliostatos de con seguimiento en dos ejes, y con una superficie
total de 120m2.
Los resultados muestran varias ventajas del nuevo concepto: incrementar la eficiencia trmica
del receptor desde el 66.7% hasta un 79.4%, reducir temperatura en el receptor de 700C
hasta 500C y menores prdidas parsitas. Gracias a estas mejoras, la produccin anual podra
aumentar en un 27.2% pasando a 15.9GWh, en comparacin con el sistema de calentamiento
de aire solar.
Becker et al. 2006. En este artculo cientfico se informa de los resultados de un anlisis
terico, as como un estudio numrico, investigando las inestabilidades de flujo en los
materiales porosos que se usan como receptores solares volumtricos.
En el anlisis terico se muestra que la conductividad trmica y las propiedades de
permeabilidad de los materiales porosos tienen una influencia significativa en la probabilidad
de la aparicin de inestabilidades de flujo. En las simulaciones se asumen un flujo de calor
constante de radiacin, que se absorbe en un volumen definido, y coeficientes constantes de
permeabilidad. Los investigadores han elegido unas condiciones de contorno similares a los del
proyecto Solucar Solar, de 10MW. Se han variado sistemticamente los parmetros de
conductividad trmica, el coeficiente de permeabilidad y el coeficiente de dispersin
turbulenta radial.
Finalmente, para una densidad de flujo de calor de 1 MW/m2 se genera una tabla de
parmetros, mostrando la posible aparicin de inestabilidad o estabilidad trmica y el
comportamiento del fluido. Estos resultados numricos son tremendamente tiles para la
optimizacin en el diseo de materiales para receptores volumtricos.
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Schmitz et al. 2006. El artculo muestra que en los sistemas trmicos solares de receptor
central, la radiacin solar tiende a concentrarse en las ventanas de vidrio relativamente
pequeas del receptor, lo que conduce a un cono de visin limitado. Esto significa que de
todas las posiciones posibles de helistatos alrededor de la torre, slo aquellas dentro de la
elipse, que resultan de la seccin del cono de visin con el plano del suelo, son utilizables.
Para los sistemas pequeos, para los cuales los costes de la torre son pequeos, el diseo del
campo de helistatos resultante es similar, con o sin concentrador secundario. Para sistemas
grandes, que son ms rentables, los costes de la torre empiezan a ser significativos, y las
prdidas debidas a la atenuacin atmosfrica y por desbordamiento dominan sobre las
prdidas por coseno. Por lo tanto, los campos puramente orientado al Norte tienden a ser
cada vez menos ptimos. Esto es demostrado mediante la simulacin de las plantas usando el
software HFLCAL.
Finalmente se demuestra que para potencias del receptor volumtrico superiores a 30 MW es
conveniente usar no una nica abertura orientada al Norte, sino hasta seis orificios, cada uno
de ellos asociado a un campo de helistatos separado. La potencia ptima para estas plantas
se encuentra entre 50 y 200 MWe con un receptor de entre 100 y 400 MW.
Agrafiotis et al. 2007. En este estudio, se evala un elemento poroso monoltico de mltiples
canales de carburo de silicio (SiC) con forma de panal empleado como receptor volumtrico de
radiacin solar concentrada. Se evalu con respecto a su estructura porosa y propiedades
termomecnicas antes y despus de un largo tiempo de operacin.
Del artculo se extrae que la correcta eleccin de la porosidad, la distribucin de tamao de
poro y la microestructura pueden proporcionar panales de SiC con mejores propiedades
mecnicas (resistencia de flexin y de compresin). La exposicin bajo irradiacin solar se
encontr que afectan tanto a su estructura de poros como a sus caractersticas mecnicas.
Durante las primeras etapas de la exposicin, se lleva a cabo una reestructuracin de la
estructura porosa cambiando el tamao medio de poro a valores ms altos y disminuyendo
ligeramente la porosidad total; esta re-estructuracin cesa despus de algn tiempo de
exposicin caracterstico. Despus de la exposicin solar, los panales se vuelven ms rgidos y
exhiben una resistencia significativamente mayor a la compresin.
Se concluy que se puede lograr una extensin de la vida til esperada con materiales con
propiedades mecnicas mejoradas tales como silicio infiltrado (siliconizado) SiC.
Albanakis et al. 2009. El objetivo principal que se trata en este artculo es la evaluacin del
comportamiento de los materiales porosos utilizados en receptores volumtricos bajo la
radiacin solar concentrada. Por esta razn, han sido probados diversos materiales porosos
metlicos y cermicos, como receptores potenciales de la radiacin solar concentrada. La
investigacin experimental demostr que su eficiencia depende tanto de los parmetros de los
materiales como de las condiciones del flujo.
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20 David Gonzlez Fuentes
En este trabajo, se ensay una variedad de materiales de espuma, tales como nquel y
aleaciones de nquel, inconel, cobre, aluminio y carburo de silicio con diferente porosidad de
clula abierta como medios potenciales para ser utilizados como receptores volumtricos e
intercambiadores de calor. Sin embargo, ya que los resultados fueron similares, solamente los
resultados de dos de ellos, el nquel y el inconel, se presentaron en detalle y se compararon
entre s.
Se concluye afirmando que la cada de presin en la espuma de nquel es superior a la de
inconel en todos los casos estudiados; y en cuanto a la transferencia de calor, tambin es
superior en el nquel.
Chacartegui et al. 2010. De acuerdo con la experiencia adquirida en plantas de receptor
central, si queremos conseguir un costo competitivo de electricidad, los costos de capital y de
mantenimiento deben ser reducidos y la eficiencia debe incrementarse. Para lograr estos
objetivos, se considera esencial la modificacin del ciclo de energa, ya sea con vapor
sobrecalentado o fluidos alternativos.
En este trabajo, se propone para esta aplicacin el uso de ciclos supercrticos y transcrticos de
dixido de carbono. Se han considerado tres ciclos diferentes, los dos primeros (Figura 1-2) son
ciclos recuperativos Brayton cerrados con turbina de gas utilizando dixido de carbono, y el
segundo adicionalmente incorpora una compresin en dos etapas, es decir, que tras una
compresin inicial, una fraccin es bypaseada, enfriada y comprimida; mientras que la otra
fraccin es comprimido con el mismo ratio pero sin ser enfriado. ste ltimo ciclo est
motivado para favorecer la transferencia de calor y atenuar los problemas de pinch point en
intercambiadores de baja temperatura.
Figura 1-2 Ciclos Brayton propuestos.
El tercer ciclo propuesto (Figura 1-3) es un ciclo combinado que comprende un ciclo de turbina
de gas con dixido de carbono y un ciclo de Rankine Orgnico. Los resultados preliminares
muestran que estos ciclos son tecnologas prometedoras para plantas solares de torre,
teniendo potencial para competir en trminos de eficiencia y costo con otras tecnologas
convencionales.
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Estudio de las Diferentes Tipologas de Receptores Volumtricos en Centrales Termosolares.
21 David Gonzlez Fuentes
Figura 1-3 Ciclo combinado propuesto.
Fend 2010. En este documento se presenta un resumen de las actividades de investigacin del
Departamento de Tecnologa Solar del Centro Aeroespacial Alemn en materiales porosos para
la tecnologa de torre solar.
En primer lugar se describe en detalle y con ejemplos los receptores volumtricos de aire, as
como los resultados experimentales de las pruebas, en una instalacin solar de 20kW capaz de
concentrar hasta 5 MW/m2. Los estudios numricos se han realizado para caracterizar la
estabilidad del flujo de aire en sistemas de receptor. Adems se presentan los diferentes
enfoques actualmente utilizados para modelar las temperaturas interiores del receptor. Por
ltimo, se da informacin sobre la Torre Solar Jlich, que es la primera estacin de ensayos de
potencia que hace uso de la tecnologa de aire receptor solar.
Wu et al. 2010. Este trabajo presenta los estudios experimentales y numricos de la cada de
presin en las espumas cermicas para aplicaciones de receptor volumtrico de aire.
El estudio tiene tres objetivos fundamentales. El primero es medir la cada de presin en las
espumas de cermicas estudiadas, y construir un modelo emprico basado en los resultados
experimentales y una simulacin numrica paramtrica. El segundo objetivo es el estudio de
las caractersticas del flujo en las espumas cermicas, especialmente en las proximidades de la
interfaz. El tercero es el estudio de las caractersticas de la cada de presin de dos estructuras
modificadas (por agujeros de fabricacin relativas a las espumas cermicas) que se espera que
disminuya la cada de presin en espumas de cermica, pero al mismo tiempo, mantener
buenas propiedades de transferencia de calor.
Los resultados experimentales de los ensayos, incluyendo las dos estructuras modificadas,
junto con los resultados de la simulacin, muestran que la cada de presin en las espumas
cermicas sigue una ley modificada de Darcy. Los resultados experimentales tambin
muestran que las dos estructuras modificadas, disminuyen drsticamente la cada de presin
(con cada de presin disminuye hasta el 70% a una velocidad superficial de 5 m / s).
Basndose tanto en el grupo experimental y los resultados de la simulacin, los investigadores
han creado un modelo generalizado para predecir la cada de presin en espumas de cermica.
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Estudio de las Diferentes Tipologas de Receptores Volumtricos en Centrales Termosolares.
22 David Gonzlez Fuentes
Noone et al. 2011. En este artculo, se introduce una nueva herramienta con el propsito de
seleccionar la mejor ubicacin de una central trmica solar con receptor central en terrenos
con una pronunciada inclinacin.
Una vez obtenidos los datos de la elevacin con una resolucin suficiente, la herramienta es
capaz de evaluar la eficiencia de un campo de helistatos en cualquier ubicacin del
emplazamiento. Adems, la herramienta tambin localiza los sitios adecuados basados en la
eficiencia y la insolacin media anual. La eficiencia del campo, o la proporcin de radiacin
incidente al receptor para dirigir la radiacin solar normal, se maximiza como resultado de
factores que incluyen las prdidas por proyeccin y las interferencias entre los heliostatos,
conocidas respectivamente como la eficiencia coseno, sombreado, y el bloqueo. Por la
iteracin de definir la ubicacin del receptor y evaluar la eficiencia correspondiente mediante
el muestreo de los puntos de elevacin dentro de la frontera definida para campo de
helistatos, la eficiencia puede ser mapeada como una funcin de la ubicacin del receptor.
Los estudios de casos presentados ilustran el uso de la herramienta para dos configuraciones
de campo, con los receptores a nivel del suelo y los diseos de los de helistatos en las laderas.
Segn concluyen en el documento, aunque ambas configuraciones proporcionan eficiencias
aceptables, los resultados de estudios de casos muestran que los sitios ptimos para los
receptores a nivel del suelo (sin la colocacin de torre alguna en la instalacin) son aquellos en
los que el receptor se encuentra en una elevacin mayor que el campo de helistatos. Este
resultado es intuitivo, desde la perspectiva de minimizar las prdidas de coseno.
Wu et al. 2011. Las espumas cermicas porosas se utilizan para lograr un alto rendimiento en
las centrales trmicas de torre. Entender la transferencia de calor por conveccin entre el flujo
de aire y la espuma cermica es de gran importancia para optimizar el receptor volumtrico de
aire. En este artculo cientfico se nos presenta un estudio numrico sobre la transferencia de
calor por conveccin.
Los autores buscan un diseo para calcular el coeficiente local de transferencia de calor por
conveccin entre el flujo de aire y una espuma cermica porosa. Para ello, resolvieron el
balance de energa y de flujo en el interior de la espuma cermica porosa. Adems,
consideraron una geometra detallada de la espuma cermica porosa.
La espuma cermica fue representada por las estructuras idealizadas tetracaidecahedros. Las
simulaciones se basan en las ecuaciones en tres dimensiones de Reynolds-averaged Navier-
Stokes (RANS).
Se llev a cabo un estudio de sensibilidad en el coeficiente de transferencia de calor con el
tamao medio de celda, la porosidad, y la velocidad como parmetros. Basndose en los
resultados de simulaciones numricas, se desarroll una correlacin para el coeficiente de
conveccin volumtrica local de transferencia de calor entre el aire y espumas cermicas. La
correlacin resultante cubre una amplia gama de porosidades, velocidades, tamaos de celdas,
y temperaturas. Los resultados de correlacin fueron comparados con datos experimentales
de la literatura, y la comparacin muestra una buena concordancia.
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Estudio de las Diferentes Tipologas de Receptores Volumtricos en Centrales Termosolares.
23 David Gonzlez Fuentes
La correlacin est destinada a ser utilizada en el diseo de receptores volumtricos solares de
aire.
Leonardi 2012. En este artculo se propone un anlisis sistemtico de parmetros para el
diseo de una planta de energa solar con receptor volumtrico. Con el software CRS4 se
analiza el efecto de la excentricidad hiperboloide y el tamao de los helistatos. Se proponen
valores ptimos de los parmetros caractersticos del concentrador parablico compuesto y
sobre la base de estas consideraciones, se presentan clculos extensos para evaluar la
coleccin anual de energa solar.
Un anlisis completo debe tener en cuenta la distribucin de potencia en el receptor y su
efecto sobre la temperatura de un fluido de transporte de calor oportuno, as como los
factores econmicos que no han sido considerados aqu en este artculo. La autora deja estos
aspectos para un trabajo futuro que se encuentra en desarrollo.
Lenert et al. 2012. El artculo se centra en la mejora de los receptores de nanofluido
volumtricos, donde las nanopartculas en un medio lquido absorben directamente la
radiacin solar. Se obtiene as un aumento del rendimiento respecto a los receptores de
superficie, reduciendo al mnimo la diferencia de temperatura entre el absorbedor y el fluido,
reducindose las prdidas radiantes de larga.
Los investigadores presentan un modelado y un estudio experimental para optimizar la
eficiencia de los receptores solares con nanopartculas de carbono C-Co, elegidas su banda de
absorcin en el espectro visible. Para investigar el efecto de la concentracin solar, altura
nanofluido, y el espesor ptico en el rendimiento del receptor se desarroll un modelo
unidimensional transitorio de transferencia de calor. Al mismo tiempo, han investigado
experimentalmente un receptor volumtrico cilndrico, que mostr una buena concordancia
con el modelo para diferentes espesores pticos del nanofluido.
Basndose en el modelo, la eficiencia de receptores volumtricos aumenta al aumentar la
concentracin solar y el tamao del nanofluido. La eficiencia de los receptores excede del 35%
cuando se utilice el nanofluido y estn acoplados a un ciclo de potencia y optimizado con
respecto al espesor ptico y el tiempo de exposicin solar. Este trabajo proporciona una visin
de cmo nanofluidos pueden ser utilizados como en receptores volumtricos en aplicaciones
solares, como los receptores con almacenamiento integrado.
Michailidis et al. 2013. El principal objetivo de este trabajo fue evaluar el comportamiento de
Ni-espuma (nquel con 92% de porosidad y tamao de poro uniforme), cuando son tratados
como receptores volumtricos bajo la radiacin solar concentrada, al tiempo que mejorar su
resistencia a la oxidacin, con el fin de hacerlos atractivos para tales aplicaciones.
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Estudio de las Diferentes Tipologas de Receptores Volumtricos en Centrales Termosolares.
24 David Gonzlez Fuentes
La investigacin experimental demostr que su eficiencia depende tanto de los parmetros de
los materiales como de las condiciones de flujo, los cuales afectan en la cada de presin y el
comportamiento de transferencia de calor. Mediante el uso de un microscopio electrnico de
barrido y de un espectroscopio de energa dispersa, se investig la caracterizacin
microestructural de morfologas superficiales de xido formada sobre las espumas de clulas
abiertas de Ni expuestas a la radiacin solar concentrada. Mediante SEM se revel una rpida
oxidacin homognea en el Ni-espuma con tres estructuras diferentes de xido formadas en
relacin con la temperatura de proceso.
Para mejorar la resistencia a la oxidacin, se aplic un proceso de aluminizacin de espumas
de nquel, que conserva sus propiedades geomtricas, con el fin de desarrollar una capa
intermetlica de aluminuro de nquel en forma de una espuma Ni.
Para evaluar la eficacia del proceso de aluminizacin y determinar los parmetros ptimos del
procedimiento (composicin de la suspensin, manteniendo la temperatura y tiempo) se
aplic una microscopa electrnica de barrido y difraccin de rayos X.
1.2.4. Software para el Anlisis y la Optimizacin de
Instalaciones.
Berenguel et al. 2004. En este artculo se presenta el desarrollo de un sistema de control de
posicionamiento simplificado y automtico, de helistatos mediante tcnicas de visin artificial
y dispositivos CCD.
La aproximacin adoptada en este trabajo se basa en el uso de una cmara de B/W CCD
conectada a una grabadora (Imagenation PXC200) por un bus PCI para la transmisin en
tiempo real a la memoria instalada en el ordenador, permitiendo la captura de imgenes con
resolucin 640x480 (NTSC) y 768x576 (PAL/SECAM). Este sistema ha sido desarrollado una
herramienta de software con Visual C++, permitiendo una interfaz de tipo Windows,
programas independientes y el uso de cdigo preinstalado. Las acciones correctivas generadas
en el ordenador, son finalmente enviadas a la estacin VAX, la cual procesa estas acciones de
control y manda las seales apropiadas a los controles de los servomotores para mover los
heliostatos a la posicin indicada por el programa de control.
Con ello se corrigen estas desviaciones de forma automtica imitando el mismo procedimiento
seguido por los operadores, los cuales debern supervisar el proceso en lugar de accionar el
movimiento de los heliostatos. Las imgenes obtenidas se utilizan para estimar la distancia
entre el centroide de los rayos de sol proyectados por los heliostatos y un blanco situado en la
torre, esta distancia por lo tanto se utiliza para fines de baja precisin de correccin de offsets.
Para la correccin automtica se usan tcnicas bsicas de procesamiento de imgenes.
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Estudio de las Diferentes Tipologas de Receptores Volumtricos en Centrales Termosolares.
25 David Gonzlez Fuentes
Alexopoulos et al. 2011. La ventaja de la hibridacin en centrales de energa solar/fsil, en
comparacin con plantas exclusivamente solares, reside en los bajos costes de inversin
adicionales debido a una facilidad de adaptacin y unos reducidos riesgos tcnicos y
econmicos. En los das soleados del sistema hbrido funciona en un modo solo solar con el
receptor central y en los das nublados y por la noche con la turbina de gas.
Como una alternativa al gas metano, se puede utilizar el biogs, ambientalmente neutro, para
el funcionamiento de la turbina de gas. Por lo tanto, el sistema hbrido se hace funcionar a
100% a partir de fuentes de energa renovables.
Para modelar esas plantas solares hbridas, han utilizado una herramienta de software
avanzada (MATLAB). En la biblioteca que crearon, se incluye los componentes del ciclo de gas,
calentado con energa solar y el ciclo de vapor. Cuando se quiera desarrollar un modelo de
simulacin para el clculo de una planta de energa hbrido pequeo, los componentes de la
biblioteca se insertarn en el modelo. La herramienta de software incluye la posibilidad de
calcular la energa de salida de puntos de funcionamiento individuales o de intervalos de
tiempo desde das hasta un ao entero.
Con esta herramienta de simulacin, los sistemas hbridos de torres solares se calculan para
varios lugares con alto potencial solar en Europa. Adems, se investigan las localizaciones en
pases del norte de Escandinavia con elevado potencial de biomasa y se calculan plantas de
energa con biogs como combustible sin entrada solar.
Los resultados del anlisis muestran que el modelo creado de biblioteca para simulaciones, es
una base slida para la simulacin de conceptos hbridos para sistemas de torres solares.
Leonardi et al. 2011. El anlisis de la energa solar recogida por el receptor en las centrales
solares de torre requiere el uso de cdigos numricos eficientes y precisos. En este artculo
cientfico se presenta un nuevo programa informtico, CRS4-2, para la simulacin del
comportamiento ptico de una planta solar con receptor central. El algoritmo matemtico
implementado permite el clculo de coseno, el sombreado y efectos de bloqueo de heliostatos
dispuestos arbitrariamente en el campo solar. Ha prestado especial atencin en el diseo para
garantizar la mxima flexibilidad en cuanto al nmero, dimensin, forma y posicin de los
heliostatos.
En la actual implementacin, el campo solar podr estar compuesto por dos tipos de
heliostatos, cuadradas y circulares, posiblemente, mezclados entre s, cada uno de ellos
caracterizado por el tamao y la altura desde el suelo. El diseo modular de CRS4-2 permite la
extensin de helistatos de forma arbitraria con slo modificaciones menores del cdigo.
Efectos de sombreado y el bloqueo se calculan por un mosaico de los heliostatos: por lo tanto,
la precisin numrica slo depende de la finura de la teselacin. La aplicacin a los sistemas
reales ha demostrado que el enfoque es estable y general.
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Estudio de las Diferentes Tipologas de Receptores Volumtricos en Centrales Termosolares.
26 David Gonzlez Fuentes
He et al. 2012. El objetivo principal de este trabajo es el desarrollo de mtodos numricos para
la mejora del diseo o las herramientas de simulacin; y responder a preguntas especficas
relacionadas con la transferencia de calor y masa dentro de un receptor volumtrico
presurizado (RVP), que proporcionar la base fundamental para el diseo de nuevos
receptores para el proyecto DAHAN.
En este documento, con la asuncin de algunas simplificaciones, se presenta en primer lugar
un modelo ideal de clculo tridimensional con simetra axial de un RVP con un concentrador
secundario. Adems, se propone un nuevo mtodo de diseo y un cdigo unificado del
mtodo de Monte Carlo, para las investigaciones numricas de concentracin solar. A
continuacin, el mtodo propuesto y el cdigo se aplica para simular y analizar el proceso de
conversin fototrmico en un RVP, que engloba la concentracin de energa solar, la
recoleccin y el proceso de transferencia de la energa solar. La radiacin solar en medio
participativo y/o no participativo puede tenerse en cuenta simultneamente o forma dividida
en la simulacin. Por ltimo, tambin podemos calcular la distribucin de la densidad de flujo
de energa solar no uniforme en el receptor.
Cheng et al. 2013. En este artculo presenta un modelo computacional de dinmica de
fluidos y otros estudios sobre la transferencia de calor combinando radiacin, conveccin,
conduccin en un receptor volumtrico presurizado, combinando el Mtodo de Volmenes
Finitos y el mtodo de Monte Carlo.
Adems, se analizan y se discuten detalladamente los efectos de los parmetros geomtricos
del concentrador parablico y las propiedades del absorbedor poroso sobre el rendimiento del
proceso de conversin fototrmica. Se ha encontrado que las distribuciones de densidad de
flujo solar son siempre muy heterogneas con grandes faltas de uniformidad, y las tendencias
de variacin de las distribuciones de temperatura correspondientes son muy similares a estas,
pero con mucho menor orden de magnitud. La forma del concentrador parablico
determinado por su abertura de salida, tiene efectos mucho ms grandes sobre el rendimiento
de la PVR que el de la abertura de entrada, con un ngulo constante de aceptacin.
Por ltimo un espesor adecuado u ptimo del absorbedor poroso puede ser determinado en
examinando las curvas de variacin del rendimiento con la porosidad y observando el lugar
donde se dan las tendencias drsticas decrecientes.
1.3. Organizacin y Contenido
En el siguiente captulo definirn los fundamentos y el funcionamiento de las centrales
termosolares. Adems, se detallarn las tecnologas de produccin de energa mediante
concentracin solar y se har un anlisis comparativo de estas tecnologas. Por ltimo se
mostrar una relacin de plantas existentes clasificadas por reas geogrficas.
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Estudio de las Diferentes Tipologas de Receptores Volumtricos en Centrales Termosolares.
27 David Gonzlez Fuentes
En el captulo tercero se profundizar en el receptor volumtrico indicando principios
operativos, sus caractersticas y su clasificacin. Adems tambin se incluye un apartado con
los materiales constructivos ms empleados y los problemas no resueltos que presenta sta
tecnologa.
Por ltimo se extraern unas conclusiones obtenidas gracias al trabajo de investigacin
desarrollado.
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Estudio de las Diferentes Tipologas de Receptores Volumtricos en Centrales Termosolares.
28 David Gonzlez Fuentes
2. Centrales Termosolares
2.1. Concepto
Conocemos desde hace ms de un siglo los principios de la radiacin solar concentrada para
alcanzar altas temperaturas y convertirla en electricidad, pero slo se explota comercialmente
desde mediados de los aos 80. Las primeras plantas de energa solar trmica de
concentracin a gran escala se construyeron en el desierto californiano de Mojave (EEUU). En
muy poco tiempo, la tecnologa ha confirmado ser una enorme promesa tecnolgica y
econmica ya que tiene una gran ventaja: un enorme recurso renovable, el sol, y muy pocas
desventajas.
En algunas regiones con regmenes solares similares a California, la energa solar trmica
concentrada ofrece las mismas oportunidades que los grandes parques elicos marinos de
Europa. La energa solar trmica de concentracin para la generacin bruta de electricidad es
una de las tecnologas ms idneas para frenar el cambio climtico de una manera asequible y
para reducir el consumo de combustibles fsiles. Las centrales trmicas solares pueden operar
almacenando calor o combinando la generacin con combustible (biomasa, gas o carbn);
generan energa incluso cuando no brilla el sol.
2.2. Fundamentos
2.2.1. El medio ambiente
La ventaja principal de las centrales termosolares (CTS) es que pueden remplazar a las
centrales elctricas basadas en combustibles fsiles, lo que reducira las emisiones de gases de
efecto invernadero que provocan el cambio climtico. Por ejemplo, cada metro cuadrado de
superficie de concentradores es suficiente para evitar de 200 a 300 kilos de dixido de carbono
cada ao, dependiendo de su configuracin. Las centrales termosolares ms usuales estn
formadas por cientos de concentradores organizados en series. El anlisis del ciclo de vida de
los componentes junto con la superficie ocupada donde se instalan las CTS indican que se
tarda unos cinco meses en recuperar la energa que se ha utilizado para fabricar e instalar el
equipo. Considerando que las plantas pueden durar 40 aos, como se ha demostrado en las
centrales de Mojave (EEUU), estamos ante una buena relacin. La mayora de los materiales
empleados para las centrales CTS pueden ser reciclados y utilizados de nuevo para otras
centrales.
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Estudio de las Diferentes Tipologas de Receptores Volumtricos en Centrales Termosolares.
29 David Gonzlez Fuentes
2.2.2. Economa
Los costes de la energa termosolar estn bajando. En Estados Unidos se puede observar que
los costes actuales de generacin son de unos 15 cntimos de dlar por kWh para electricidad
solar en instalaciones con muy buena radiacin del sol, con previsiones de nuevas cadas de
costes de hasta 8 cntimos/kWh en algunos casos2. El desarrollo de la tecnologa se encuentra
en una curva de aprendizaje rpida, y los factores que ayudarn a reducir costes son las
mejoras tecnolgicas, la produccin en serie, la economa de escala y la mejora de las
operaciones.
La energa solar trmica de concentracin se est convirtiendo en una tecnologa competitiva
con respecto a las centrales trmicas convencionales de combustible fsil que operan en punta
o a media carga. La incorporacin de nuevas CTS a la red puede ayudar a mantener estables
los costes elctricos, lo que evitara subidas drsticas de precios como consecuencia de la
escasez de combustible y de los costes del carbono.
Las plantas hbridas pueden utilizar energa solar concentrada y combustibles fsiles (o
biomasa). Algunas, aprovechando programas de financiacin especiales, pueden ofrecer ya
electricidad a precios muy competitivos. Para la generacin de energa solar a pequea escala
y fuera de la red, por ejemplo en islas o en zonas rurales interiores de pases en vas de
desarrollo, la otra opcin es generalmente el uso de generadores disel, que son ruidosos,
sucios y de funcionamiento caro.
Son varios los factores que aumentan la viabilidad econmica de los proyectos de CTS, como la
reforma del sector elctrico, el aumento de la demanda de energa verde, y el desarrollo de
mercados del carbono mundiales para la generacin de energa no contaminante. Los
programas de ayuda directa suponen tambin un fuerte empuje, as como las leyes sobre
tarifas de introduccin de renovables a la red u obligaciones de suministro de energas
renovables en algunos pases. Las centrales CTS necesitan una elevada inversin inicial, pero
durante todo su ciclo de vida, aproximadamente el 80% de los costes son en construccin y
deuda asociada, y slo el 20% es de operacin. Esto significa que una vez abonados todos los
gastos generados por la construccin de la central, durante un periodo de unos 20 aos, slo
quedan los costes operativos, que pueden rondar actualmente en torno a 3 cntimos/kWh.
2.2.3. Requisitos
La energa termosolar utiliza la radiacin solar directa, radiacin que no es desviada por nubes,
humo o polvo suspendido en la atmsfera y que llega a la superficie terrestre en rayos
paralelos para su concentracin. Los lugares ms idneos deben tener muchas horas de
radiacin solar directa, al menos 2.000 kWh de radiacin solar por metro cuadrado al ao. Las
mejores instalaciones reciben ms de 2.800 kWh/m2/ao.
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Estudio de las Diferentes Tipologas de Receptores Volumtricos en Centrales Termosolares.
30 David Gonzlez Fuentes
Las mejores regiones son aquellas sin mucha humedad atmosfrica, polvo o humo, como
estepas, zonas de matorral, sabanas, semi-desiertos y autnticos desiertos, localizados
idealmente a menos de 40 grados de latitud norte o sur. Por ello, en las zonas ms
prometedoras del mundo estn incluidos los Estados sur-occidentales de Estados Unidos,
Amrica Central y del Sur, norte y sur de frica, los pases mediterrneos, Oriente Prximo y
Oriente Medio, Irn y las planicies desrticas de India, Pakistn, la antigua Unin Sovitica,
China y Australia. En esas regiones es suficiente un kilmetro cuadrado de terreno para
generar hasta 100-130 GWh de energa solar por ao utilizando tecnologa termosolar. Esta es
la misma energa que la producida por una central convencional de gas o carbn de 50 MW
que funcione a carga media durante un ao.
Durante todo el ciclo de vida de una CTS su rendimiento es equivalente a la energa contenida
en ms de 5 millones de barriles de crudo. Al igual que las centrales trmicas convencionales,
las CTS necesitan refrigeracin en el denominado extremo fro del ciclo de turbinas de vapor.
Esto se obtiene mediante refrigeracin evaporativa (hmeda) cuando se dispone de agua, o
mediante refrigeracin en seco (con aire). La refrigeracin en seco requiere una mayor
inversin y sus costes son entre un 5% y un 10% mayor comparado con la refrigeracin
hmeda. Existen opciones de refrigeracin hbridas que pueden mejorar el rendimiento de las
condiciones de la instalacin y se encuentran actualmente en proceso de desarrollo. Pero el
enorme potencial de energa solar de esas zonas excede mucho la demanda local, por lo que
puede exportarse la electricidad solar a zonas con una alta demanda energtica y menos
recursos solares. Si los pases del cinturn del sol cultivan su energa natural de esta manera,
podran realizar una enorme contribucin a la proteccin del clima mundial. Pases como
Alemania estn ya considerando seriamente importar electricidad solar del norte de frica y el
sur de Europa para hacer ms sostenible su sector energtico.
2.3. Funcionamiento
El funcionamiento bsico de una planta CTS lo podemos resumir segn el siguiente esquema
(Figura 2-1):
Figura 2-1 Esquema de CTS
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Estudio de las Diferentes Tipologas de Receptores Volumtricos en Centrales Termosolares.
31 David Gonzlez Fuentes
1) Un reflector solar formado por espejos concentra la radiacin solar en un absorbedor.
Los espejos pueden tener diferentes formas para maximizar la reflexin, pudiendo
tener como foco un punto o una lnea.
2) El calor absorbido es transferido mediante un intercambiador de calor a un caudal de
agua bombeada que se transforma en vapor sobrecalentado.
3) Con este vapor obtenido se alimenta a una turbina de vapor, la cual genera
electricidad.
4) El vapor sobrecalentado pasa por un condensador y es enfriado antes de ser usado de
nuevo para la generacin de vapor.
5) Durante el proceso, el fluido de transferencia puede ser vehiculado a travs de otro
intercambiador de vapor para carga el sistema de almacenamiento, el cual se podr
usar para devolver esa energa trmica almacenada para que la turbina opere durante
la noche.
Pueden utilizarse diversas tecnologas para concentrar, recoger la luz del sol y convertirla en
calor a alta-media temperatura. Este calor se utiliza despus para generar electricidad de
forma convencional, por ejemplo, con una turbina de vapor o de gas, o un motor Stirling. El
calor solar recogido durante el da puede tambin almacenarse en un medio lquido o slido,
como las sales fundidas, materiales cermicos, hormign o mezclas de sales de fase
cambiante, y puede extraerse durante la noche del medio del almacenamiento para mantener
en funcionamiento la turbina.
Las centrales elctricas termosolares slo con generacin solar funcionan bien para
suministrar cargas pico estivales en las franjas horarias de medioda en regiones con grandes
demandas de refrigeracin, como Espaa y California. Con los sistemas de almacenamiento de
energa trmica funcionan durante ms tiempo e incluso proporcionan energa de carga base.
En Espaa las plantas Andasol de 50 MWe han sido diseadas con aproximadamente 8 horas
de almacenamiento trmico, lo que mejora la disponibilidad anual en unas 1.000 a 2.500
horas.
Los sistemas de espejos concentradores utilizados en las CTS son sistemas de enfoque puntual
o lineal. Los sistemas lineales concentran la radiacin unas 100 veces y se obtienen unas
temperaturas de trabajo de hasta 550C, mientras que los sistemas puntuales pueden
concentrar mucho ms de mil veces y lograr unas temperaturas de trabajo de ms de 1.000C.
2.4. Clasificacin de CTS
Existen cuatro tecnologas comerciales de CTS; sistemas de concentradores cilndricos
parablicos y sistemas de concentradores lineales de Fresnel, los cuales son concentradores
lineales; y receptores centrales y sistemas de discos parablicos, que son concentradores
puntuales. Los sistemas de receptores centrales se denominan tambin torres solares (Figura
2-2).
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Estudio de las Diferentes Tipologas de Receptores Volumtricos en Centrales Termosolares.
32 David Gonzlez Fuentes
Figura 2-2 Clasificacin de centrales termosolares
2.4.1. Centrales de Concentrador Cilindro Parablico
Las centrales cuya tecnologa se considera ms madura en estos momentos, y que supone ms
del 95% de la potencia de generacin termosolar instalada en el mundo, es la tecnologa CCP
(Figura 2-3). Bsicamente consiste en la concentracin de la radiacin solar a lo largo de una
lnea recta con una longitud que oscila entre los 600 y los 800 metros. El fluido caloportador
entra por uno de los extremos a una temperatura y con una velocidad determinados, y sale
por el otro extremo a una temperatura superior debido a la concentracin solar, de entre 50 y
90 veces, que aporta el espejo.
Figura 2-3 Centrales de concentrador cilindro parablico.
Centrales Termosolares
Concentracin Lineal
Cilindro parablico
Fresnel
Concentracin Puntual
Disco Stirling Torre
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Estudio de las Diferentes Tipologas de Receptores Volumtricos en Centrales Termosolares.
33 David Gonzlez Fuentes
El fluido caloportador
El fluido utilizado puede ser agua, pero actualmente no se han superado los problemas
derivados de la vaporizacin que se producira en un punto intermedio del recorrido. Por esta
razn se prefiere el uso de otros fluidos que no cambian de estado entre un extremo y otro de
la lnea recta en la que se concentra la radiacin solar. De todos los fluidos posibles, los fluidos
orgnicos sintticos son los que mayores ventajas presentan, y entre ellos destaca la mezcla
eutctica compuesta por un 26,5% en peso de xido de difenilo y un 73,5% de bifenilo. Esta
mezcla presenta el mejor compromiso entre coste y prestaciones, aunque presenta grandes
dificultades en su manejo que condicionan enormemente los resultados de explotacin de las
plantas.
Por este compromiso entre economa y tcnica, las centrales termosolares CCP construidas
hasta la fecha utilizan esta mezcla de hidrocarburos aromticos sintticos, cuyas prestaciones y
comportamiento es necesario conocer y dominar si se quiere disear, construir, operar y/o
mantener plantas termosolares CCP. El FC trabaja entre unos 290 C a la entrada de la lnea en
la que se concentra la radiacin y los 390 C a la salida. A mayor temperatura de salida, mayor
rendimiento global de la planta, pero las caractersticas qumicas del fluido no hacen posible
utilizarlo por encima de los 400 C. Con el aumento de la temperatura, se originan
hidrocarburos voltiles y pesados que modifican el comportamiento de la planta y que
plantean incluso problemas de seguridad. Por ellos las centrales CCP tienen limitada la
temperatura mxima de trabajo del fluido orgnico a unos 400 C. Adems, requieren de
sistemas que eliminen los productos originados en la degradacin, normalmente utilizando
filtraciones y destilaciones sucesivas.
El campo solar
El lugar donde se realiza la captacin de radiacin y su posterior transferencia en forma de
calor al FC se denomina campo solar y consiste en una vasta extensin de terreno de
aproximadamente 2 hectreas por MW de potencia elctrica instalada, cubierto de mdulos
captadores de radiacin solar. As, una planta de 49,9 MW, la mxima posible de acuerdo con
la actual legislacin espaola que limita a 50 MW la generacin en rgimen especial con
derecho a percepcin de una prima por cada MWh exportado a la red elctrica, ocupa unas
100 hectreas.
Los mdulos captadores tienen unas dimensiones y forma perfectamente definidas, y estn
compuestos por tres partes, cada una de ellas responsable de una importante funcin:
El espejo reflector, responsable de reflejar la radiacin incidente hacia la lnea
formada por el foco de la parbola que forman.
El tubo absorbedor, autntico corazn de la tecnologa CCP y responsable de la
transformacin de la radiacin en energa trmica.
La estructura, que le da al conjunto su forma y que sirve de sujecin para los
elementos que forman el mdulo.
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Estudio de las Diferentes Tipologas de Receptores Volumtricos en Centrales Termosolares.
34 David Gonzlez Fuentes
Los mdulos se agrupan en colectores, que se mueven conjuntamente para que la radiacin
solar siempre incida en un plano lo ms perpendicular posible a la superficie de los mdulos.
Varios colectores se unen en serie para formar lazos, que componen la unidad productiva
mnima. En cada uno de estos lazos, con una potencia tpica cercana a 1,6 MW trmicos, se
produce la elevacin de temperatura del fluido.
Un campo solar es pues el conjunto de lazos que trabajan en paralelo, y que juntos suministran
la energa trmica necesaria para producir vapor. Como simple referencia, el campo solar de
una central CCP de 50 MW sin almacenamiento trmico puede estar formado por unos 100
lazos.
El tren de generacin de vapor
El calor absorbido por el FC a continuacin es transferido a un circuito de agua para generar
vapor. Esta agua, que anteriormente ha sido presurizada en una bomba centrfuga multietapa
hasta presiones comprendidas entre los 50 y los 100 bar de presin, se vaporiza y se
sobrecalienta hasta aproximadamente 380 C enfrindose el FC hasta los 290 C. A esa
temperatura el fluido caloportador se devuelve al campo solar para que contine
transportando la energa captada en el campo solar.
Los equipos responsables del intercambio de calor entre el FC y el ciclo agua-vapor son
intercambiadores del tipo carcasa-tubo de gran tamao y cierto grado de complejidad. En ellos
se realiza la transferencia de calor entre los dos fluidos de forma especializada: el tren de
generacin de vapor incluye equipos diseados para calentar agua, para producir vapor y para
sobrecalentar ese vapor. Con los conocimientos actuales no es posible construir un equipo que
realice con eficiencia y sin problemas tcnicos esas tres funciones, razn por la que el tren de
generacin tiene equipos especializados para cada una de estos procesos.
La turbina de vapor
El vapor generado es entonces conducido hasta la turbina de vapor, donde se producir una
nueva transformacin energtica. La energa contenida en el vapor en forma de presin
(energa potencial) se transforma de forma escalonada en energa mecnica rotativa, con un
excelente rendimiento teniendo en cuenta la baja temperatura del vapor (380 C). El
rendimiento de esta transformacin oscila entre el 27% y el 40%, dependiendo de la carga a la
que est la planta (mayor rendimiento a mayor carga) alcanzando su mximo valor cuando la
central est al 100% de potencia.
La condensacin del vapor
El vapor a la salida de la turbina es vapor muerto, sin capacidad para realizar trabajo
mecnico. Su temperatura es inferior a 50 C y su presin absoluta ronda los 0,05 a 0,08 bar,
es decir, una presin inferior a la presin atmosfrica. Para aprovechar ese caudal de agua
desmineralizada, cuando la planta est a plena carga, es necesario condensarla y volver a
tenerla en forma lquida. De esta forma se consiguen tres objetivos:
Se aprovecha el agua a la salida de la turbina para reutilizarlo nuevamente.
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Se genera en el condensador una presin inferior a la atmosfrica, imposible de
conseguir si el vapor se tirara a la atmsfera. Con ello el salto de presin entre la
entrada y la salida de la turbina es mayor y por tanto tambin lo es la potencia
generada y el rendimiento de la planta.
Se puede presurizar el fluido de forma econmica antes de introducirlo en la caldera.
Presurizar un lquido siempre es ms barato que presurizar vapor, por la
incompresibilidad de los lquidos. As, si se intentar comprimir vapor hasta los 100
bares se consumira ms energa de la que generara su posterior expansin.
Comprimir agua resulta energticamente ms favorable.
Para condensarlo es necesario introducir un nuevo fluido en el sistema, al que el vapor pueda
cederle el calor latente de condensacin. Hay que recordar que los procesos de evaporacin o
de condensacin requieren al aporte o la sustraccin de grandes cantidades de calor (unas
2.418 KJ por cada Kg de vapor que llega al condensador a esa temperatura). Existen dos
posibilidades: utilizar agua como fluido fro al que se transferir el calor que debe sustrarsela
al vapor para que condense, o utilizar aire.
En el primer caso el agua fra se obtiene habitualmente de una torre evaporativa. El agua
enfriada en la torre se conduce hasta el condensador, que no es ms que un intercambiador
carcasa- tubos. En el condensador el agua de refrigeracin captar el calor de condensacin y
lo transferir posteriormente al ambiente con la ayuda de la torre. La torre disipa calor
evaporando parte del agua, por lo que es necesario reponer tanto el agua evaporada como el
agua purgada de la torre para mantener la concentracin de sales dentro de unos lmites
seguros. El consumo de agua ronda los 500.000 m3/ao.
En lugares en los que hay escasez de agua no puede emplearse este sistema se recurre a
grandes aerocondensadores, en los cuales se transfiere el calor de condensacin directamente
al aire ambiente. Es una forma menos eficiente y ms cara de condensar, y por tanto slo se
emplea si no hay otras alternativas.
El generador
La energa mecnica rotativa requiere ahora una ltima transformacin en energa elctrica.
Esta transformacin se realiza en el generador, que es un equipo eficiente y maduro.
El sistema de alta tensin
La energa elctrica generada se transporta a la red elctrica mediante las lneas de transporte.
Estas lneas pueden ser areas o enterradas y requieren de una serie de equipos que facilitan
la conexin:
Transformadores, que igualan las tensin elctrica entre la generada en la planta y la
de la lnea a la que se conecta. Hay que tener en cuenta que la generacin se realiza en
la tensin ms favorable para el generador, mientras que el transporte se hace a una
tensin que minimiza las prdidas. Habitualmente, en centrales CCP de 50 MW la
tensin del generador ronda los 10.000 V, mientras que la tensin de las lneas a las
que se conecta la planta suelen ser de 132.000, 220.000 o 400.000 voltios.
Aparamenta de maniobra, que permite la conexin y desconexin.
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Estudio de las Diferentes Tipologas de Receptores Volumtricos en Centrales Termosolares.
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Proteccin elctricas, para garantizar que generador y red elctrica se encuentran en
las condiciones adecuadas para estar interconectadas sin causarse daos.
Red de tierras, a la que se transferirn las corrientes de defecto.
Equipos de medida, que informan a las protecciones elctricas de los valores de
tensin e intensidad, y a las que se conectan tambin los equipos de facturacin que
miden la energa que entra y sale de la planta.
2.4.2. Central de Concentrador Lineal Fresnel
Las centrales elctricas termosolares basadas en la tecnologa fresnel, al igual que las centrales
CCP, concentran la radiacin solar a lo largo de una lnea (Figura 2-4). Estas centrales basan la
generacin elctrica en la concentracin de la radiacin solar a lo largo de un tubo absorbedor
situado a varios metros de altura. La relacin de concentracin es de aproximadamente 20:1.
Estas centrales destacan por la sencillez de su construccin y por su bajo coste.
Figura 2-4 Central de concentrador lineal fresnel.
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Los reflectores planos simulan un espejo curvo por variacin del ngulo ajustable de cada fila
individual de espejos, en relacin con el absorbedor. Los reflectores se construyen con espejos
de vidrio planos y por lo tanto su materia prima es muy barata. La forma curvada de los
espejos cilindro parablicos hace que sean un 15% ms eficientes que los espejos fresnel, pero
con el ahorro de costes en materiales, junto con la simplicidad del funcionamiento hacen que
la reduccin de costes sea muy superior a la reduccin de rendimiento. As, mientras que una
central CCP cuesta alrededor de 4,5 millones de por MW elctrico instalado, una planta
basada en espejos en disposicin fresnel cuesta alrededor de 3,1 millones, es decir, casi una
tercera parte menos.
Las relaciones de concentracin tambin son menores, y esa es una de las razones por las que
las temperaturas que se pueden alcanzar son menores: 20 a 1, frente a la relacin 80 a 1 que
se puede conseguir en las centrales CCP.
En marzo del 2009 la planta Puerto Errado 1 construida por el grupo alemn Novatec Biosol
comenz con sus operaciones en Murcia. Ocupa una superficie aproximada de 18.000 m2,
tiene una potencia de 1,4 MW, y una produccin esperada cercana a los 2.000 MWh anuales.
Esta primera planta piloto ha dejado paso a una segunda planta de tamao comercial, de 30
MW de potencia elctrica, construida al lado de la anterior.
Los principios de la tecnologa fresnel
Las centrales basadas en concentradores lineales fresnel tratan de imitar de alguna forma los
concentradores cilindro-parablicos de una manera ms sencilla y econmica. Las centrales
basadas en tecnologa fresnel consisten principalmente en un campo de espejos primario, un
tubo absorbedor y un espejo secundario.
El campo primario est compuesto por una serie de filas de espejos planos a un metro de
altura sobre el terreno. Cada fila tiene unos 60 cm de ancho y se extiende en lneas rectas que
miden entre 600 y 900 metros. Los rayos reflejados en los espejos planos que simulan la lente
curva reflejan los rayos del sol en un tubo absorbedor, colgado unos 8 metros por encima del
nivel en que se encuentran los espejos reflectores, y que es el responsable de la
transformacin de la radiacin en energa trmica. Por encima del tubo absorbedor hay un
espejo secundario cilndrico que concentra la luz solar que se ha desviado ligeramente de su
trayectoria y por tanto no ha impactado en el tubo absorbedor lineal.
Debido al pequeo tamao de los espejos estos son menos sensibles al viento. Los espejos son
planos, lo que supone un abaratamiento de ms del 30% sobre los costes de los espejos
curvos. Adems, las diferentes lneas de espejos pueden colocarse muy cerca unas de otras.
Esto supone que el porcentaje de aprovechamiento del terreno es muy alto, frente a la
tecnologa CCP en la que se requiere una gran separacin para evitar sombras y para permitir
el acceso de vehculos de mantenimiento (aproximadamente los espacios entre filas de
mdulos suponen 2/3 partes del terreno). Las filas de espejos se controlan con una serie de
motores elctricos que realizan el seguimiento del movimiento del sol a lo largo del da en un
solo eje. Por esta razn, la produccin elctrica varia a lo largo de las estaciones del ao, al no
poder hacer el seguimiento estacional.
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Estudio de las Diferentes Tipologas de Receptores Volumtricos en Centrales Termosolares.
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El sistema de seguimiento es sencillo, ya que un solo motor se encarga de la orientacin de
todos los espejos colocados a lo largo de 100 metros, lo que supone un nuevo ahorro en costes
de inversin. Al ser los espejos planos, es muy fcil implementar un sistema completamente
automatizado para su limpieza. Este sistema consiste en un motor equipado con unos cepillos
rotativos que se van desplazando a travs en toda la lnea y que limpian el espejo del polvo
acumulado sin consumir agua y sin requerir personal para la vigilancia directa del proceso de
limpieza.
El tubo absorbedor no tiene unos requerimientos tan exigentes como el tubo de una central
CCP. As, al ser las temperaturas menores no requiere tener una cubierta de cristal ni realizarse
el vaco. Por el tubo absorbedor circula agua que se evapora con la radiacin solar absorbida.
A la salida del largo tubo el vapor se encuentra a 270 C de temperatura y unos 55 bares de
presin. El vapor se reduce de presin en un tanque de acumulacin de vapor hasta
aproximadamente 33 bares. Este vapor alimenta una turbina dividida en dos niveles de presin
(alta presin, 33 bar y baja presin, 4,3 bar), y es el equipo encargado de transformar la
energa trmica en energa mecnica rotativa.
Como en las centrales CCP, la turbina de alta presin normalmente es de pequeo tamao y
gira a gran velocidad, por lo que es necesario un reductor para ajustar sus revoluciones a las
3.000 r.p.m. que requiere el generador al que estn ambas conectadas. La necesidad de tener
dos turbinas de vapor aparece porque a una presin y temperatura determinadas la cantidad
de agua que aparece en el vapor es grande. Es necesario extraerlo de la turbina y retirar el
agua condensada con la ayuda de un separador de humedad.
Principales diferencias entre la tecnologa CCP y la tecnologa fresnel
De acuerdo con lo visto en los apartados anteriores, las diferencias ms sobresalientes entre
las plantas de concentrador cilindro-parablico y las que utilizan espejos fresnel son las
siguientes:
El precio de las centrales fresnel es ms ventajoso.
Los espejos de las primeras son curvos, mientras que los de las segundas son rectos.
Esto supone cierta prdida de rendimiento (en torno al 15% menos de rendimiento
ptico), pero a cambio supone un importante abaratamiento en el precio y simplifica
las lneas de captacin.
El tubo absorbedor no tiene cubierta de cristal y por lo tanto no se requiere el vaco
entre el tubo metlico y la cubierta de vidrio. Esto simplifica y abarata las plantas.
Las relaciones de concentracin son menores en las centrales de concentradores
lineales fresnel. Mientras que las centrales CCP trabajan con relaciones cercanas a
80:1, las de concentradores fresnel trabajan con relaciones 20:1.
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El campo solar de una planta fresnel ocupa casi un 40% menos que una planta CCP.
La segunda requiere aproximadamente 20.000 m2 por MW elctrico instalado,
mientras que una planta fresnel requiere unos 12.000 m2 por MW elctrico instalado.
La razn fundamental est en la separacin entre lneas: mientras que la tecnologa
CCP requiere que las lneas estn separadas entre 15 y 18 metros, la tecnologa fresnel
requiere entre 4 y 5 metros de separacin, simplemente para facilitar el acceso de
vehculos de mantenimiento
Las centrales CCP utilizan actualmente un fluido orgnico sinttico que encarece
notablemente las plantas y complica su operacin. Las plantas fresnel generan
directamente vapor, lo que simplifica notablemente el proceso.
Los niveles de presin en las plantas fresnel son ms bajos. Mientras que las plantas
CCP utilizan presiones cercanas a los 100 bar para alimentar la turbina de alta presin,
las plantas fresnel uti