INTRODUCCIÓN.
Las
centrales termosolares se basan en la concentración de la radiación que
llega a una superficie en otra de menor tamaño, de forma que se aumenta
notablemente la temperatura de la superficie concentrada. Por esta
razón se
utiliza el término CSP (Concentrating Solar Power) para
referirse a ellas. Existen dos formas de concentración: concentración
de la radiación en un punto y concentración de la radiación en una
línea.
De las primeras, las que concentran en un punto, existen varias
tecnologías. Se consigue en ellas ratios de
concentración muy
importantes (más de 1000 veces), lo que significa que la radiación que
llega a una gran superficie
se concentra en otra mil veces menor. Las
dos tecnologías actuales de concentración en un punto son las
denominadas Dish Stirling, que utilizan una especie de plato en cuyo
punto focal se situa un motor stirling, y las de
torre, en las que una
serie de espejos planos denominados heliostatos se orientan de forma
que la radiación incidente
se concentra en la parte superior de una
torre de hormigón donde se encuentra una caldera.
En cuanto a las segundas, las que concentran la radiación en una linea,
existen dos tecnologías principales: las de
espejos fresnel, en las que
unos espejos planos reflejan la radiación a una linea atravesada por un
circuito de agua;
y las de concentrador cilindro-parabólico, que son
las más extendidas en la actualidad y cuya tecnología se considera
la
más madura. A estas últimas se las denomina Centrales CCP (Concentrador
cilindro parabólico)
Además de éstas, existen diferentes formas de hibridación. En estas
plantas coexisten diversas tecnologías, con el objetivo de mantener la
planta en operación cuando no hay radiación solar. Las más usuales son
las denominadas ISCC (Integrated Solar Combined Cycle) que integran un
ciclo combinado estándar con un campo solar tipo CCP. Otra forma
de
hibridación utiliza plantas de biomasa, que queman combustible sólido
como restos vegetales, forestales o agrícolas para mantener la planta
en marcha cuando la radiación ha desaparecido.
Veamos cada una de estas tecnologías.
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 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 de 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.
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 para mejorar el rendimiento. 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.
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 el campo de heliostatos y la capacidad de generación de vapor
están muy sobredimensionados.
3. Hibridación. Otra
mejora utilizada en la
tecnología de torre es la hibridación, que consiste en la utilización
de otras fuentes de energía, como la biomasa, para mantener la
planta en marcha con ausencia de radiación. Tanto la hibridación como
el almacenamiento buscan aumentar el número de horas de operación de la
planta, que en una ubicación media apenas superan las 2.500 (un año
tiene 8760 horas)
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
más de 800 MW
en operación, más de 2000 MW en construcción y alrededor de 6 GWs en
promoción a nivel
mundial en paises como España (el principal motor de la tecnología
termosolar), Estados Unidos, Marruecos, Argelia, Egipto, Australia,
Surdáfrica, India, México y Chile.
La
tecnología cilindro-parabólica basa su funcionamiento en el seguimiento
del movimeitno solar para que los rayos incidan perpendicularmente a la
superficie de captación, y en
la concentración de estos rayos solares incidentes en unos tubos
receptores de alta
eficiencia térmica localizados en la linea focal de los cilindros. En
estos tubos,
un fluido transmisor de calor, normalmente un fluido orgánico sintético
(HTF) es calentado hasta unos 400 ºC. Este fluido caliente de dirige a
una serie de intercambiadores de calor para producir vapor
sobrecalentado. La energía presente en este vapor se convierte en
energía
eléctrica utilizando una turbina de vapor convencional y un generador
acoplado a ella. La tecnología
cilindro-parabólica es la tecnologia CSP mas 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
absorbedor 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 de vidrio que le da la suficiente rigidez.
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 < 400 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.
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. TECNOLOGÍA FRESNEL
Una
de las nuevas formas de aprovechamiento térmico de la energía solar es
el concentrador lineal tipo Fresnel que se destaca por la sencillez de
su construcción y por su bajo coste. La tecnología fresnel
utiliza reflectores planos, simulando un espejo curvo por variación del
ángulo ajustable de cada fila individual de espejos, en relación con el
absorbedor. Los reflectores se construyen con espejos de vidrio
normales y por lo tanto su materia prima es muy barata. La forma
curvada de los espejos cilindro parabólicos hace que sean un 15% más
eficientes que los espejos Fresnel, pero el ahorro de costes de
construcción es tan importante que esa disminución de rendimiento se
ven suficientemente compensada.
Figura 8.
Fotografía de central CSP tipo Fresnel
5. ISCC (Integrated Solar Combined Cycle).
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 habitual es del tipo CCP, es decir, 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,.
Es decir: la planta produce la mayor parte de su energía en ciclo
combinado, y el campo solar aporta entre un 2 y un 5% de energía
adicional.
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 9.
Esquema de funcionamiento planta
ISCC
6. 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.
