Trabajo Tec. Energetica

7/26/2019 Trabajo Tec. Energetica

1/26

PLANTA SOLAR CON COLECTORES CILNDRICO - PARABLICOS

Descripcin

Una planta solar tpica de generacin de electricidad con colectores

cilndrico -parablicos est constituida por tres sistemas principales: el campo

solar, el sistema de transferencia de calor y el bloque de potencia.

Campo solar.

El campo solar es el encargado de recoger la radiacin solar directa y

transformarla en energa trmica. Para ello, se usan colectores cilndrico -

parablicos conectados en serie hasta formar largas filas ue, a su !e", se

instalan en paralelo, en el n#mero necesario para conseguir la potencia trmica

reuerida por el bloue de potencia correspondiente. $os colectores estn

alineados en la direccin %orte-&ur, y disponen de un sistema monoa'ial de

seguimiento del &ol en direccin Este-(este. Un sensor indi!idual controla la


2/26

posicin y el mo!imiento de cada fila de colectores. ) su !e", todas ellas son

controladas por un ordenador principal.

El campo de colectores puede tener distintas configuraciones seg#n

como se alimente el fluido trmico. En todos los casos la tubera de salida *la

ms caliente+ es la ms corta de cara minimi"ar las prdidas trmicas. $as

configuraciones son:

De retorno directo: Es la ms simple y la ue ms se ha usado. El

principal incon!eniente ue presenta es el deseuilibrio entre las

presiones ala entrada ya la salida de cada lnea * distinta longitud

de tuberas+ y por lo tanto en el fluo ue circula por cada una de

ellas a no ser ue se instalen !l!ulas ue euiparen las

diferencias de presin en todas las lneas, con el consiguiente

aumento de la cada de presin total en el circuito y del consumo

de la bomba. (tra posibilidad de compensar el fluo es aumentar

el tamao de las tuberas de distribucin y recogida del fluido

caloportador a las lneas, pero eso implica un coste superior.

De retorno invertido: &e consigue euilibrar el fluo con un menor

consumo en la bomba pero con un coste mayor y un aumento de

las prdidas trmicas debido al aumento de la longitud de las

tuberas.

De alimentacin centrada: %ecesita !l!ulas de homogenei"acin

del fluo en las lneas, pero reduce la cantidad de conducciones


3/26

necesarias al eliminar una tubera ue recorre la longitud total del

campo de colectores.

Colectores.

$os colectores cilindroparablicos consisten bsicamente en un reflector

cilindro parablico, de cristal bao en hierro, dotado de un mecanismo de

seguimiento del sol para ue en todo momento la radiacin solar directa incida

perpendicularmente sobre el reflector. e este modo, dicha radiacin es

refleada y concentrada sobre un tubo receptor llamado absorbedor o Elemento

Colector de Calor (HCE) situado en la lnea focal de la superficie reflectante. El

factor de concentracin es apro'imadamente /0. El absorbedor est dotado de

e'tremidades ue compatibili"an las diferentes deformaciones ue las altas

temperaturas pro!ocan en el acero y el cristal. &e emplean esponas especiales

para absorber gases ue, como el hidrgeno, pueden acceder a la cmara de

!aco a tra!s del cristal o el acero.


4/26

$a figura de arriba muestra una !ista de un colector de este tipo, en la

ue se !e claramente la superficie reflectante parablica y la posicin del tubo

absorbente, y un elemento absorbedor.

En los campos solares la radiacin concentrada calienta un fluido ue

circula por el interior del tubo absorbedor. El fluido se denomina fluido

intercambiador de calor (Heat Transfer Fluid, HTF) y suele ser un aceite

sinttico.

$a siguiente figura muestra el esuema de un elemento

absorbedor de calor o 12E.


5/26

Sistema e trans!erencia e calor " #lo$%e e potencia.

Una !e" caliente, el aceite pasa desde el campo solar al sistema de

transferencia de calor, donde se produce !apor a alta presin haciendo pasar el

aceite por tres intercambiadores de calor conectados en serie *precalentador

de agua, e!aporador y sobrecalentador de !apor+. El aceite fro ue sale del

#ltimo intercambiador de calor es en!iado al campo solar para ser calentado de

nue!o. e este modo, el aceite act#a como el medio de transferencia de calor

entre el campo solar y el bloue de potencia del ciclo 3an4ine, calentndose en

los colectores solares y enfrindose al producir el !apor ue demanda el

alternador .

El !apor as producido se en!a al bloue de potencia, donde se

e'pande en una turbina de !apor ue acciona el correspondiente generador de

electricidad. 5ediante este proceso, la radiacin solar recogida y concentrada

por el campo solar es con!ertida en electricidad y posteriormente se procede a

su distribucin mediante la red elctrica general.

)dems de los tres sistemas principales descritos, este tipo de plantas

termosolares suelen tener un calentador au'iliar alimentado por gas natural

conocido como caldera de bac up. Este sistema au'iliar permite conseguir la

temperatura de operacin adecuada cuando no e'iste la suficiente radiacin

solar.

$a diferencia fundamental entre una planta termo solar de este tipo y

una central elctrica con!encional estriba en ue el combustible fsil uemado


6/26

en la central con!encional para producir el !apor es substituido en la planta

solar por la energa trmica suministrada por los colectores solares.

Con!i&%raciones.

$a produccin de electricidad con colectores cilndrico -parablicos se

suele hacer utili"ando el ciclo de 3an4ine en las turbinas de !apor .

)ctualmente y de cara tanto a e'tender las horas de produccin elctrica como

para disminuir la produccin de emisiones contaminantes se est planteando la

integracin de los colectores solares con sistemas de produccin de

electricidad mediante el llamado ciclo combinado *22+. El 22 utili"a dos

turbinas, una de !apor en el ciclo de 3an4ine y otra de gas en el ciclo de

6rayton, de tal forma ue el calor residual producido en la turbina de gas, a

temperaturas en el orden de los 70082, se utili"a para alimentar la turbina de

!apor.

Planta SE'S

$a figura siguiente muestra el esuema de una planta &E9& *&olar

Electricity 9enerating &ystems+ en ue la #nica fuente de energa utili"ada es

la solar.

El fluido calentado por los colectores se utili"a para alimentar un

generador de !apor con tres cuerpos *precalentador, generador de !apor y

sobrecalentador+ y un recalentador ue ele!a la temperatura de !apor ue sale

del cuerpo de alta de la turbina antes de introducirlo en el cuerpo de baa

presin. El !apor generado en el generador de !apor pasa al cuerpo de alta


7/26

presin de la turbina, de donde, despus de e'pandirse y transformar su

energa en energa mecnica, sale al re calentador y se reintroduce en el

cuerpo de baa una !e" calentado, donde !uel!e a e'pandirse y generar

energa mecnica adicional. el cuerpo de baa el !apor pasa al condensador,

de donde el agua !uel!e al generador de !apor despus de ser precalentado

mediante e'tracciones de parte del !apor introducido en la turbina.

icho configuracin se representa en el siguiente esuema.


8/26

El ciclo descrito es una de las muchas !ariantes e'istentes del ciclo de

3an4ine y se denomina re!enerativo con recalentamiento. E'isten muchas

otras posibilidades ue hay ue considerar cuando se pretende encontrar el

meor euilibrio entre los componentes solares y un ciclo con!encional de

generacin de electricidad. En cualuier caso, tanto al utili"ar una turbina con

dos cuerpos, como el recalentamiento, como el precalentamiento a partir del

sangrado son prcticas encaminadas a la meora del rendimiento trmico del

ciclo de 3an4ine. En #ltimo trmino el coste de generacin de la electricidad

producida es el ue marca la con!eniencia de una seleccin u otra.

Sistemas e Ciclo Com#inao-

solar Inte&raos (Inte&rate

Solar- Com#ine C"cle

S"stem) ISCCS*


9/26

$a generacin elctrica en plantas con!encionales de ciclo combinado a

partir de la combustin del gas, resulta muy eficiente tanto por su bao coste,

como por e'celente funcionamiento y sus reducidas emisiones. $as plantas de

ciclo combinado *22+, disponen, como elementos principales, de una turbina

de combustin de gas * "as Turbine, "#), un generador de !apor recuperador

de calor (Heat $ecover% &team "enerator, H$&"), y una turbina de !apor

(&team Turbine, ). El combustible se uema en la turbina de gas, y los gases

calientes de escape pasan a tra!s del 13&9, donde se sobre calienta el

!apor ue !a a mo!er la turbina de !apor del ciclo de baa. e esta manera se

consigue emplear de forma mucho ms eficiente la energa potencial del gas o

de otro combustible. )ctualmente se consiguen rendimientos en la con!ersin

trmica- elctrica superiores al 77 . $a figura muestra el diagrama bsico de

una central 22.

$a energa solar procedente de un campo de espeos parablicos puede

complementarse de !arias formas con un ciclo combinado, reducindose as

las ya pocas emisiones del gas. El resultado de esta unin son los &istemas de


10/26

2iclo 2ombinado-&olar ;ntegrados *;ntegrated &olar -2ombined 2ycle &ystem,

;&22&+.

El !apor producido en el campo de colectores se puede introducir en el

ciclo combinado bien a alta presin en el 13&9, o bien directamente a baa

presin en la turbina de !apor del ciclo de baa. $a figura


11/26

Esquema de una instalacin inte!rada de sistema solar.

$as plantas ;&22& ofrecen buenas caractersticas de funcionamiento y

educcin de las emisiones. )dems, el sinergismo de esta combinacin es tal,

ue el rendimiento de la con!ersin trmico-elctrica en una planta de estas

caractersticas puede llegar a ser un =0 superior al de una planta &E9&.

&e debe prestar atencin a la optimi"acin del sistema para e!itar la

degradacin potencial a ue se puede !er sometida la parte de baa de la

turbina de !apor por funcionamiento a media carga cuando la energa solar

disponible no sea la de diseo.

Una planta de generacin del tipo ;&22& es diseada con la intencin de ue

funcione con altos factores de capacidad, siendo la mayor parte de la energa

de base la pro!eniente de la combustin del gas. En el punto terico de diseo,

la energa solar contribuye en un >0-70 a la energa del ciclo de baa, y en un


12/26

0 a la del ciclo combinado. ) lo largo de un ao con factores de

capacidad altos, se estima ue la energa solar contribuir en un =0-7@5Ce se denominan &E9& *&olar Electricity 9enerating &ystems+ y operan connormalidad en el desierto del 5oa!e en el sur de 2alifomia.

El primer paso se dio en =?/> cuando $UA negoci un contrato de >0

aos con la compaa elctrica &(UB1E3% 2)$;(3%;) E;&(% para

!ender la electricidad producida en dos plantas, una de =@ 5Ce *&E9& ;+ y

otra de >0 5Ce *&E9& ;;+.

En &E9& ;; se introduo una importante meora de diseo respecto a la

configuracin anterior. &e aadi un uemador de gas natural en paralelo con

el campo solar .e esta manera el !apor de la turbina puede ser suministrado

bien por el campo solar o bien por el uemador de gas. )dems, se introduo

tambin un sobrecalentador solar, de manera ue la planta poda operar slo

con energa solar independientemente de otras energas. El concepto de una

fuente suplementaria de combustin de combustibles fsiles fue empleado en

todas las plantas posteriores. 2uando la idea de una planta hbrida, capa" de


13/26

funcionar bien con energa solar o con gas natural, fue aceptada, los beneficios

resultaron ob!ios. Una instalacin con estas caractersticas tiene la capacidad

de funcionar en condiciones de baa radiacin solar *malas condiciones

meteorolgicas o noches+.

$UA continu desarrollando plantas de tecnologa &E9& de >0 5Ce hasta la

construccin de las plantas &E9& F; y F;; en =?//. 5eoras en la tecnologa de

fabricacin y montae de los colectores permitieron alcan"ar mayores

temperaturas ue aumentaron el rendimiento del ciclo de !apor de las turbinas,

en gran parte debido a la introduccin de un ciclo de recalentamiento.

En =?/? y =??0 $UA aument el tamao de las centrales hasta /0 5Ce con la

construccin de &E9& F;;; y ;G. $a compaa uebr en =??= debido a

dificultades financieras anteriores a la construccin de la planta &E9& G,

originadas por la inestable poltica del gobierno norteamericano referente ala

generacin de electricidad con energas reno!ables.


14/26

En la tabla siguiente se muestran las principales caractersticas de las

nue!e plantas generadoras de electricidad construidas por $UA

;%BE3%)B;(%)$.

Partiendo de la tecnologa de $UA la Unin Europea lan" en Enero de

=??H un completo programa de in!estigacin y desarrollo de cara a llegar a una

nue!a generacin de plantas solares trmicas con colectores cilndrico -

parablicos. Este programa comprende dos proyectos. El proyecto EuroTrou!'

pretende disear un colector cilindro -parablico meorado en tanto ue el


15/26

proyecto D&& *irect &olar &team+ tiene como finalidad reempla"ar el aceite

sinttico ue actualmente se utili"a en las plantas &E9& pos la generacin

directa de !apor en los propios colectores. )mbos proyectos pretenden

in!olucrar a todos los sectores del mercado * compaas elctricas, centros de

in!estigacin e industria+ asegurando la comerciali"acin de los resultados.

entro del proyecto ;&& se construy en el centro de in!estigacin del

2;E5)B de la Plataforma &olar de )lmena una planta para in!estigacin

e'perimental del proceso de 9eneracin irecta de Fapor *&9+. Este la"o de

ensayos, implementado con componentes a!an"ados especialmente diseados

para este fin, ha colocado al 2;E5)B a la cabe"a de la in!estigacin en este

campo.

L+neas e in,esti&acin.

$as posibilidades de meora de la eficiencia energtica y de disminucin

de los costes de las plantas solares con colectores cilndrico -parablicos

pasan por:

esarrollar componentes meorados para colectores cilndrico

-parablicos como nue!os tubos absorbentes con meores

propiedades pticas y trmicas, espeos de meor calidad,

sistemas de seguimiento ms precisos o estructuras de soporte

ms ligeras.

esarrollar la "eneracin Directa de apor (D&") en los tubos

absorbentes, eliminando el aceite trmico utili"ado actualmente

como medio de transferencia de calor entre el 2ampo &olar y el


16/26

Euipo de Potencia. Esto aumentara el rendimiento del sistema y

reducira costes de in!ersin.

(ptimi"ar el diseo completo de la planta para meorar el

acoplamiento del campo solar con el euipo de potencia y

optimi"ar los procedimientos de (I5 para acortar el tiempo de

arranue y parada.

El obeti!o final es un aumento del 0 en el coste de generacin

de la electricidad producida con este tipo de plantas termosolares.

Anlisis econmico " ,ia#ilia e las centrales termosolares.


17/26

El coste asociado a una planta de energa de cualuier tecnologa se

compone de cuatro factores:

Capital: es la amorti"acin del coste del capital de la planta repartido

entre cada 4ilo!atioJhora producido.

*+ fi-o: es el coste del personal de la planta para su operacin.

*+ variable: se refiere al aumento de coste necesario para producir

Kilo!atiosJhora de electricidad adicionales.

Combustible: precio de las fuentes de energa primarias ue alimentan la

planta. En el caso de plantas solares este coste es sensiblemente inferior al

ue se tiene en plantas con!encionales.

Costes e in,ersin

En una planta tpica de cilindro parablicos, el campo solar representa

apro'imadamente el 70 por ciento del coste total de la planta. $a gran in!ersin

necesaria para el euipo solar al principio del perodo de construccin supone

una fuerte penali"acin por los ele!ados pagos de intereses y de capital ue

hay ue afrontar durante toda la !ida de la planta. El grfico de abao muestra

la distribucin de costes iniciales totales entre los distintos elementos.

$a tabla = compara los costes de in!ersin de di!ersas plantas &E9& sin

acumulacin trmica. $a in!ersin para una instalacin de /0 5Ce estandard

*con el apoyo de gas natural, refrigeracin h#meda y sin acumulacin trmica+

est pr'ima a los


18/26

capacidad de generacin de la central. El empleo de combustible fuel oil en

lugar de gas natural aumenta el coste en un =H, principalmente debido ala

in!ersin ocasionada por la necesidad de tratar los gases de salida

* desulfuracin+, de almacenar el combustible y de manipularlo. El uso de

refrigeracin seca aade un =0 al coste de la parte con!encional de la planta.


19/26

$as tablas < y > presentan tambin los datos de plantas con!encionales de

combustibles fsiles, la primera de 7< 5C alimentada con combustible %8< en

un ciclo de 3an4ine, y la segunda de /H 5C alimentada con gas natural en un

ciclo combinado. 2on!iene destacar ue han sido incluidos todos los costes

directos e indirectos, y ue casi el


20/26

El coste del 4ilo!atio instalado para las plantas de configuracin ;&22& se

encuentra en el rango de =0 y un H0 de la energa necesaria para ue la

turbina trabae a su potencia nominal, lo ue se traduce en un =0 ->0 de la

B)6$) 0 5Ce &E9& Plant.

ran4 $ipp4e.

&E9& Bechonology )ssessment and Bransferability to the

5editerranean.


26/26

Centrales termosolares ecolectores cilinropara#licos.

Emilio 5artne" 6elda 7 2

Documents

Trabajo Tec. Energetica