DISPOSITIVOS DE ENFOQUE PUNTUAL

Transcripción

1 DISPOSITIVOS DE ENFOQUE PUNTUAL Platos parabólicos con motor Stirling Partes principales Concentrador de tipo parabólico (espejos) con sistema de seguimiento en dos ejes. Receptor (transfiere la energía absorbida al fluido de trabajo). Motor térmico Stirling (convierte la energía térmica en mecánica). Generador eléctrico (acoplado al eje del motor Stirling). Controles 1

2 PLATOS PARABÓLICOS CON MOTOR STIRLING Concentrador parabólico Concentra la radiación en el receptor (motor Stirling) ubicado en el punto focal. Concentraciones típicas de 1500 a La superficie reflectiva (Φ hasta 25m) puede construirse de dos formas Segmentada en varios espejos (con orientación individual o fijos) Una sola pieza Boeing/SES (25 kw) SAIC/STM (25 kw) 2 16 espejos de 3.2 m de diámetro, 725 C

3 PLATOS PARABÓLICOS CON MOTOR STIRLING Concentrador parabólico (cont.) Sistema de seguimiento Sobre estructura giratoria o de poste. Estrategia de seguimiento a lazo abierto (trayectoria del sol precalculada) o a lazo cerrado (sensado de la mayor radiación recibida). 3

4 PLATOS PARABÓLICOS CON MOTOR STIRLING Receptor Absorbe la radiación reflejada por el concentrador y la convierte en calor útil sobre un fluido que puede ser el de trabajo o intermedio. Ocurren las temperaturas más altas del sistema ( C) Puede haber gradientes térmicos importantes cuando la calidad de los espejos no es buena. 4

5 PLATOS PARABÓLICOS CON MOTOR STIRLING Receptor (cont.) Varios diseños constructivos, por ejemplo: Receptor de tubos Es el más simple. Por los tubos circula el fluido de trabajo (normalmente helio o hidrógeno). Tubo de calor (heat-pipe) Se utiliza un fluido intermedio (p. ej. sodio) para transferir el calor por cambio de fase. El ciclo de evaporación/condensación se da a temperatura aproximadamente constante. Estructura capilar en el absorbedor. Normalmente de tipo cavidad (menores pérdidas). El absorbedor está detrás del punto focal, mayor tamaño que la apertura. 5

6 PLATOS PARABÓLICOS CON MOTOR STIRLING Motor Stirling (1816) Convierte el calor capturado por el absorbedor en energía mecánica. Motor de combustión externa (la energía proviene del exterior del motor) que tiene acoplado un generador eléctrico. Puede usarse combustible para generar calor y operar cuando no hay suficiente radiación solar. Tiene un lado caliente (absorbedor) y uno frío (radiador ventilado por aire). STM 6

7 PLATOS PARABÓLICOS CON MOTOR STIRLING Motor Stirling (cont.) Ciclo térmico cerrado basado en el cambio del volumen de un gas (normalmente helio o hidrógeno) cuando cambia su temperatura. El gas se desplaza del lado caliente al frío, y viceversa, generando el movimiento de un pistón. El regenerador almacena temporariamente el calor. Tres configuraciones básicas Alfa: dos pistones en cilindros separados conectados por el regenerador. Beta: un arreglo de pistón/desplazador en línea en el mismo cilindro. Gama: pistón y desplazador en cilindros separados. Volante de inercia Pistón frío ALFA Pistón caliente BETA GAMA 7

8 PLATOS PARABÓLICOS CON MOTOR STIRLING Motor Stirling (cont.) Principio de funcionamiento (alfa) Expansión (3-4, T constante) El gas recibe calor, se expande y mueve el pistón caliente hacia la izquierda. Disminuye la presión del gas. Desplazamiento (4-1, V constante ) Ambos pistones se mueven hacia la derecha por efecto del volante de inercia. El gas pasa al lado frío. El regenerador (fijo) absorbe calor

9 PLATOS PARABÓLICOS CON MOTOR STIRLING Motor Stirling (cont.) Principio de funcionamiento (alfa) Compresión (1-2, T constante) El gas se comprime con el movimiento del pistón frío, aumenta la presión y cede calor manteniendo su temperatura constante. Desplazamiento (2-3, V constante) Ambos pistones se mueven hacia la izquierda por efecto del volante de inercia. El gas pasa al lado caliente, absorbe calor del regenerador

10 PLATOS PARABÓLICOS CON MOTOR STIRLING Rendimiento 10

11 PLATOS PARABÓLICOS CON MOTOR STIRLING Plantas 11

12 ENFOQUE PUNTUAL Central de torre y heliostatos Los espejos reflejan la radiación directa sobre el receptor en lo alto de la torre central. La radiación se transforma en calor y se transfiere al fluido caloportador (aire, agua/vapor, sales) para utilizarlo en un ciclo térmico convencional. Puede incluir almacenamiento o sistema de apoyo (gas, diesel, biocombustibles, etc.) para extender las horas de funcionamiento (mayor factor de capacidad). 12

13 Componentes principales Torre central Receptor Campo de heliostatos Almacenamiento térmico Combustible de back up Unidad de potencia (turbina y generador) Sistemas de control 13

14 Características generales Índices de concentración típicos: 200 a

15 Heliostatos Superficies reflectoras curvadas con seguimiento en dos ejes para mantener la imagen del sol sobre el absorbedor. Representan una fracción significativa (40-50%) del costo total de la planta. 15

16 Heliostatos (cont.) Formas constructivas Membranas tensadas Vidrio-metal 16

17 Heliostatos (cont) Alineación de espejos facetados Orientación de los segmentos (canteo) de manera de tener una imagen única del sol en el absorbedor Se hace en forma individual para cada heliostato (muy costoso). 17

18 Heliostatos (cont) Tamaños Brightsource (Israel) 1640 x 7.2m 2 Típicos de 40m 2 a m 2. Está cambiando el paradigma hacia heliostatos más pequeños (menos de 10m 2 ) y mayor cantidad (escala de producción, menor costo). Tal vez 10 o 100 veces más por MW. (Problemas de calibración y control? ) Torres múltiples? 18

19 Heliostatos (cont) Tamaños (cont.) Gemasolar (España) Superficie de 115.2m 2 Configuración en T 35 facetas de 3mm de espesor, reforzadas con soporte de acero galvanizado estampado. Fundaciones de concreto reforzado Estructura de acero galvanizado 19

20 Heliostatos (cont) Posicionadores Representan una parte importante del costo del heliostato. Consisten en dos motores, uno para cada eje. Deben ser robustos para soportar el peso de la estructura móvil y las cargas de viento. Movimientos suaves para seguir al sol, con alta precisión y sin juego muerto. Movimientos rápidos para ir a la posición segura. 20

21 Heliostatos (cont) Sistema de control Normalmente hay dos niveles Control central: establece los set points y estrategias para los helistatos Control local: regula los servomecanismos de acuerdo a los set points del control central. 21

22 Heliostatos (cont) Limpieza Para mantener la eficiencia, la frecuencia es cada 2 o 3 semanas 22

23 Campo de heliostatos La ubicación de los heliostatos se determina mediante algoritmos de optimización para maximizar la energía captada por unidad de área. Además cada heliostato está sujeto a figuras de desempeño complejas. Factores que se tienen en cuenta: Efecto coseno (ángulo de incidencia) Sombreado y bloqueo Absorción atmósfera Pérdidas en el receptor (calidad espejo). 23

24 Campo de heliostatos (cont.) Eficiencia óptica total para campo orientado al norte (HN). 24

25 Campo de heliostatos (cont.) Efecto coseno El área efectiva se reduce por el ángulo de incidencia El promedio anual del coseno en HN puede ser 0.9 a dos torres hacia el norte y 0.7 a dos torres hacia el sur. Determina la forma: circular (cerca del ecuador) y a medida que crece la latitud los campos se extienden hacia el norte (sur en HS). Influye la altura de la torre (80-100m) N 25

26 Ubicación de los heliostatos Separación radial típica para 35 de latitud. 26

27 Ubicación de los heliostatos (cont.) Analogía con la naturaleza? 27

28 Campo de heliostatos (cont.) Control individual de cada heliostato Durante el paso de nubes el sistema de control desenfoca los espejos Inclinación: 1 Z /2 180º arctan T Zs n h 2 x 28

29 Absorbedor o receptor solar Es el dispositivo donde se concentra la radiación solar. Además de absorbedor es el intercambiador de calor. Esfuerzos por mejorar la eficiencia térmica y durabilidad. Las temperaturas típicas están entre 500 y 1200 C. La intensidad de radiación va desde 300 a 1000 kw/m2. 29

30 Absorbedor o receptor solar (cont.) Tipos constructivos Por la geometría Externos De cavidad Por la forma de irradiación Directos Indirectos (tubulares y volumétricos) 30

31 Absorbedor o receptor solar Tipos constructivos (cont.) Tubular externo Tubular de cavidad Tubular plano Volumétrico 31

32 Receptor tubular Rangos de operación según el fluido 32

33 Receptor volumétrico Temperaturas Metálicos: 800 C Cerámicos: >1000 C 33

34 Centrales en operación Plataforma solar en Sevilla, España PS20 PS10 34

35 Centrales en operación PS10 (10MW) Sevilla, España Primera planta comercial 35

36 Centrales en operación (cont.) PS20 (20MW) Sevilla, España 1255 heliostatos diseñados por Abengoa Solar, de 120 m2 Torre de 162m, fluido: vapor. 36

37 Centrales en operación (cont.) Gemasolar (España) Primera planta comercial con almacenamiento térmico en sales fundidas. 19,9 MWe, 110 GWh/ año (FC~65%) heliostatos en 185 hectáreas Tanque de almacenamiento: generación por hasta 15 horas sin aporte solar. 37

38 Centrales en operación (cont.) Ivanpah (desierto de Mohave) 3 plantas que totalizan 377 MWe (14.2 km 2 ) heliostatos de 15m 2 (2 espejos) Torres de 135m Fluido agua (produce vapor a 565 ). 38

39 Esquema del sistema con almacenamiento 39

40 CENTRALES SIN CONCENTRACIÓN Tipos Torre o chimenea solar Estanque solar 40

41 TORRE O CHIMENEA SOLAR Componentes Colector Chimenea Turbina 41

42 TORRE O CHIMENEA SOLAR Estimación de la potencia eléctrica extraíble La potencia eléctrica es proporcional al volumen del cilindro formado por la torre y el campo colector (S abs x h T ) Pe Gg Sabs col torre turbina torre c g ht p, aire aire aire P G S h e g abs T : temp. ambiente (tope de la torre) 42

43 TORRE O CHIMENEA SOLAR Colector Es básicamente un colector de aire Construido de vidrio o plástico a 2 6 m del suelo La altura crece hacia la torre para disminuir pérdidas por fricción 43

44 TORRE O CHIMENEA SOLAR Acumulador Podría incorporarse en el suelo Simulación 44

45 TORRE O CHIMENEA SOLAR Planta prototipo Torre de Manzanares, España Construida entre 1981 y Funcionó hasta Luego de ser destruida por un temporal fue desmantelada. 45

46 ESTANQUE SOLAR Funcionamiento Utilizan soluciones salinas y se basan en la estratificación del agua (densidad y temperatura) El agua con mayor contenido de sal (más pesada) se encuentra en el fondo y actúa como absorbedor y acumulador. Manteniendo el gradiente se pueden alcanzar temperaturas de 80 o 90 C en el fondo. 46

47 ESTANQUE SOLAR Componentes de una planta Estanque o lago (colector) Intercambiador de calor Motor térmico Es necesario monitorear la transmitancia, densidad y temperatura 0.5 m 1-2 m m 47

48 ESTANQUE SOLAR Plantas 48 El Paso Beit Ha'Arava