LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA Y SUS NUEVAS APLICACIONES. C. Doctor Yazmani García Ortiz

Transcripción

1 LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA Y SUS NUEVAS APLICACIONES C. Doctor Yazmani García Ortiz

2 NO SON CELDAS FOTOVOLTAICAS!!!

3 CONTENIDO Introducción Desarrollo Desarrollo histórico. Contexto Energético Mundial. Plataforma Solar de Almería (PSA). Energía Solar de media concentración (Colector-Cilindro Parabólico CCP). Bondades para desarrollo en México (Sonora, Caso Práctico). Conclusiones

4 John Ericsson 1870

5 1907 Whilhelm Marier y Adolf Remshardt

6 1911 Frank Shumann 1200 m2 de CCP

7 Fernández-García et al 2010

8 CLASIFICACIÓN DE LOS COLECTORES SOLARES

9 Contexto energético 97 % de la demanda energética mundial* 81.5% de la demanda energética mundial* Agotamiento de recursos energéticos Efectos negativos en el medio ambiente 25% población consume el 75 % de los recursos energéticos** Incremento de la demanda energatica mundial* **The World Bank *Agency International Energy

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12 Sistemas de concentración Concentradores tridimensionales, con foco puntual. Disco parabólico Concentradores bidimensionales, con foco lineal. Receptor central Mercado Español* Sistema Fresnel Sector en cifras Potencia en operación Centrales CCP Centrales receptor central Centrales Fresnel Centrales Disco parabolicos Captador cilindroparabólico MW 48 ( MW) 3 (50 MW) 2 (31.5 MW) 0 *Protermosolar

13 Bienvenidos a la PLATAFORMA SOLAR DE ALMERÍA

14 El captador solar cilindroparabólico Componentes principales de un captador cilindroparabólico. Superficie reflectora cilindroparabólica Tubo absorbedor Sistema de seguimiento Estructura metálica 14

15 Fluidos de transferencia de calor en CCPs Aceite térmico Ventajas - Sin cambio de fase - Baja presión de operación Desventajas - Pérdidas relacionadas al intercambiador - Operación a 400 C - Elementos auxiliares costosos - Coste de reposición significativa - Son contaminantes

16 Sales fundidas Ventajas - No presenta un cambio de fase - Operación por encima de 400 C CO 2 - Operación por encima de 400 C - No presenta un cambio de fase Nano-partículas Ventajas Ventajas - Operación por encima de 400 C - Mejor conductividad térmica Desventajas - Temperatura de congelación - Pérdidas relacionadas al intercambiador - Coste de reposición significativa - Potencia de bombeo significativa Desventajas - Pérdidas relacionadas al intercambiador - Desafíos por resolver satisfactoriamente - Alta presióndesventajas de operación - Pérdidas relacionadas al intercambiador - Coste de reposición significativa - Desafíos por resolver satisfactoriamente - Potencia de bombeo significativa 16

17 Agua Ventajas Desventajas - Estudios que muestran su viabilidad - Presenta un cambio de fase - Operación por encima de 400 C - Alta presión de operación - Temperaturas de congelación de 0 C - Almacenamiento - Elementos no costosos en el circuito - Sin pérdidas relacionadas al intercambiador - No contaminante y sin riesgos de incendio - Coste de reposición no son significativos 17

18 Bondades para desarrollo en México La irradiación solar global en México en promedio es de 5.5 kwh/m², en algunas zonas llega hasta 6.3 kwh/m²*día. En materia de energía solar, México es uno de los cinco países con mayor potencial en el mundo. Se estima que el potencial solar bruto del país es de 5.5 kwh por cada metro cuadrado al día, lo cual representa alrededor de 50 veces el total de energía eléctrica generado en el país. La Ley para el Aprovechamiento de las Energías Renovables y el Financiamiento de la Transición Energética, establece que para el año 2024 la participación de las fuentes no fósiles en la generación de electricidad será del 35%. SENER

19 SONORA Laboratorio Nacional de Sistemas de Concentración y Química Solar ha realizado diversos estudios, con atención especial en la ciudad de Hermosillo. El proyecto tuvo una inversión cercana a los 11 millones de pesos, otorgados por CONACYT. Mediante el proyecto se determino que el recurso solar promedio diario en todo el país es de aproximadamente 5.5 kilovatios hora (kwh) por cada metro cuadrado. La radiación solar de Sonora similar a la del Sahara. si se aprovechara la radiación solar que reciben mil 793 kilómetros cuadrados del territorio nacional, lo equivalente al uno por ciento de la extensión del estado de Sonora, se obtendrían alrededor de 430 mil 520 gigavatios hora (GWh) al año, energía suficiente para atender la demanda eléctrica de todo México y generar un excedente de casi 100 GWh al año.

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21 VENTAJAS DE LA ENERGÍA SOLAR Ilimitada y abundante No contamina es limpia (18 Ton) Bajo costo de aprovechamiento Adaptable a las necesidades Silenciosa

22 DESVENTAJAS DE LA ENERGÍA SOLAR Necesidad de gran extensión de terreno Altos costos de instalación Poca intensidad solar en algunos lugares

23 CASOS PRÁCTICOS Deshidratado Solar Tiempo, Volumen Deshidratado de combustible fósil Costo Producción de CO 2

24 JUSTIFICACIÓN CCP propuesto Producción de chile en Zacatecas

25 METODOLOGÍA Validación del recurso solar Elección del material Experimentación con inoxidable (durabilidad) Diseño de la parábola Eficiencia del CCP (Ray Tracing) Caracterización del sistema

26 METODOLOGÍA Dimensionado del campo solar Validación del dimensionado Comparativo entre dimensionados Análisis Económico

27 DIMENSIONADO (PROPUESTA)

28 Validacióndeldimensionado PTC PTC Polytrough CPC PTC MEXSOL CAPSOL 1200 Jadhav Vidriales Área de colector (m 2 ) Ángulo de aceptancia ( ) Diametro externo del absorbedor (mm) Concentración geométrica (- ) Eficiancia óptica (-) Modificador de ángulo de incidencia* Incremento de temperatura

29 Resultados Número de CCP Número de filas necesarias Costo de CCPs

30 Dimensionado de un campo solar con captadores Cilindro-parabólicos para climatización en un Hotel de 278 habitaciones en la costa de Almería Dirección: N-S, Número de filas: 32 filas de captadores en seria, agrupados en módulos de 4 accionados por un mismo motor. Con este campo solar se cubre el Demanda energética satisfecha: 76%. Los excesos de energía se utilizan en calentar la piscina climatizada, eliminándose la caldera de propano que actualmente está dedicada exclusivamente a esta función.

31 MÉXICO VS ESPAÑA CONCLUSIONES km² km² km²

32 REFLEXIÓN Tu tiempo es limitado, no lo gastes viviendo la vida de otro. No dejes que el ruido de las opiniones de los demás, ahoguen tu propia voz interior. Ten el valor de seguir tu corazón, el sabe que es lo que realmente quieres ser, cuando lo encuentres el te avisara. Steve Jobs

33 GRACIAS C. a Doctor Yazmani García Ortiz. ygarcia.picyt@ciatec.mx ygarciao@upbicentenario.edu.mx

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35 EVALUACIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR, DE RADIACIÓN SOLAR CONCENTRADA Y DE SISTEMAS DE MEDICIÓN Red de mediciones de la radiación solar para evaluar el impacto real de la alta resolución espacial y temporal (10 m y 1 s) en plantas solares. Estación de medición avanzada para caracterizar la atenuación vertical y superficial de la radiación solar. Medida de flujo de radiación solar concentrada en sistemas de receptor central Referencia en infrarrojos en el rango ºC. Medida de alta irradiancia solar en superficies extensas. Laboratorio de Radiometría para calibración de sensores de alta irradiancia.

36 RECEPTORES CENTRALES Y ENERGÍA SOLAR DE ELEVADA CONCENTRACIÓN Caracterización de Receptores, Reactores, Sistemas de Almacenamiento Térmico y otros equipos asociados a procesos de Producción de Electricidad u otras aplicaciones de calor solar a altas temperaturas (por encima de 1000ºC) y/o con altos flujos solares concentrados (entre 100 y 2000kW/m2). Para ello se dispone de dos campos de heliostatos (10000 y 4000 m2) con dos Torres Centrales incluyendo 4 y 3 Plataformas de ensayo, respectivamente. Análisis, simulación y caracterización óptica de concentradores solares de foco puntual (continuos y/o segmentados) Un horno solar de 60 kw para procesos químicos endotérmicos utilizando concentración solar: horno rotatorio hasta 1500 ºC, lecho fluidizado hasta 1000 ºC y tratamiento de materiales hasta 1100 ºC. Plataforma de ensayo y evaluación de sistemas disco-stirling Sistema de receptor central (250 a 750 kw) para procesos de descarbonización de combustibles fósiles, ciclos termoquímicos, reformado de metano, etc.

37 ENERGÍA SOLAR DE MEDIA CONCENTRACIÓN Planta piloto para la investigación y ensayos de metodologías y componentes de almacenamiento térmico en forma de calor sensible en sales fundidas Banco de pruebas para la caracterización óptica y térmica de captadores solares cilindroparabólicos y sus componentes en orientación E-O (Lazo HTF) Banco de ensayos rotatorio para la caracterización de componentes de captadores cilindroparabólicos (Kontas) Planta piloto para la caracterización óptica y térmica de captadores solares cilindroparabólicos de gran tamaño en orientación E-O y lazos completos de captadores con orientación N-S (PTTL) Banco de pruebas para la caracterización óptica y térmica de captadores cilindroparabólicos de pequeño tamaño (CAPSOL) Planta experimental para la investigación a escala real de la generación directa de vapor en captadores cilindroparabólicos (DISS) Planta piloto para la investigación del uso de gases presurizados como fluido de trabajo en captadores cilindroparabólicos (IFL). Plataforma de ensayo de procesos de producción combinada de electricidad y agua desalada. Dotada de sistema de generación de vapor sobrecalentado (500 kwt) hasta 550 ºC y tren de eyectores de vapor (4) acoplados a planta de destilación multiefecto. Campo de captadores cilindroparabólicos (8 captadores, 230 m2) de pequeña apertura, para suministro de energía térmica (125 kwt) en aplicaciones con temperatura máxima de 220 ºC.

38 Una cavidad adaptada para su uso como horno solar y ensayo de materiales, situada a 45 m de altura, que ha sido utilizada con gran éxito en la reproducción de la rampa de calentamiento, durante su reentrada en la atmósfera, de las piezas del escudo cerámico de los transbordadores espaciales y también en el tratamiento superficial de aceros y otros compuestos metálicos. Una cavidad con un banco calorimétrico de ensayo de receptores volumétricos presurizados a 60 m. Una instalación de ensayo de receptores volumétricos atmosféricos en la parte superior de la torre, a la cota de 80 m. La torre se completa con una grúa en la parte superior con 5 toneladas de capacidad y un elevador montacargas con capacidad para kg.

39 Tecnología y aplicaciones de los sistemas de concentración solar La tecnología solar térmica, se basa en la captura de la radiación solar para su transformación en calor útil. Sistemas que no concentran la radiación Captadores de placa plana y estanques solares o chimeneas solares. Sistemas de concentración Permiten alcanzar temperaturas mayores y debido a este hecho, resultan más eficientes en la conversión de energía desde el punto de vista termodinámico*. Razón de concentración: C = A c A r A c es el área de apertura del concentrador A r es el área de receptor * Incropera FP, Dewitt DP. Transferencia de calor. Nueva Jersey (Estados Unidos): Pearson-Prentice Hall;

40 Descripción de la instalación experimental DISS (DIrect Solar Steam) 40 Característica EuroTrough II LS-3 Apertura (m) 5,76 5,76 Longitud (m) / 25 Eficiencia óptica pico (-) 0,75 0,75 Diámetro exterior absorbedor (m) 0,070 0,070 Diámetro interior absorbedor (m) 0,050 0,50 Rugosidad absoluta de la tubería (m)

41 Ventajas La energía solar es un recurso renovable prácticamente ilimitado. No contamina. Tiene un bajo costo de aprovechamiento. El único costo asociado al uso de la energía solar es el costo de fabricación de los componentes e instalación. Tras la inversión inicial no hay costos adicionales asociados a su uso. Es adaptable a las necesidades. Es limpia. Un sistema de energía solar para generación eléctrica en el hogar puede potencialmente eliminar hasta 18 toneladas de emisiones de gases de invernadero al ambiente cada año. La energía solar opera con sistemas silenciosos. No hay contaminación por ruido. La encuentras en todos lados. Desventajas Los grandes proyectos de generación de energía solar a escala comercial pueden requerir grandes cantidades de tierra. Los costos iniciales de instalación de un sistema de energía solar pueden ser altos comparados con otras alternativas. Sin embargo, como se señaló en el apartado de ventajas, no existen costos posteriores, por lo que la inversión inicial se recupera rápidamente. En algunos lugares la luz solar no tiene la intensidad o no es suficientemente constante para proporcionar un flujo de energía permanente. Este prácticamente no es un problema en México, ya que nuestro país cuenta con una excelente captación de luz solar en prácticamente todo su territorio.

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