ARTICULO REVIEW SOBRE LAS TECNOLOGIAS DE CICLO COMBINADO CON INTEGRACIÓN SOLAR. Héctor Jorge Bravo Pastor

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1 ARTICULO REVIEW SOBRE LAS TECNOLOGIAS DE CICLO COMBINADO CON INTEGRACIÓN SOLAR. Héctor Jorge Bravo Pastor Universidad Nacional de Ingeniería Resumen. El siguiente articulo tiene como objetivo dar a conocer las diferentes tecnologías hibridas de energía solar térmica con energía convencional a combustibles fósiles. La energía solar térmica tiene diferentes usos que van desde el calentamiento de fluidos, secado de alimentos hasta la generación eléctrica. En este artículo trataremos sobre la energía solar térmica para la generación eléctrica además le daremos un enfoque hibrido con la combinación de energía térmica convencional, es decir con la generación térmica generada con combustible fósiles. El presente artículo tiene la intención de dar a conocer las diferentes tecnologías hibridas (termosolar + convencional) que existen que van desde el tipo de concentrador solar hasta el tipo de configuración termodinámica. Palabras-clave: Energía solar, Energía termo solar, Csp, Iscc CONTENIDO 1.- Introducción 2.-Nomenclatura 3.- Descripción de tecnologías 3.1- Descripción según tipo de tecnología CSP Descripción según tipo de integración solar 4.- Conclusiones 5.- Referencias 1. INTRODUCCION La energía solar térmica ha sido utilizada mucho antes que la fotovoltaica, pero en un contexto de para la generación eléctrica el desarrollo exponencial de la fotovoltaica en las últimas décadas ha opacado el poco avance de la termosolar. Figura 1- Comparación entre la energía Fotovoltaica y Termosolar en los últimos años.

2 La fotovoltaica en las últimas décadas ha tenido una tendencia creciente debido a que nuevas tecnologías que tienen que ver con el efecto fotoeléctrico han evolucionado de manera rápida. Es tanto así el impacto de la fotovoltaica que en la actualidad que cuando pensamos en energía solar lo que tienen en mente la mayoría de las personas es un panel fotovoltaico. La fotovoltaica es una gran aleada de los países para la reducción de la dependencia energética de combustibles fósiles. Pero no es suficiente para satisfacer la demanda energética actual, una de las principales razones es que esta energía es inmediatamente consumida una vez producida y su generación solo se realiza cuando el recurso se encuentra disponible, es decir solo en las horas del día más no en la noche. Es todo es un gran problema ya que la demanda de energía eléctrica es mayor justamente cuando el recurso solar no se encuentra disponible es decir en la noche. Figura 2- Ejemplo de la demanda de energía eléctrica en el transcurso de un día El almacenamiento de la energía fotovoltaica no es una opción ya que esto económicamente no es rentable ya que las baterías de almacenamiento incrementarían en más del doble el costo de inversión. Esta gran falencia de la fotovoltaica no puede ser compensado por otro tipo de energía renovable a excepción de dos una es la geotérmica y la otra es justamente la que trataremos en este artículo: la termosolar. La energía termosolar a diferencia de la fotovoltaica se le puede adicionar un almacenamiento de energía térmica que en costos comparada con el almacenamiento en baterías electro-químicas es mucho menor. Esta ventaja de la termosolar permite despachar la energía incluso en horas donde no se encuentre disponible el sol, llegando en algunos casos 24 horas de energía eléctrica. La reciente nueva incursión en la tecnología termosolar no ha permito en muchos casos que sea económicamente factible, actualmente se encuentra como una de las energías con mayor inversión. Esto se debe a que estamos en la curva de aprendizaje de este tipo de energía y por eso no existe una producción en masa de esta tecnología como en la fotovoltaica. Los ciclos combinados con integración solar inicialmente fueron propuestos por la compañía española Luz Solar International, los cuales inicialmente se integraron con tecnología de cilindro parabólico combinado con un ciclo combinado, desde entonces esta tecnologia hibrida ha sido investigada ampliamente. La tecnología hibrida de ciclos combinados con integración solar (Integrated Solar Combined Cycle) tiene ventajas en cuanto a la tecnología exclusivamente termosolar (Concentrating Solar Power): (1) La eficiencia de conversión de energía solar a eléctrica es mayor, (2) si los colectores solares son integrados con un ciclo combinado de una planta ya existente, los costos incrementales para una turbina a vapor más grande son menores que el costo total de una planta solo termosolar, (3) las ineficiencias térmicas asociadas con el encendido y el apagado de la turbina a vapor puede evitarse una planta de integración solar, (4) un sistema de almacenamiento de energía no es requerido en un sistema con integración solar, lo que reduce el costo de inversión, (5) La integración solar provee un mejor rendimiento anual. En forma general una planta convencional ISCC tiene tres principales componentes: (1) Ciclo combinado convencional (turbinas a gas y vapor), (2) generador de vapor solar (SSG) y el campo solar. La turbina a gas (ciclo Brayton) puede ser

3 alimentada con combustible fosil (gas natural, diesel, petróleo, kerosene.) o por un combustible renovable (biodiesel, biogás, gas sintetico, etc). La turbina a vapor (ciclo Rankine) es impulsada por el vapor generado del calor residual de escape del ciclo Brayton y el generador solar de vapor. El campo solar consiste de radiación solar, colectores de concentración solar capaces de focalizar una gran área de radiación solar en un fluido de transferencia de calor (HTF). 2. NOMENCLATURA Término Significado en inglés Significado en español CSP Cocentrating Solar Power Energía Solar de Concentración ISCC Integrated Solar Combined Cycle Ciclo combinado con integración solar DSG Direct Steam Generation Generación directa a vapor HTF Heat Transfer Fluid Fluido de transferencia de calor DNI Direct Normal Irradiance Irradiancia directa normal Tabla 1- Definición de acrónimos utilizados en el artículo 3. DESCRIPCIÓN DE TECNOLOGIAS Cuando hablamos de tecnologías de sistemas híbridos con integración solar básicamente vemos dos aspectos los cuales son: (1) Tecnología CSP, (2) La configuración termodinámica. Las investigaciones tienden a centrarse en como la combinación de tecnología CSP con determinada configuración termodinámica es la mejor y más eficiente. Figura 3- Posibles combinaciones entre los tipos de tecnología CSP y las configuraciones termodinámicas

4 Los aspectos anteriores no son los únicos ya que también se puede considerar otras variables como la potencia final de planta (ya que a una potencia especifica con determinada tecnología y configuración termodinámica se pueden tener ventajas). Figura 3- Posibles combinaciones entre los tipos de tecnología CSP, configuraciones termodinámicas y otras posibles variables. DESCRIPCCION DEL TIPO DE TECNOLOGÍA CSP En este parte de los sistemas híbridos con integración solar es exactamente la misma tecnología que se aplica en sistemas íntegramente termo-solares, se tienen actualmente tres tecnologías: LENTES FRESNEL Los lentes convencionales son caros y no son prácticos para fabricar a gran escala. Los lentes fresnel superan todas estas dificultades y han sido empleados ampliamente pata sistemas CPV. Un lente fresnel está hecho de series. Figura-4 Lentes Fresnel

5 CILINDRO PARABÓLICO Son espejos en forma de canal parabólico que producen un foco linear sobre un tubo receptor a lo largo de la línea focal de la parábola como se ilustra en le figura. El montaje completo de espejos más el receptor está montado sobre un bastidor que sigue el movimiento diario del sol en un eje. Movimientos estacionales del sol en otros ejes dan lugar a movimientos laterales del foco linear, que se mantiene en el receptor, pero puede tener algún derrame en los extremos de la fila. Los sistemas de cilindro parabólico usados para la captación de energía térmica a través de receptores de tubos de vacío son actualmente la tecnología CSP de mayor despliegue. En esta configuración, un fluido aceitoso de transferencia de calor se utiliza generalmente para recoger el calor de los tubos receptores y transportarlo a centro principal. Figura-5 Cilindro Parabólico TORRE CENTRAL RECEPTORA Un sistema de Torre central receptora o Torre Solar como popularmente se le conoce implica una serie de heliostatos (grandes espejos con dos ejes de seguimiento) que concentran la luz solar de un receptor fijo montado en la parte superior de una torre, como se ilustra en la figura. Esto permite la sofisticada conversión de energía de alta eficiencia en un solo gran punto de recepción. Relaciones de concentración más altas se dan en este sistema comparado con los sistemas de concentración linear y esto permite a los receptores térmicos operar a mayores temperaturas con reducidas pérdidas. Figura-6 Torre central receptora DESCRIPCCION DEL TIPO DE CONFIGURACIÓN TERMODINAMICA CSP Las configuraciones termodinámicas se dan a diferentes rangos de presión y temperatura según las condiciones que se tengan pero básicamente se dividen en dos: TECNOLOGÍA HTF Acrónimo de Heating Transfer Fluid que se traduce como Fluido de transferencia de calor, esta tecnología consiste en enfriar los colectores solares mediante un fluido que pasa por el tubo del colector. Este calor va a un intercambiador de calor donde allí recién el fluido del colector cede su calor. En algunos casos el calor solar es usado para precalentar y para evaporar del nivel de alta presión.

6 TECNOLOGÍA DSG Acrónimo de Direct Steam Generation que se traduce como Generación de vapor directa, en este caso el vapor se produce en los tubos de los colectores. Cuando ISCC incluye DSG, el calor del sol es a veces usado para precalentar y evaporar; y en otros casos para precalentar, evaporar y sobrecalentar el vapor. El uso de la tecnología DSG está respaldada por su alta eficiencia. 4. CONCLUSIONES En conclusión se pude decir que cada tipo de tecnología tiene sus ventajas y desventajas, y que según las condiciones dadas en el lugar como pueden ser: radiación solar, recurso hídrico, potencia de planta, disponibilidad de combustible, precio de combustible, entre otras pueden hacer que un tipo de tecnología CSP con determinado tipo de configuración termodinámica convenga más en las condiciones dadas. La importancia de este artículo está en el potencial de este tipo de plantas con integración solar para nuestro país, sobre todo para la parte sur del Perú por su alto índice de radiación y próxima llegada de gas natural lo que generaría las condiciones perfectas para poder introducir este tipo de tecnología. Ya que se tendría disminución de las emisiones contaminantes y a la vez una energía económicamente factible, disponible a cualquier hora del día y fiable. REFERECIAS Antonio Rovira, Rubén Barbero, María José Montes, Rubén Abbas, Fernando Varela (2016) Analysis and comparison of Integrated Solar Combined Cycles using parabolic troughs and linear Fresnel reflectors as concentrating systems, 162, Antonio Rovira, María José Montes, Fernando Varela and Mónica (2013) Comparison of Heat Transfer Fluid and Direct Steam Generation technologies for Integrated Solar Combined Cycles (Applied Thermal Engineering), 52, Bandar Jubran Alqahtani y Dalia Patiño-Echeverri (2016) Integrated Solar Combined Cycle Power Plants: Paving the way for thermal solar. Applied Energy, 169, Edmund Okoroigwe, Amos Madhlopa (2016) An integrated combined cycle system driven by a solar tower: A review (Renewable and Sustainable Energy Reviews), 57, Giovanni Manente (2016) High performance integrated solar combined cycles with minimum modifications to the combined cycle power plant design. Energy Conversion and Management, 111, Giovanni Manente, Sergio Rech y Andrea Lazzaretto (2016) Optimum choice and placement of concentrating solar power technologies in integrated solar combined cycle systems. (Renewable Energy), 96, Guangdong Zhu, Ty Neises, Craig Turchi, Robin Bedilion (2015) Thermodynamic evaluation of solar integration into a natural gas combined cycle power plant (Renewable Energy), 74, M.S. Jamel, A. Abd Rahman, A.H. Shamsuddin (2013) Advances in the integration of solar thermal energy with conventional and non-conventional power plants. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 20, Teresita Larraín y Rodrigo Escobar (2012) Net energy analysis for concentrated solar power plants in northern Chile. Renewable Energy, 41,

7 REVIEW ABOUT INTEGRATED SOLAR COMBINED CYCLE Summary. The following article aims to present the different hybrid solar thermal technologies with conventional fossil fuel energy. Solar thermal energy has different uses ranging from heating fluids, food drying up electricity generation. This article will discuss solar thermal energy for electricity generation also will give a hybrid approach combining conventional thermal energy, ie with thermal generation from fossil fuel. This article intends to publicize the different hybrid technologies (solar thermal conventional +) that exist ranging from the type of solar concentrator to the type of thermodynamic configuration. Keywords: Solar energy, solar thermal energy, Csp, Issc