ANÁLISIS TERMODINÁMICO Y SIMULACIÓN DE UNA PLANTA TERMOSOLAR DE COLECTORES CILINDRO PARABÓLICOS

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1 ANÁLISIS TERMODINÁMICO Y SIMULACIÓN DE UNA PLANTA TERMOSOLAR DE COLECTORES CILINDRO PARABÓLICOS José Bruno Moro Begazo Piura, 19 de Febrero de 2010 FACULTAD DE INGENIERÍA Área Departamtal de Ingiería Mecánico-Eléctrica Febrero 2010

2 ANÁLISIS TERMODINÁMICO Y SIMULACIÓN DE UNA PLANTA TERMOSOLAR DE COLECTORES CILINDRO PARABÓLICOS Esta obra está bajo una liccia Creative Commons Atribución- NoComercial-SinDerivadas 2.5 Perú Repositorio institucional PIRHUA Universidad de Piura

3 iii U N I V E R S I D A D D E P I U R A FACULTAD DE INGENIERÍA Análisis termodinámico y simulación de una planta termosolar de colectores cilindro parabólicos Tesis para optar el Título de Ingiero Mecánico-Eléctrico JOSÉ BRUNO MORENO BEGAZO Asesor: Ph D. Ing. Daniel Marcelo Aldana Piura, Julio 2009

4 iv Dedicado a mis padres por todo su apoyo y consejos.

5 v PRÓLOGO El propósito de esta tesis es conocer de manera más detallada otra forma de geración de electricidad como alternativa a las plantas de geración de electricidad convcionales. Además de ser una nueva alternativa para la geración de ergía eléctrica, se utiliza una ergía rovable (radiación solar) como fute ergética, la cual origina una contaminación ambital mínima comparada con la que geran las plantas convcionales de geración de ergía eléctrica. Adicionalmte, esta fute ergética presta la gran vtaja de no ter ningún costo de combustible. En nuestro país exist localidades con las condiciones ambitales adecuadas para la instalación de una planta termosolar, la cual es una opción viable frte a una posible crisis ergética el país. Es importante empezar a difundir el país las vtajas que presta esta tecnología. Mi agradecimito a los profesores del Departamto de Energía de la Universidad de Piura, Dr. Ing. Rafael Saavedra y Mgtr. Ing. Daniel Camacho, por su ayuda la corrección de esta tesis y especial a mi asesor Dr. Ing. Daniel Marcelo por todo su apoyo durante la elaboración de la misma. También un agradecimito a la Universidad de Roma La Sapiza, que proporcionó una liccia de TRNSYS para poder realizar este trabajo. Al Ing. Peter Schwarzboezl del Ctro Aeroespacial Alemán (DLR), qui proporcionó la librería STEC library necesaria para realizar la simulación TRNSYS.

6 vi RESUMEN El preste trabajo de investigación muestra una evaluación termodinámica de una planta de ergía eléctrica a partir de la solar, con la correspondite simulación un programa especializado y con el análisis técnico-financiero. En cuanto a la evaluación termodinámica, se realiza un balance de ergía y de masa de cada uno de los compontes y de la planta global para determinar la influcia del campo de colectores cilindro parabólicos la producción de ergía eléctrica. Se evalúa de igual modo la eficicia térmica de la planta total. Seguidamte, utilizando el programa de simulación TRNSYS se verifica el comportamito de cada uno de los compontes estado transitorio de acuerdo con la ergía solar térmica recibida. Para el análisis técnico-financiero, se realizan simulaciones con un programa especializado elaborado por el NREL (Laboratorio Nacional de Energía Rovable del Departamto de Energía de los EEUU) que permite evaluar difertes configuraciones técnicas y el correspondite análisis financiero, indispsable todo proyecto de inversión. Finalmte, se indican las conclusiones del análisis efectuado, así como las vtajas, desvtajas, perspectivas y limitaciones que tie el uso de esta ergía una realidad como la peruana.

7 vii ÍNDICE PRÓLOGO... v RESUMEN... vi NOMENCLATURA... x INTRODUCCIÓN... 1 CAPÍTULO Fundamtos de ergía solar térmica de alta temperatura para geración de electricidad Tipos de colectores solares de alta temperatura Sistema de receptor ctral de torre Discos parabólicos Cilindro parabólicos Combinación de la tecnología solar y los ciclos de potcia convcionales Colectores cilindro parabólicos Receptor ctral de torre Discos parabólicos Ciclos avanzados para plantas termosolares Plantas termosolares híbridas Colectores cilindro parabólicos Receptor ctral de torre Almacamito Térmico Químico Reformado del metano Recuperación química del amoníaco Fluidos caloportadores Aceites térmicos Sodio líquido Sales fundidas... 28

8 viii 1.6 Optimización de una planta termosolar Expericia la operación de plantas termosolares Colectores cilindro parabólicos Receptor ctral de torre Discos parabólicos Impacto ambital Impacto social Riesgos la instalación de una planta termosolar CAPÍTULO Análisis de los compontes de una planta termosolar Precaltador Gerador de vapor Sobrecaltador Recaltador Condsador Torre de friamito Deaerador Caltadores Turbina Bomba Eficicia total de la planta CAPÍTULO Simulación ergética de una planta termosolar Programa de simulación Modelación TRNSYS Modelación del campo solar Modelación del precaltador, gerador de vapor y sobrecaltador Modelación de la turbina de vapor Modelación de los caltadores... 92

9 ix 3.3 Ensamblaje de los compontes TRNSYS Resultados Campo solar Eficicia del campo de colectores Temperaturas de funcionamito del precaltador, gerador de vapor y sobrecaltador Calor transferido Energía eléctrica de salida Eficicia de la planta termosolar CAPÍTULO Análisis técnico financiero de una planta termosolar Análisis del LEC LEC y el factor de capacidad (CF) Comparación tre distintas tecnologías Posibilidades de reducción de costos Estudio económico de la planta termosolar SEGS VI CONCLUSIONES GLOSARIO BIBLIOGRAFÍA ANEXO A APÉNDICE A APÉNDICE B APÉNDICE C APÉNDICE D APÉNDICE E APÉNDICE F APÉNDICEG. 180

10 1 INTRODUCCIÓN A principio de la década de los 80 se pusieron funcionamito las primeras plantas termosolares para geración de ergía eléctrica (SEGS I-IX). Todas ellas fueron desarrolladas por la empresa LUZ y están ubicadas California, USA. Gracias a estas primeras plantas se ha logrado desarrollar esta tecnología y la actualidad está disponible para ser utilizada cualquier localidad que cute con unas condiciones climáticas adecuadas. En esta tesis se va a desarrollar un estudio de los fundamtos de la tecnología solar, dado que es muy importante empezar a familiarizarse con una nueva forma de geración de ergía eléctrica que cuta con grandes vtajas, como por ejemplo, la muy poca contaminación ambital y el costo de la ergía solar, nulo. Existieron también ciertas desvtajas o inconvites las primeras plantas termosolares instaladas; como por ejemplo: la dificultad de manter una producción constante de ergía eléctrica ya que ésta depde de la radiación solar, por lo cual se hacía imposible la geración de ergía eléctrica durante la noche. Este problema fue solucionado con la creación de un sistema de almacamito térmico, con el cual la planta termosolar tie la posibilidad de gerar ergía eléctrica las 24 horas del día. Otra solución fue utilizar un combustible fósil las horas de baja radiación solar, pero con esta opción la contaminación ambital se hace preste. Adicionalmte a los conceptos fundamtales se realiza un análisis termodinámico de cada uno de los compontes que conforman la planta termosolar y una simulación ergética estado transitorio de la planta para conocer con mayor profundidad su funcionamito. Esta nueva tecnología trae consigo nuevos conceptos financieros, como por ejemplo el LEC, los cuales son necesarios conocer. Es por esto que se realizará un estudio financiero de una planta termosolar para conocer qué conceptos están involucrados y cómo deb ser manejados.

11 2 CAPÍTULO 1 Fundamtos de ergía solar térmica de alta temperatura para geración de electricidad En la actualidad, son pocos los países que proporcionan inctivos a la geración de ergía eléctrica utilizando recursos rovables; tre ellos EE.UU y España. La falta de dichos inctivos le quita interés a las inversiones que se podrían realizar algunos países específicos, ubicados el dominado Cinturón Solar Terrestre, ya que estos pose las condiciones climáticas idóneas para la instalación de una planta termosolar. Es por la falta de estos inctivos que no se están llevando a cabo proyectos con carácter de explotación comercial para promover la instalación de plantas termosolares (con colectores cilindro parabólicos), con la finalidad de reducir costos y simplificar el mantimito de éstas. Las principales formas de reducción de costo son el aporte ergético auxiliar de combustible fósil, es decir, plantas híbridas, acoplamito de los colectores solares plantas de ciclo combinado. Además de utilizar almacamito para plantas termosolares con funcionamito sólo solar y aumtar la durabilidad de los tubos absorbedores. En este tipo de colectores la temperatura máxima que se puede alcanzar está relacionada con el aceite que se utilice como fluido de trabajo, lo que gera una limitación tecnológica 1, pero a pesar de ello la incorporación de las mejoras el diseño, fabricación y de una posible producción masa de dichos colectores por distintos fabricantes, producirían una disminución el costo de producción a mediano plazo. Adicionalmte, a la producción de ergía eléctrica, los colectores cilindro parabólicos pued utilizarse también para otras aplicaciones; como por ejemplo: la geración de calor y vapor para procesos industriales el sector de alimtación, de la industria textil o de la industria del papel. Pero estas nuevas aplicaciones no gozan de un desarrollo tan avanzado como la geración de ergía eléctrica, por lo que sería necesario un fuerte apoyo económico para la investigación y desarrollo (I+D) de estas nuevas aplicaciones. 1 Esta limitación origina que la temperatura máxima que se puede utilizar el ciclo de potcia sea mor que la temperatura máxima del aceite. Esto impide poder utilizar ciclos de potcia más eficites.

12 3 Las plantas termosolares con receptor ctral (ver figura 1.1) no han tido el mismo desarrollo que las plantas con colectores cilindro parabólicos (ver figura 1.6, pág 10) a pesar de que desde los años 80 se ha empezado a trabajar ellas. Con el paso de los años se ha logrado con los distintos proyectos de investigación realizados, ir mejorando los compontes y procedimitos que conforman estas plantas termosolares. Es por ello que actualmte, después de haber superado las fase de escalado y demostración de conceptos, se cutra a punto de comzar la explotación comercial de la primera geración de plantas termosolares de este tipo. Figura 1.1. Planta termosolar con receptor ctral de torre Foto de una planta termosolar. Fute: Las decas de pequeñas plantas experimtales han permitido demostrar la viabilidad técnica y la capacidad para operar estas plantas termosolares con almacamito térmico. La mayoría de expericias se obtuvo de plantas California (Solar One, Solar Two) y España la plataforma solar de Almería. Se estima que esta primera geración de plantas termosolares tga una eficicia del sistema de conversión de ergía solar-electricidad del 23% trabajando el punto de diseño y un 20% anual. Tanto Europa como EE.UU. se ha desarrollado la tecnología de discos parabólicos con motor Stirling, la cual posee una mayor eficicia (25-30%) condiciones normales de funcionamito, que las otras dos. Hay que ter cuta que la eficicia nominal de un motor Stirling está tre 30-40%. Si bi esta tecnología es la más eficite desde el punto de vista de la conversión de radiación solar-ergía eléctrica, su uso está limitado debido a su baja potcia unitaria, inferior a 25 kw, lo que obstaculiza una producción de ergía eléctrica a gran escala.

13 4 Como consecucia, este tipo de tecnología sería muy adecuada para una producción de electricidad autónoma, lugares alejados de la red eléctrica. Se espera que los discos parabólicos compitan con otros sistemas como los fotovoltaicos o los geradores diesel para estas aplicaciones. 1.1 Tipos de colectores solares de alta temperatura Sistema de receptor ctral de torre Este tipo de sistemas conctra la radiación solar, focándola un receptor que se cutra lo alto de una torre. Para ello, se utilizan espejos dominados helióstatos, los cuales se cutran ubicados alrededor de la torre. En la figura 1.2 se muestra un esquema de una planta de este tipo. Figura 1.2. Sistema de receptor ctral de torre Esquema de planta termosolar. Fute: página web Este sistema tie la vtaja de poder alcanzar una mayor relación de conctración 2 comparación con los colectores cilindro parabólicos, lo cual les permite trabajar a temperaturas más altas y con esto poder trabajar con ciclos de potcia más eficites. Se pued alcanzar temperaturas aproximadamte de 1400 ºC por lo cual se está estudiando la posibilidad de implemtar ctrales de receptor ctral con ciclos de turbina de gas o ciclos combinados. Para este caso exist cuatro tipos de receptores, los cuales se difercian por la forma y cómo es absorbida y transferida la ergía solar al fluido de trabajo. 2 Ver glosario (Pág. 144)

14 5 En primer lugar, se tie el receptor exterior, el cual se utilizan unos tubos expuestos al ambite por donde circula el fluido de trabajo. Estos tubos son los cargados de absorber la ergía solar y transferirla al fluido de trabajo que circula su interior. En este caso los tubos recib directamte toda la radiación solar, lo cual podría causar un sobrecaltamito de éstos, pudido ocasionar su deterioro. El segundo tipo de receptor que existe es el receptor de cavidad. En este caso se cuta con una cavidad que alberga a los tubos por donde pasa el fluido de trabajo. De esta forma se protege a los tubos del ambite, lo cual trae como consecucia poder trabajar a temperaturas mas elevadas. Al disminuir el flujo solar que cae sobre ellos, su temperatura de trabajo disminuye. El otro tipo de receptor es el volumétrico. En éste el fluido de trabajo circula una matriz porosa, la cual absorbe la radiación solar. Este receptor tie la vtaja de que la temperatura de trabajo de la pared se reduce debido a que la radiación solar incidte se absorbe una gran superficie y porque el fluido se cutra contacto con la pared que recibe la radiación solar. Esto permite alcanzar conctraciones más altas, lo cual da la posibilidad de trabajar con temperaturas más elevadas. Finalmte, el último tipo de receptor es el de lecho fluido. Para este se utiliza como superficie receptora, unas partículas de material refractario contacto directo con el fluido de trabajo. Con esto se busca reducir las limitaciones existtes de operación por altas temperaturas de la superficie receptora. Todos los receptores a excepción del exterior ti la posibilidad de trabajar a una presión mayor que la presión ambital. Para esto se coloca una vtana, geralmte de cuarzo la apertura, y de esta forma se reduc las pérdidas térmicas de la superficie receptora. El desarrollo de estas plantas con receptor ctral de torre, si bi no ha tido el desarrollo comercial alcanzado por las plantas con colectores cilindro parabólicos, ha tido grandes avances durante las últimas décadas ya que varios países del mundo (EE.UU., España e Israel) se han llevado a cabo implemtaciones y sayos de este tipo de plantas termosolares. Actualmte, los receptores que más se toman cuta para proyectos de plantas termosolares con receptor ctral de torre son los receptores abiertos, de cavidad o volumétricos En este tipo de plantas termosolares se alcanzan conctraciones de veces y los helióstatos realizan un seguimito del sol todo momto elevación y azimut, de tal forma que siempre puedan reflejar los rayos solares dirección al receptor Discos parabólicos Los sistemas con discos parabólicos (ver figura 1.3) utilizan, adicionalmte, un motor Stirling (máquina térmica que teoría puede alcanzar el mayor rdimito térmico) donde la ergía térmica absorbida por los discos parabólicos se convierte ergía mecánica para luego ser convertida ergía eléctrica, de una forma muy similar a la que

15 6 se utiliza plantas de geración eléctrica convcionales las cuales se quema un combustible fósil para obter una ergía térmica que posteriormte será convertida electricidad. En este sistema es necesario ter un seguimito del sol dos ejes para lograr las temperaturas necesarias para una conversión eficite de ergía térmica trabajo. Figura 1.3. Esquema de funcionamito de discos parabólicos Reflector Receptor/Motor Fute: página web En estos sistemas también se utilizan receptores de cavidad. La radiación conctrada por el disco parabólico ingresa al conctrador a través de una apertura (ubicada el foco del paraboloide) y luego incide el absorbedor. De esta manera, se consigue disminuir las pérdidas por radiación y convección, además de disminuir también la ergía térmica incidte sobre el absorbedor. Actualmte, se cutran disponibles dos tipos de receptores: El primero, es el receptor con tubos (por donde circula el fluido de trabajo) directamte iluminados, con lo que se logra una adaptación directa del caltador del motor Stirling. Estos tubos absorb la radiación reflejada y la conviert ergía térmica que posteriormte es transferida al fluido de trabajo. En estos sistemas se alcanzan temperaturas de aproximadamte 800 ºC. Un inconvite de este tipo de receptor es la falta de un flujo de radiación incidte constante el absorbedor, por lo que la temperatura los tubos absorbedores tie picos. Es por esto que se limita la temperatura máxima del fluido de trabajo para previr que sobrepase la temperatura máxima permisible de los materiales. El siguite tipo de receptor es el dominado receptor de reflujo, el cual emplea un fluido adicional para transmitir el calor al fluido de trabajo. Dicho fluido adicional (metal líquido, geralmte sodio) se evapora la superficie del absorbedor y se condsa los tubos por donde circula el fluido de trabajo, transfirido de esta forma la ergía térmica.

16 7 Dtro de estos receptores de reflujo se puede distinguir dos clases: Receptor Pool Boiler. En este receptor se tie el metal líquido almacado siempre contacto con el absorbedor, de tal forma que se vaya evaporando y se dirija al caltador del motor. Receptor tubo de calor. En este caso el líquido metálico ascide por fuerzas de capilaridad por unas mechas situadas la parte posterior del absorbedor, donde se evapora para luego pasar al caltador del motor donde se condsa y por gravedad las gotas de metal líquido ca sobre el absorbedor, para volver a repetir el ciclo. La cantidad de metal líquido requerido es mucho mor que el caso anterior. Las vtajas que prestan los receptores de reflujo son: El tamaño de los receptores es mor, debido a la gran capacidad de transmisión de calor (hasta 800 W/cm 2 ) de los metales líquidos. Se obtie un caltamito más uniforme del fluido de trabajo gracias a la condsación del metal líquido. Lo cual permite trabajar con fluidos de trabajo cuyas temperaturas máximas estén más cercanas a las temperaturas máximas admisibles de los materiales. Evita los compromisos de diseño que exist tre el receptor y el motor que se dan el caso de los receptores de tubos directamte iluminados. Se obti diseños indepdites y se aumta el rdimito. La hibridación 3 del sistema es más scilla. Es importante señalar que 1984 con el sistema de discos parabólicos y motor Stirling (rdimito del motor igual a 41%) se consiguió alcanzar el mayor rdimito hasta la fecha, de conversión de ergía solar a ergía eléctrica (29.4%) un sistema de 25 kw e utilizando como fluido de trabajo hidrógo a 200 bar y con una temperatura máxima del ciclo de 720 ºC. En diversos países del mundo (EE.UU., Alemania, Japón y Rusia) hoy día se están llevando a cabo programas para el desarrollo de este tipo de sistemas (ver figura 1.4). La finalidad es conseguir motores Stirling con vidas útiles de aproximadamte 20 años (lo cual es considerablemte mayor que un motor convcional de automoción) y con un requerimito mínimo de mantimito, lo cual es necesario para que este sistema sea económicamte viable. 3 Ver glosario (Pág. 144)

17 8 Figura 1.4. Instalación para investigación y desarrollo de discos parabólicos con motor Stirling la plataforma solar de Sanlucar La Mayor (Sevilla) Foto de planta termosolar. Fute: Con esta tecnología se pued alcanzar las conctraciones más altas, tre veces Cilindro parabólicos Esta tecnología de colectores solares es la más desarrollada hasta la fecha, gracias a las nueve plantas termosolares (SEGS I-IX) que se construyeron utilizando colectores cilindro parabólicos California los años 80. Gracias a esto se ha podido adquirir una gran expericia el diseño e implemtación de este tipo de ctrales térmicas solares. Es por esto que los últimos años se han realizado múltiples proyectos para la instalación de este tipo de plantas termosolares distintos países del mundo que cut con las condiciones climáticas adecuadas. En este tipo de colectores se utiliza un aceite térmico como fluido de trabajo del campo solar, el cual se cutra dtro del tubo receptor ubicado el foco de la parábola (ver figura 1.5). El tubo absorbe la radiación solar reflejada y éste transfiere la ergía térmica al aceite. Luego, mediante el uso de intercambiadores de calor se transfiere la ergía térmica del fluido de trabajo del campo solar (ver figura 1.6) al fluido de trabajo del ciclo de potcia (agua).

18 9 Este proceso tie un inconvite muy importante debido a que la temperatura máxima del aceite es aproximadamte 390 ºC; para temperaturas más elevadas, el aceite se degrada y como consecucia se tie una limitación la temperatura máxima del ciclo de potcia, es decir, ésta debería ser mor que 390 ºC, hacido que el rdimito de la planta termosolar se vea afectado. Además, el costo de este aceite es elevado. Adicionalmte, exist limitaciones la trasfercia de ergía los intercambiadores de calor que originan un gran consumo de ergía por parte de la bomba que impulsa el aceite por el campo solar. Debido a ésto, el rdimito del campo solar se ve afectado y se reduce por la elevada temperatura media del aceite. Figura 1.5. Esquema de funcionamito de colectores cilindro parabólico Foto de conctradores cilindro parabólicos. Fute: Para eliminar estos inconvites se están llevando a cabo investigaciones para desarrollar la nueva geración de colectores cilindro parabólicos, donde se realice una geración directa de vapor los colectores. Esta tecnología está casi lista, ya que los resultados obtidos demuestran que es una opción viable y es probable que los próximos años se tome cuta para el diseño e instalación de plantas termosolares. Con este tipo de colectores (para ambos casos, uso de aceite o geración directa de vapor) se puede alcanzar una conctración de veces y el seguimito que se realiza al sol es un solo eje paralelo a su línea focal. Es necesario realizar este seguimito pues estos colectores sólo pued aprovechar la radiación directa. En algunos casos cuando se desea alcanzar temperaturas muy altas se utiliza un conctrador secundario, el cual se coloca antes del receptor y se logra aumtar la relación de conctración. Este conctrador secundario se utiliza debido a las limitaciones técnicas o económicas de los receptores principales para alcanzar una determinada relación de conctración. La mayoría de sistemas la actualidad no utilizan un receptor secundario porque las temperaturas que requier no son demasiado elevadas.

19 10 Figura 1.6. Campo de colectores cilindro parabólicos Foto de colectores cilindro parabólicos de una planta termosolar California. Fute: La decisión de incorporar, o no, un receptor secundario depde de aspectos económicos y técnicos como el balance tre las mejoras al aumtar la conctración y pérdidas ergéticas adicionales asociadas al conctrador secundario. 1.2 Combinación de la tecnología solar y los ciclos de potcia convcionales Es sabido que los ciclos de potcia con mayor aplicación la geración de electricidad son el ciclo Rankine, el ciclo Brayton y el ciclo Stirling. Además, cada uno de estos ciclos tie una aplicación el campo de la ergía solar y son aprovechados para la geración de ergía eléctrica (ver figura 1.7). Figura 1.7. Esquema de una planta termosolar Colectores solares Ciclo de potcia Red eléctrica Almacamito de calor (opcional) Hibridación con fósil (opcional) Fute: Elaboración propia

20 Colectores cilindro parabólicos En este tipo de colectores, las temperaturas que se pued alcanzar son relativamte bajas por lo que sólo es posible implemtar ciclos Rankine o los ciclos inferiores de los ciclos combinados de turbina de gas y turbina de vapor. Hasta el día de hoy todas las plantas termosolares instaladas utilizan un ciclo Rankine (ver figura 1.8), pero también se han realizado propuestas para utilizar ciclos combinados apoyados con un aporte ergético suplemtario la parte de baja temperatura del ciclo. Una de las principales limitaciones que existe estos casos es la limitación la temperatura y presión del vapor vivo, las cuales están determinadas por la degradación del fluido caloportador. Lo cual origina una baja calidad de vapor vivo 4. Por ejemplo, el caso de que se utilice como fluido caloportador el campo solar un aceite, este podría llegar a alcanzar una temperatura aproximada de 390 ºC. Luego este aceite pasa por unos intercambiadores de calor y transfiere su ergía térmica para gerar y sobrecaltar vapor a 370 ºC con presiones de 100 bar, el cual sirve para alimtar la turbina del ciclo Rankine. Para eliminar esta limitación se está desarrollando la llamada geración directa de vapor, con lo cual el rdimito de estas plantas aumtaría y se podría seguir utilizando un ciclo Rankine. Con esta geración directa de vapor se crearía unas nuevas limitaciones para la presión y temperatura, las cuales vdrían dadas por los límites de los materiales y las relaciones de conctración de la radiación solar que se pued obter los colectores cilindro parabólicos. Figura 1.8. Esquema de una planta termosolar con colectores cilindro parabólicos Fute: Libro Energía Solar Termoeléctrica, Autor: Tellez, Felix M. 4 Ver glosario (Pág. 144)

21 Receptor ctral de torre En este caso, el ciclo de potcia utilizado también es un ciclo Rankine, con la difercia de que el rdimito térmico de este ciclo es mayor debido a las mayores temperaturas que se pued alcanzar el fluido caloportador el receptor de torre, gracias a la mayor conctración de radiación solar que se puede obter con el campo de helióstatos (ver figura 1.9). La temperatura más alta que se puede alcanzar el receptor ctral es de aproximadamte 550 ºC. Los principales fluidos empleados para la geración de ergía térmica son agua-vapor, sales fundidas, aire y sodio líquido. En la actualidad, las sales fundidas son las que se consideran más apropiadas para ser utilizadas una planta termosolar con receptor ctral de torre trabajando con un ciclo Rankine. Estas sales fundidas absorb la ergía térmica provite del campo de helióstatos para luego pasar a ser almacadas un tanque. Posteriormte, se introduc intercambiadores de calor para precaltar el agua, gerar vapor, sobre caltarlo y ser utilizado el ciclo Rankine. Otra alternativa que está recibido bastante atción es la utilización de aire como fluido caloportador debido al gran potcial que aparta ter. En este sistema se pued alcanzar temperaturas tre ºC. El aire caltado es viado a un gerador de vapor donde precalita, gera y sobrecalita el vapor que se va a utilizar el ciclo Rankine. Por otro lado, se pued alcanzar temperaturas bastante altas lo que permite utilizar un ciclo Brayton empleando una turbina de gas, con lo cual se evidcian ciertas vtajas: Se tie la posibilidad de poder integrar la turbina de gas a un ciclo combinado, donde el ciclo de cola sea un ciclo Rankine alimtado con vapor obtido mediante la radiación solar. Con este sistema se puede alcanzar un mayor rdimito térmico utilizando un alto aporte solar. Se elimina el sistema de vapor y con ello las inercias térmicas relacionadas, con lo que se obtie un planta termosolar con una respuesta más rápida e ideal para horas punta.

22 13 Figura 1.9. Esquema de una planta termosolar con receptor ctral de torre. Fute: página web Discos parabólicos Este tipo de colectores trabaja, adicionalmte, con un motor que funciona siguido el ciclo Stirling. Aunque debido a las altas temperaturas que se alcanzan se han realizado propuestas para implemtar un sistema con una turbina de gas que trabaje según un ciclo Brayton. Los fluidos de trabajo más utilizados estos motores son el hidrógo o helio por sus buas propiedades de transmisión de calor. Hasta la fecha sólo se han llegado a implemtar sistemas que geran bajas potcias, tre 3-50 kw e. Un aspecto no considerado y que es de suma importancia, es el efecto de las condiciones ambitales sobre el funcionamito de las turbinas de vapor y de gas. Para el primer caso un aumto la temperatura de refrigeración conduciría a una disminución considerable del rdimito. En el caso de la turbina de gas, se sabe que el compresor que se utiliza este ciclo se alimta con aire ambite, por lo que al aumtar la temperatura del aire ambite también estaría aumtando la cantidad de trabajo que se necesita para comprimir el aire y el rdimito del ciclo se vería afectado. Esto debido a que la temperatura final de combustión se mantie y la turbina trega una cantidad de trabajo constante. También hay que considerar los efectos de la altura sobre el nivel del mar, aunque ésta no gera un efecto significativo el rdimito del ciclo a pesar de que origina una disminución de la presión ambital. Lo que sí tie un gran impacto sobre el rdimito del ciclo es la disminución de la dsidad del aire, ya que esto afecta la potcia que puede gerar la turbina de gas.

23 14 Una estrategia para contrarrestar el efecto de la temperatura ambite es el uso de agua para refrigerar el aire antes de que éste tre al compresor. Esto es muy útil cuando se trabaja localidades cálidas Ciclos avanzados para plantas termosolares Exist diversas propuestas para implemtar plantas termosolares con ciclos de potcia difertes a los convcionales, dominados ciclos avanzados, tre ellos se tie, el ciclo Brayton Regerativo, el ciclo Brayton Regerativo e Interrefrigerado, ciclo Brayton Regerativo Recaltado e Interrefrigerado, tre otros. La vtaja principal de estos ciclos avanzados es que se pued alcanzar mayores rdimitos (alrededor de 50%) que los alcanzados con los ciclos convcionales. La mayor inversión una planta termosolar es la del campo solar; tonces, si se utilizaran ciclos más eficites, el tamaño del campo solar se reduciría y con ello el costo de instalación de la planta sería mor (a pesar de que el uso de ciclos mas eficites implica una mayor inversión), además de disminuir el costo de la electricidad gerada. Hasta la fecha no se ha realizado ninguna instalación utilizando ciclos avanzados plantas termosolares, pero se cree que ti el potcial de disminuir el coste de la geración de electricidad utilizando ergía solar. Si bi estos ciclos avanzados no son nuevos, no fueron utilizados las primeras plantas termosolares con la intción de reducir el riesgo tecnológico que debe asumir el inversionista. En el área de las turbinas de vapor, la principal limitación tecnológica se cutra las elevadas presiones que se necesitaría para aumtar el rdimito una turbina de ciclo Rankine. Esto se debe a la resistcia de los materiales, la cual limita la temperatura a la que se puede trabajar. En algunos casos se podría utilizar materiales más resisttes como el acero austítico (temperatura máxima 650 ºC) pero su uso no queda económicamte justificado. A continuación se detalla el ciclo Brayton regerativo, recaltado e interrefrigerado ya que se puede alcanzar el mayor rdimito de ciclo, que se cutra el ord de 56%. Este ciclo puede ser utilizado con colectores cilindro parabólicos o con receptor ctral de torre. Se puede ver la figura 1.10 un esquema de una planta termosolar de receptor ctral de torre, la cual trabaja siguido un ciclo Brayton regerativo, recaltado e interrefrigerado híbrido. La hibridación se puede llevar a cabo con un combustible fósil o con biomasa, sido este último caso el ideal ya que se estaría trabajando completamte con ergías rovables.

24 15 Figura Ciclo Brayton regerativo, recaltado e interrefrigerado, híbrido Fute: Libro Optimización de acoplamito tre subsistema solar y ciclo termodinámico plantas termosolares, Autor: Garcia Casals, Xavier. En la figura 1.11 se puede observar el diagrama T-s del ciclo anterior para una temperatura final de combustión de 1500 K, una relación de compresión de 11, temperatura de trada a los compresores igual a 40 ºC y una tecnología solar que proporcione una temperatura de 1050 ºC. Con estas condiciones de trabajo el rdimito del ciclo es de 55.8%. Para este ciclo se prestan dos posibilidades para realizar la hibridación: Ciclo con aporte solar el caltador principal y el recaltador. Ciclo con aporte solar sólo el caltador principal, con lo cual el recaltamito se realiza exclusivamte mediante la combustión de combustible fósil o biomasa. Ahora para cada uno de estos casos existe también dos posibilidades: T 4r = T 4 : Con esta igualdad se logra ter el máximo rdimito del ciclo y el máximo trabajo específico, pero con mores fracciones solares 5. T 4r < T 4 : Con esta desigualdad se puede ter mayores fracciones solares sin necesidad de requerir grandes volúmes específicos el receptor. 5 ver glosario (Pág. 144)

25 16 Figura Diagrama T-s del ciclo Brayton regerativo, recaltado e interrefrigerado, híbrido Fute: Libro Optimización de acoplamito tre subsistema solar y ciclo termodinámico plantas termosolares, Autor: Garcia Casals, Xavier. El inicio de este ciclo se da a la salida del regerador, donde el aire se calita hasta la máxima temperatura posible que se puede obter con la tecnología solar utilizada. Es necesario realizar un sobre-caltamito para poder alcanzar la temperatura de diseño de la turbina de gas, para lo cual se utiliza un combustible fósil o biomasa. Hay que ter cuta que la relación de compresión se determina a partir del compromiso que exista tre el rdimito térmico del ciclo, la fracción solar de diseño y los requerimitos de la tecnología de receptor ctral de torre utilizada. Como mcionado anteriormte, una planta termosolar híbrida, se utiliza un combustible fósil o biomasa para elevar la temperatura del fluido de trabajo hasta un valor adecuado para que tre la turbina de gas, cuando la radiación solar está por debajo de las condiciones de diseño. En este caso, se usa la radiación solar para realizar un precaltamito. No es recomdable que la planta termosolar trabaje sólo con radiación solar si es que con ésta no se llega a alcanzar la temperatura necesaria del aire para la trada a la turbina, ya que el rdimito se vería afectado. Tampoco sería convite trabajar sólo con aporte de combustible fósil ya que la planta estaría funcionando como una planta termoeléctrica.

26 17 Esta planta termosolar presta algunas vtajas: Utiliza un ciclo Brayton que tie un mayor rdimito y trabajo específico. Las curvas de rdimito y trabajo específico función de la relación de compresión son las que ti variación lta (más planas) de todos los ciclos Brayton. Esto proporciona un gran marg para poder elegir la relación de compresión y ter cuta otros puntos de diseño y optimización del receptor solar. No se necesita agua tratada el ciclo. La refrigeración se puede llevar a cabo con aire ambite, agua no tratada o aire refrigerado. Con este ciclo se puede obter uno de los rdimitos más altos alcanzados hasta la actualidad. Se puede refrigerar el aire a la trada del compresor primario y del secundario, lo que permitiría ter un mejor funcionamito de la turbina de gas. Con esta refrigeración se evitan los problemas que causa sobre la turbina de gas una temperatura ambite elevada. Se prestan dos problemas fundamtales que limitan el uso de estas plantas termosolares: No hay disponibilidad comercial de turbinas que puedan operar bajo este ciclo, pero se pued realizar modificaciones a turbinas de gas comerciales para que oper este ciclo. Se necesita una tecnología solar capaz de alcanzar temperaturas muy elevadas para poder obter fracciones solares de diseño significativas. Esto se debe a la alta temperatura de salida del lado calite del regerador, producida por el recaltamito. 1.3 Plantas termosolares híbridas Las plantas termosolares indicadas anteriormte, operan con un ciclo de potcia convcional, el cual permite que se realice una hibridación con un combustible fósil. Esta posibilidad de funcionamito híbrido trae consigo ciertas vtajas indicadas a continuación: Mor intermitcia de funcionamito. Permite que la planta termosolar aumte las horas de geración de ergía eléctrica y no se limite únicamte a las horas que hay sol.

27 18 Un funcionamito híbrido permitiría a la planta termosolar acceder a ciclos de potcia con mayores rdimitos, lo que traería consigo un aumto del rdimito de la conversión de radiación solar a ergía eléctrica. Permite disminuir el precio de la geración de electricidad y también los riesgos asumidos por el inversionista. Proporciona una viabilidad económica para la instalación de plantas termosolares vez de instalar plantas termosolares con funcionamito sólo solar con gran capacidad de almacamito. 6 Mayor fiabilidad de producción ergética. En una planta híbrida se tie la posibilidad de separar la geración de electricidad del campo solar, lo cual permite que se trabaje a una potcia constante sin importar las variaciones de la radiación solar. Además de aumtar el rdimito del ciclo de potcia y eliminar los transitorios relacionados con la variación de la radiación solar. Mejora el aprovechamito exergético del combustible fósil. El aporte de ergía solar a una planta térmica de combustible fósil ayuda a disminuir las irreversibilidades que se produc las plantas térmicas convcionales, llevando a un mayor aprovechamito del combustible fósil utilizado (mayor electricidad gerada por unidad de combustible fósil usado). Posibilidad de no implemtar un sistema de almacamito térmico, reducido de esta manera la inversión inicial y volvido más atractiva esta posibilidad de inversión. Exist diversas formas o esquemas para realizar la hibridación y cada una de ellas tie sus vtajas e inconvites como se detalla a continuación: Hibridación redundante. Se tie flexibilidad el esquema ergético y se tie además la posibilidad de adaptar una máquina térmica a la fute ergética. Se presta el inconvite de requerir una mayor inversión y el factor de capacidad de la planta termosolar es bajo. Hibridación paralelo (igualdad de temperaturas). La planta termoeléctrica siempre recibe ergía térmica las mismas condiciones y puede operar modo solar, fósil o híbrido para cualquier fracción solar de diseño. Se requiere un mor coste de inversión y se tie un factor de capacidad mayor. Para este caso se ti limitaciones originadas por la tecnología solar. El aprovechamito de la exergía del combustible es mor que una planta convcional. 6 Estos conceptos se ampliarán el Capítulo 4

28 19 Hibridación paralelo (temperatura sistema fósil > temperatura sistema solar). Se puede operar modo sólo solar, fósil o híbrido para cualquier fracción solar de diseño, además de ter un bu aprovechamito de la exergía del combustible funcionamito sólo fósil. Se prestan irreversibilidades mezclas a distintas temperaturas funcionamito híbrido y exist restricciones el ciclo termodinámico para el funcionamito sólo solar. Hibridación por suplemto solar. Puede operar cualquiera de las tres formas. No exist límites para la geración con combustible fósil y se tie un bu aprovechamito de la exergía del combustible funcionamito fósil. Si se trabaja funcionamito sólo solar, parte de la planta de potcia no se utiliza. En este esquema existe la dificultad de manter rdimitos elevados funcionamito sólo fósil. Hibridación por precaltamito solar. Puede operar cualquiera de las 3 formas. La tecnología solar no impone ninguna restricción sobre la planta termosolar. Se tie la posibilidad de manter el funcionamito de la planta termosolar el punto de diseño para cualquier aporte solar. Se presta el inconvite de un bajo rdimito funcionamito sólo solar. Además de estos esquemas se puede hacer otra clasificación, la cual se basa la estrategia de diseño de la planta termosolar híbrida. En este caso se tie dos opciones: Incremto de potcia. Para este caso se sobredimsiona la turbina de vapor para que trabaje con un consumo constante de combustible fósil y que utilice el aporte solar cuando éste se cutre disponible. Se debe ter cuidado a la hora de realizar este sobredimsionamito ya que si es mucho, se podría prestar el problema de que el rdimito baje (cuando no hay aporte solar) a causa de trabajar a carga parcial muy alejada del punto de diseño. Es aconsejable que se sobredimsione tre un 25-50%. Ahorro de combustible fósil. En este caso se utiliza el aporte solar para determinar la cantidad de combustible fósil que se debe quemar, es decir, para un aporte solar alto se quemará una mor cantidad de combustible que el caso de poco aporte solar. En ambos casos la potcia de salida será la misma (constante) Colectores cilindro parabólicos La mayor expericia que se tie plantas termosolares con colectores cilindro parabólicos, son las plantas termosolares SEGS, las cuales se plantearon algunas formas de realizar la hibridación. Sido principalmte tres:

29 20 Caltador fósil de aceite En este esquema, se utilizan únicamte intercambiadores de calor aceite caloportador / agua como interfase tre las futes térmicas y el ciclo de potcia. Adicionalmte, se tie un caltador fósil de aceite, paralelo con el campo de colectores cilindro parabólicos, que suministra ergía térmica cuando el aporte solar no es suficite para trabajar el punto de diseño. En este caso también exist limitaciones, como por ejemplo, que el aporte fósil se ve restringido por las limitaciones de la tecnología solar, con lo cual no es posible aumtar la calidad del vapor vivo gerado el funcionamito híbrido y por el contrario la tecnología solar paliza el funcionamito híbrido originando una pérdida considerable de la exergía del combustible. Además existe otra limitación importante la cual el combustible fósil sufre las pérdidas los intercambiadores de calor aceite/agua. La vtaja principal de este esquema es que se logra una mayor agilidad el funcionamito del caltador de aceite respecto a la caldera de agua, con lo cual disminuy las pérdidas térmicas relacionadas con el caltamito de la caldera. Caldera fósil paralelo con sistema solar Este esquema consta de un sistema solar acoplado paralelo/serie con una caldera de combustible fósil, capaz de complemtar o reemplazar el aporte solar. De esta forma la planta puede trabajar de cualquier modo (sólo solar, sólo fósil o híbrido) con lo cual se amplía la funcionalidad de la planta de acuerdo a los requerimitos de la red eléctrica a la que se cutre conectada y ya no se limitaría únicamte a trabajar las horas que hay sol. La vtaja de utilizar una caldera ya sea funcionamito sólo fósil o híbrido permite aumtar la calidad del vapor gerado con lo cual se consigue emplear de una mejor manera la exergía del combustible utilizado. Hay que ter cuta que este caso las limitaciones de temperatura máxima que se puede obter con la tecnología solar no perjudican a la planta con un desperdicio de exergía del combustible. Sobrecaltador de gas natural Para este esquema el precaltamito y la evaporación del agua se lleva a cabo con la ergía térmica obtida de la ergía solar. Luego se pasa al sobrecaltador fósil donde se aumta la temperatura del vapor vivo y como consecucia de esto aumta el rdimito del ciclo. En este esquema se presta la vtaja de eliminar la limitación de la máxima temperatura solar sobre el ciclo, con lo cual la temperatura del vapor vivo es indepdite de la temperatura que pueda ofrecer el campo solar. La desvtaja que presta este esquema es que la planta no puede trabajar únicamte con aporte fósil, necesariamte tie que utilizar el aporte solar. Este problema se podría eliminar si se implemta un sistema de almacamito térmico.

30 Receptor ctral de torre En esta tecnología, para el caso que se utilizan sales fundidas como fluido caloportador, la hibridación se lleva a cabo un gerador de vapor que utiliza combustible fósil ubicado paralelo con el gerador de vapor solar. En cambio, si se utilizara aire como fluido caloportador, la hibridación se produciría con un quemador de combustible fósil serie con el aporte solar. Dicho quemador estaría ubicado la trada del aire caltado (por el receptor ctral de torre) al gerador de vapor. 1.4 Almacamito Térmico Dtro de todas las formas de almacamito de ergía (cinética, potcial, eléctrica, térmica y química), el almacamito térmico es el más común para el caso de plantas termosolares. Esto se debe a que de esta forma se evitan las pérdidas por conversiones producidas por el uso de otro medio de almacamito que no sea térmico, además de eliminar las complejidades que se deberían añadir al sistema. La capacidad de poder almacar la ergía térmica producida por el campo solar permite aumtar la viabilidad económica de una planta termosolar, además de permitir desacoplar la ergía térmica que se obtie los colectores, de la geración de electricidad. Si no se contara con un sistema de almacamito o con un respaldo de algún combustible fósil para la geración de electricidad, ésta se vería influida únicamte por la radiación solar directa que no es constante todo el tiempo sino que varia a lo largo de la vida útil de la planta. Esto traería como consecucia que durante periodos de baja radiación solar directa la geración de electricidad no sea la necesaria para cubrir la demanda de los usuarios. Se puede decir que el sistema de almacamito actúa como amortiguación tre las condiciones cambiantes de la radiación solar y la demanda exterior. Para evitar esto es recomdable que se utilice uno de estos dos sistemas, sido preferible optar por el sistema de almacamito ya que este no contribuye con emisiones de CO 2 a la atmósfera. Además se debe ter cuta que la actualidad el almacamito térmico no tie ninguna dificultad tecnológica, lo que quiere decir que se puede alcanzar un tiempo de almacamito de 24 horas al día, siempre y cuando se elija de manera correcta el múltiplo solar 7. Hay que ter cuta que dicho múltiplo solar debería ser mayor los meses de invierno debido a la mor radiación solar que se produce durante estos meses. Por ejemplo, una planta termosolar que tie un múltiplo solar = 2,8 para funcionar durante 24 horas a la potcia eléctrica de diseño durante el verano, podría trabajar durante 12 7 ver glosario (Pág. 144)

31 22 horas al día a su potcia eléctrica de diseño durante los meses de invierno. Si se requiere que la producción durante el invierno sea de 24 horas al día, el múltiplo solar debería aumtar a 5. Para este caso se puede utilizar un múltiplo solar de 5, con lo cual época de verano se obtdría una ergía térmica mayor a la necesaria. Con lo que se puede hacer operar la planta a más del 100% 8 de carga o bi se deja de utilizar una parte de los colectores. En el diseño de una planta termosolar debe elegirse una combinación múltiplo solar con capacidad de almacamito que optimice el rdimito de la planta. Uno de los puntos que se podría tomar cuta para la optimización de la planta termosolar es el rdimito total anual de conversión de ergía solar ergía eléctrica (no tie que tomarse siempre este parámetro para la optimización, puede optarse por otros como el coste de la electricidad producida o proporcionar estabilidad al sistema eléctrico, tre otros). Para este caso, algunos de los factores que influy son los siguites: El aumto de la capacidad de almacamito para un múltiplo solar dado, daría la posibilidad de poder aprovechar más radiación solar directa, con lo cual se aumtaría el rdimito del sistema solar. El aumto del múltiplo solar significaría un aumto las horas que el ciclo de potcia podría trabajar a la potcia de diseño ya que se cuta con más ergía térmica, aumtando el rdimito del ciclo. Si se aumta el tamaño del campo solar, se reduce el rdimito del sistema colector, debido al aumto de las pérdidas ergéticas él. Si se aumta la capacidad de almacamito también aumtarán las pérdidas térmicas desde el mismo, además de las pérdidas ergéticas asociadas al proceso de carga-descarga del fluido de almacamito y las pérdidas parásitas causadas por el bombeo de los fluidos caloportadores. Exist varias opciones para llevar a cabo el almacamito de la ergía térmica proporcionada por el campo solar: Emplear el fluido de trabajo como fluido de almacamito. Para este caso, se puede emplear uno (ver figura 1.13) o dos (ver figura 1.12) tanques de almacamito. En el caso de utilizar un solo tanque, el sistema sería el más interesante desde el punto de vista termodinámico debido a que caso ocurra una estratificación térmica, los intercambios de ergía se llev a cabo con una mor difercia de temperatura, lo cual origina un aumto del rdimito ergético del tanque. Este tipo de almacamito es también llamado almacamito directo. 8 Ver bibliografía, libro: La ergía solar térmica de alta temperatura como alternativa a las ctrales térmicas convcionales y nucleares, pág. 102