Curso Básico de Energías Renovables (9)

CURSO ENERGÍAS RENOVABLES  9/20

Amyca escuela de negocios ofrecemos este curso gratuito en este blog,  basado en nuestro Master en Ingeniería y Gestión de las Energías Renovables, que, si estás interesado en ampliar o actualizar conocimientos, te facilitará profundizar en las distintas materias que lo forman.

LECCIÓN 9: 

ENERGÍA SOLAR TERMOELÉCTRICA. CENTRALES SOLARES DE ALTA TEMPERATURA

1. Aprovechamiento de la energía solar para generar electricidad

Para generar electricidad podemos distinguir dos maneras de aprovechar el Sol:

1.1. Métodos directos. Efecto fotovoltaico

La luz del Sol es convertida directamente a electricidad mediante el uso de las células solares.

1.2. Métodos indirectos. Efecto térmico

Para producir electricidad es necesario recurrir a las denominadas centrales termosolares o centrales solares de Alta temperatura. El principio de funcionamiento de estas centrales es conseguir una alta concentración de la radiación solar sobre una determinada superficie de tal forma que se pueda calentar un fluido térmico lo suficiente para que pueda producir vapor en un generador de vapor. Llegado a este punto, el resto del proceso es similar al de una central térmica convencional con un ciclo de agua/vapor: ese vapor se expande en una turbina que mueve un alternador que produce la energía eléctrica; a la salida de la turbina el vapor se condensa y vuelve al generador de vapor iniciando el ciclo.

2. Centrales de canales cilindro-parabólicos

El canal parabólico es un dispositivo solar de concentración con foco lineal. Está compuesto básicamente por un espejo cilindro-parabólico que refleja la radiación solar directa concentrándola sobre un tubo receptor colocado en la línea focal de la parábola, donde se sitúa el absorbedor. La radiación solar concentrada produce el calentamiento del fluido caloportador que circula por el interior del tubo absorbedor. Este fluido, una vez calentado, produce vapor que acciona una turbina convencional que genera electricidad.

Captador cilíndrico-parabólico

Los componentes principales de un canal cilindro-parabólico son: el reflector cilindro parabólico, el tubo receptor-absorbedor, el sistema de seguimiento del Sol y la estructura metálica que sujeta el conjunto.

El sistema de captación y concentración de la radiación solar es modular. Está formado por filas de canales parabólicos que siguen al Sol en un solo eje, alineadas normalmente en dirección Norte-Sur.

Concentran la componente directa de la radiación solar de 60 a 80 veces en un tubo receptor situado en su eje óptico. Las temperaturas que se alcanzan son de 400 ºC y las potencias de 30 MW a 150 MW en centrales comerciales.

Esquema central cilindro-parabólica

Mediante la utilización de sistemas de almacenamiento térmico se puede producir energía tanto en períodos de baja radiación como tras la puesta de Sol.

En España la mayoría de las iniciativas tienen 50 MW de potencia, por ser el límite establecido para el régimen especial de producción de energía eléctrica, si bien el óptimo se puede encontrar entre 100 MW y 200 MW de potencia nominal.

3. Centrales de receptor central o de torre

En las centrales termosolares de torre central la concentración se produce mediante un gran número de espejos móviles (helióstatos) de gran tamaño, que a lo largo del día siguen el movimiento del Sol en dos ejes, orientándose cada uno de ellos de forma prácticamente continua de tal manera que el reflejo de todos ellos se mantenga fijo en un punto concreto, denominado caldera solar, que se encuentra en lo alto de una torre.

Los componentes principales de un sistema de receptor central son: el sistema concentrador formado por un campo de helióstatos, la torre, el receptor y el sistema de control. Además, el funcionamiento requiere una serie de sistemas y equipos auxiliares.

Esquema central termosolar de torre central

De esta forma se consigue en la caldera una concentración solar muy elevada lo que permite alcanzar temperaturas medias de entre 500 ºC y 800 ºC. Las paredes de la caldera solar están recubiertas de una red de tubos por cuyo interior circula un fluido térmico que se calienta y que permite obtener vapor en un generador de vapor.

Estas centrales tienen además el potencial de generar electricidad con altos factores de capacidad mediante el uso de almacenamiento térmico. Actualmente la solución más utilizada son los tanques de almacenamiento de sales fundidas, que permiten generar energía eléctrica en ocasiones hasta 24 horas al día, o con almacenamiento en vapor que permite operar durante pocas horas.

El tamaño de las centrales en construcción y promoción se sitúa entre los 20 MW a 150 MW, para tecnologías de torre única.

Las primeras centrales comerciales que están abriendo el camino a esta tecnología están en España, y del éxito de estos primeros proyectos dependerá en gran medida su futuro a corto plazo.

4. Centrales de discos parabólicos

Los sistemas de discos parabólicos se componen básicamente de un reflector (o un conjunto de reflectores) con forma de paraboloide de revolución, un receptor situado en el foco de dicho paraboloide y un sistema de generación eléctrica compacto (motor o turbina y alternador), que suele formar un solo bloque con el receptor (unidad de conversión de potencia). La radiación solar concentrada por el paraboloide incide sobre el receptor, donde se convierte en energía térmica que permite generar electricidad en el sistema generador.

Esquema central disco parabólico

Estas centrales consisten en una superficie reflectora con forma parabólica, que, mediante el seguimiento solar en dos ejes, concentran la radiación solar en el foco del paraboloide, alcanzando temperaturas de entre 600 ºC y 1.000 ºC. El fluido calentado en el foco se utiliza generalmente en motores Stirling.

El motor Stirling lleva acoplado un alternador, de manera que dentro de un mismo bloque situado en el foco del disco concentrador se realiza la transformación de la energía luminosa en electricidad que se puede inyectar en la red eléctrica ó bien destinarla a consumo directo en alguna aplicación próxima al lugar de emplazamiento, de forma muy modular.

Los sistemas concentradores de disco parabólico tienen un gran potencial por su capacidad de alcanzar las mayores relaciones de concentración y eficiencia en la conversión de energía solar en eléctrica (hasta 35%), por su gran modularidad, pues cada disco puede tener una potencia de 3 kW a 30 kW, que los hace fácilmente integrables en un concepto de sistema eléctrico basado en la generación distribuida y por su bajo consumo de agua (exclusivamente para limpieza).

5. Centrales de concentradores lineales de Fresnel

Un sistema de concentradores lineales de Fresnel está compuesto por largas filas paralelas de espejos lineales de anchura relativamente pequeña que pueden girar alrededor de su eje longitudinal. Estos espejos, que pueden ser planos o estar curvados elásticamente, concentran la radiación solar sobre un receptor lineal fijo suspendido a una cierta altura sobre el plano de los espejos en la dirección del eje de rotación de los espejos.

El receptor es fijo, a diferencia del de los sistemas de canal parabólico, que se mueve con el concentrador, haciendo necesario el uso de tuberías flexibles o conexiones rotatorias.

Concentrador Lineal de Fresnel

Para aplicaciones de producción de electricidad, por el receptor fluye el fluido caloportador, normalmente agua, que se calienta a temperaturas del orden de 300 ºC. De esta manera se genera vapor, que (al igual que en las centrales eléctricas convencionales) se transforma en energía eléctrica mediante una turbina unida a un alternador.

El principal atractivo de la tecnología de Captadores Lineales de Fresnel reside en su excelente aprovechamiento del terreno y bajo coste potencial, por la utilización de estructuras más ligeras, reflectores más económicos que otras tecnologías y tubos absorbedores más simples, siempre que las temperaturas de operación lo permitan.

A cierre del año 2010 existen varias centrales operativas entre 1 y 5 MW cuya fiabilidad ha sido demostrada y se está construyendo la primera de 30 MW en España. La central de Puerto Errado I (1,4 MW) en Murcia es la primera planta comercial mundial que se realizó con esta tecnología, estando en funcionamiento desde el año 2009.

Ejercicios propuestos:

L9E1 ¿Cuáles son los dos componentes críticos de un sistema termosolar de torre central?

L9E2 ¿Cuál es el sistema termosolar que consigue el nivel de concentración solar más alto?

Pincha con el ratón para ver el video sobre la Plataforma solar de Almería