En las centrales de receptor central o de torre de energía solar, la radiación es reflejada por unos espejos llamados heliostatos y concentrada hacia un receptor situado en la parte alta de una torre donde calienta al fluido de trabajo, poniendo en funcionamiento el circuito agua-vapor para la
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producción de electricidad. Un esquema de planta con almacenamiento térmico se muestra en la siguiente figura (Figura 3.5) [14]:
Figura 3.5. Esquema de una planta de receptor central con sistema de almacenamiento térmico [29]
Campo Solar
El campo de heliostatos es un conjunto de espejos planos o levemente cóncavos que operan de forma independiente y cuya función es reflejar la radiación que les llega sobre el receptor. Las partes que componen un heliostato son [14]:
Superficie reflectante. El área de reflexión de un heliostato no es realmente un único espejo, sino que está compuesto por varios de ellos, siendo habitual que esté comprendida entre los 100 y los 150 𝑚2. El espesor de los espejos es de unos 5 mm, con una reflectividad en torno al 92 % y un factor de interceptación (fracción de la radiación reflejada por el espejo que interceptada por el receptor) cercano al 97 %.
Sistema de soporte y seguimiento. Es una estructura móvil cuya función es aguantar las cargas a las que se encuentre sometido el heliostato, tales como el viento o su propio peso, al mismo tiempo que se orienta hacia el Sol para que la incidencia de sus rayos sobre los espejos se realice de forma óptima. Dicha orientación se realiza mediante un sistema de dos ejes, siendo difícil su control debido a la cantidad de heliostatos que componen el campo solar y que trabajan de forma independiente.
Según como se dispongan los heliostatos en torno a la torre, se distinguen dos configuraciones básicas [14]:
Campo norte. Los heliostatos se colocan al norte de la torre. Esta configuración es propia de centrales situadas en el hemisferio norte a latitudes elevadas, ya que cuanto mayor sea la latitud, menor ángulo de incidencia y mayor eficiencia óptica se consigue (Figura 3.6).
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Campo circular. Los heliostatos forman un círculo alrededor de la torre, situándose esta un poco al sur respecto al centro del círculo. Presenta la ventaja respecto a la configuración campo norte que para una misma potencia requiere una torre de menor altura, con el ahorro económico que eso supone (Figura 3.7).
Figura 3.6. Imagen de la planta PS 10 situada en Sanlúcar la Mayor (Sevilla) [30]
Figura 3.7. Imagen de la planta Gemasolar situada en Fuentes de Andalucía (Sevilla) [31]
El campo de heliostatos posee un bajo coeficiente de utilización del terreno, ya que por cada metro cuadrado de superficie reflectante se necesitan entre cinco y ocho metros cuadrados de terreno,
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disminuyendo el rendimiento óptico de los espejos cuanto más grande sea el campo solar por estar más alejados del receptor. Además, el campo de heliostatos supone el 50 % de la inversión inicial y hasta un 50 % de las pérdidas energéticas anuales de la planta [14], [32].
Receptor
El receptor tiene como función aumentar la temperatura del fluido de trabajo mediante la transformación de la radiación concentrada que le llega en energía térmica. Debido a la elevada relación de concentración (200-1.000 o aun mayor) y al flujo incidente que llega a su superficie (200-1.000 kW/m2), el receptor puede llegar a superar los 1.000 ºC. Es por esto que se emplean en su fabricación determinadas aleaciones metálicas o materiales cerámicos capaces de trabajar a elevadas temperaturas [14], [30].
Los receptores se pueden clasificar de diversas formas, siendo las principales las siguientes: Según su ubicación [14]:
Receptor externo. Los receptores externos son aquellos cuya superficie de absorción se encuentra en la propia pared exterior de la torre. Según la forma de los paneles tubulares que forman su superficie pueden ser:
- Planos.
- Semicilíndricos. - Cilíndricos.
Receptor de cavidad. Se denominan receptores de cavidad a aquellos cuya superficie de absorción se encuentra en un hueco interior de la torre. Presentan la ventaja respecto a los externos de que poseen menores pérdidas térmicas, pero sufren mayores pérdidas de desbordamiento (relacionadas con un menor factor de interceptación). Según su diseño:
Superficiales o Tubulares. El fluido de trabajo circula y es calentado por el interior de unos tubos sobre los que incide la radiación solar. Pueden disponer de una placa para aumentar la superficie de absorción a cambio de tener mayores pérdidas por conducción [14].
Volumétricos. Este receptor es propio de aquellas centrales en las que el fluido de trabajo es un gas, normalmente aire. Consiste en una estructura porosa sobre la que incide la radiación y es atravesada por el gas, calentándose la estructura por la radiación y esta a su vez calienta al gas mediante convección [33].
Según el fluido de trabajo utilizado:
Sales fundidas. El uso de sales inorgánicas fundidas como fluido de trabajo presenta dos ventajas principales: elevada temperatura del vapor (sobre los 565 ºC) y posibilidad de almacenamiento térmico. Por un lado, a mayor temperatura de trabajo del vapor, mayor rendimiento, y por otro lado, si se usan las sales como sistema de
47 almacenamiento térmico, se reducirá la dependencia de las condiciones meteorológicas relativas a la radiación incidente [32].
Agua. Las centrales termosolares que calientan el agua directamente mediante la concentración de la radiación son llamadas centrales de generación directa de vapor (GDV). La principal ventaja que presentan es que únicamente disponen del circuito agua-vapor, con el consecuente ahorro en costes de inversión inicial y de mantenimiento al no requerir ninguno de los equipos involucrados entre el fluido de trabajo intermedio y el agua. En este tipo de centrales el vapor alcanza una temperatura cercana a los 540 ºC, y es junto con las sales fundidas los únicos fluidos de trabajo empleados en plantas comerciales actualmente [30].
Gases. Tal como se ha comentado antes, el aire es el gas usado más frecuentemente, pudiéndose usar tanto para calentar el agua de un ciclo Rankine como para suministrar aire caliente en un ciclo Brayton. Sus principales ventajas son su disponibilidad y las temperaturas más altas que alcanza (hasta los 700 ºC), mientras que su principal inconveniente es el bajo coeficiente de transferencia de calor [32].
Partículas sólidas. Con el fin de alcanzar temperaturas más altas para el vapor (superior a los 700 ºC) y sistemas de almacenamiento térmico más económicos se han estado realizando pruebas con partículas sólidas, tales como cerámicas y de base sílice (arena). El calentamiento de estas partículas puede realizarse con la radiación incidiendo directamente sobre ellas, o bien de forma indirecta a través de una superficie, existiendo diferentes diseños de receptores para llevarse a cabo: de caída libre, centrífugo, fluidizado, etc. La Figura 3.8 muestra un esquema de este tipo de receptor con sistema de almacenamiento térmico integrado [34].
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