Como ya hemos comentado, los sistemas de torre, o receptor central, son sistemas constituidos por un campo de heliostatos que reflejan la irradiación solar hacia uno o varios focos situados en la parte superior de una torre. Los
órdenes de concentración son de 200 a 1000 soles2 y las potencias por sistema
desde 2.5 MWt en el caso de los prototipos hasta 200 MWt para grandes
plantas comerciales.
2 C=1000 soles =1000 DNI (1000 veces la irradiancia solar directa)
La Figura.1.6 muestra un esquema simplificado de una planta solar termoeléctrica de receptor central con dos cavidades, donde pueden distinguirse las diferentes partes de las que puede estar compuesto un sistema de torre.
Figura 1.6 Planta solar termoeléctrica de receptor central
El intercambio radiativo-convectivo se produce de forma centralizada en un intercambiador de calor o receptor ubicado en lo alto de la torre. Los altos flujos de irradiación concentrados sobre la torre, típicamente entre 300 y 1000
kW/m2, permiten trabajar a altas temperaturas e integrarse en ciclos más
eficientes de forma escalonada, y admiten fácilmente el funcionamiento híbrido, combinando el calentamiento solar con otra fuente convencional de calentamiento (gas natural, biodiesel, etc.) en una gran variedad de opciones. Las plantas solares de receptor central tienen además el potencial de generar electricidad con altos factores de capacidad mediante el uso de almacenamiento térmico, pudiéndose así superar ya en la actualidad las 4500
horas equivalentes al año3. El factor de capacidad es el cociente entre la
3 Horas del año durante las cuales la turbina de la planta opera a su potencia nominal.
1.Heliostatos 2. Torre central 3.Cavidad 4.Evaporador 5.Calderín 6.Sobrecalentador primario 7.Sobrecalentador secundario.
8.Sistema de apoyo fósil
energía que genera la planta, durante el número de horas de funcionamiento de la turbina, y la cantidad de energía que generaría dicha planta si funcionara a máxima potencia las 24 horas del día.
Tras la etapa compuesta por los equipos propiamente solares, concentrador óptico y receptor solar, el esquema utilizado es muy similar al de las tecnologías termoeléctricas convencionales. El esquema general de la Figura 1.7 ilustra los procesos que tienen lugar en centrales solares termoeléctricas. En este sistema se ha incluido una unidad de almacenamiento y otra de apoyo de energía fósil, lo que eventualmente puede permitir complementar la potencia generada por irradiancia solar, en el caso de que el perfil de demanda sea superior al aporte energético solar.
Figura 1.7 Esquema general de los procesos en centrales solares termoeléctricas
En estas plantas existen dos partes perfectamente diferenciadas, el sistema receptor de energía y el sistema concentrador de energía solar.
i. Sistema receptor de energía
El sistema receptor de energía se sitúa en lo alto de la torre de nuestra planta
y va a jugar el papel de caldera dentro de nuestro ciclo termodinámico. Los receptores se pueden clasificar de muchas maneras, dependiendo de si existe o no absorbedor, del tipo de absorbedor que se trate, del fluido de trabajo, y de la configuración general, existiendo de esta manera una gran variedad de opciones de diseño.
A. Presencia de absorbedor
a) Receptor de Intercambio Indirecto de Energía: cuando existe un material
absorbedor encargado de transferir la energía solar al fluido de trabajo.
b) Receptor de Intercambio Directo de Energía: cuando no existe un
absorbedor como tal si no que es el propio fluido de trabajo el que se somete a la irradiación solar.
B. Tipo de intercambio térmico
a) Receptor de tubo: actúa como un intercambiador de calor recuperativo.
Los tubos reciben la irradiación solar en su parte exterior, conducen la energía a través de sus paredes y la transmiten al fluido térmico que circula por su interior. Dentro de este tipo podemos considerar dos diferentes receptores:
a.1 Receptor de tubos de cavidad: el absorbedor de tubos se encuentra en lo alto de la torre dentro de un “hueco o cavidad” cuyo tamaño viene delimitado por el propio absorbedor, que se apoya sobre la cavidad formando las paredes de ésta; el techo y el suelo son generalmente de material aislante y además refractario. La cavidad cuenta con una apertura de dimensiones limitadas por donde entra la irradiación solar reflejada por los heliostatos. La opción de receptor dentro de una cavidad permite reducir las pérdidas por convección y radiación del sistema. Podemos ver un ejemplo de ese tipo de receptores en la Figura 1.8.
a.2 Receptor exterior de tubos: los tubos absorbedores se disponen externamente, formando la superficie lateral del receptor. Las pérdidas térmicas al exterior por convección y radiación son mucho mayores que en los receptores de cavidad. En la Figura 1.9 podemos ver un ejemplo de este tipo de receptores.
Figura 1.8 Receptor de tubos en cavidad Figura 1.9 Receptor de tubos exterior
b) Receptor volumétrico: actúa como un intercambiador de calor,
transfiriendo la energía térmica por convección al aire que pasa a través de un absorbedor metálico o cerámico que puede adquirir diferentes formas.
c) Receptor de chorro de partículas: también llamado receptor de lecho
fundido, opera como un intercambiador de calor directo, utilizando fluidos o chorros de partículas que reciben la irradiación directa inmediatamente en su volumen o superficie.
En la Figura 1.10 podemos ver representados a la izquierda un receptor volumétrico y a la derecha un receptor de chorro de partículas
Figura 1.10 Receptor volumétrico (izq.) y receptor de chorro de partículas o lecho fundido (drcha.)
ii. Sistema concentrador de energía
El campo concentrador de energía solar o campo de heliostatos consiste en
el conjunto de todos los espejos que componen la planta, y que están distribuidos sobre el terreno, de tal forma que el efecto de sombreo y bloqueo de unos sobre otros sea el menor posible, así como que se minimice el efecto
coseno4. El campo se puede diseñar de muchas formas, pero la más habitual
es la forma de corona circular en la que los heliostatos se disponen como anillos concéntricos. Las configuraciones habituales son:
Configuración Norte (o Sur): propio de latitudes Norte (o Sur). Los
heliostatos se sitúan al Norte (o Sur) de la torre. Un ejemplo de plantas de configuración Norte son las plantas PS10 y PS20 que la empresa Abengoa Solar tiene instaladas en Sanlúcar la Mayor (Sevilla) y cuya vista aérea se muestra en la Figura 1.11.
Configuración circular: los heliostatos se sitúan alrededor de la torre en
forma de anillos concéntricos como en la planta Solar Two situada en Barstow (California) y que podemos ver en la Figura 1.12.
Figura 1.11 Plantas solares termoeléctricas de configuración Norte, PS10 y PS20 en Sanlúcar la Mayor Sevilla (Abengoa Solar)
4 Efecto coseno: efecto que se produce debido al ángulo µ que forman los rayos incidentes con
la normal a la superficie del helióstato, y que provoca la disminución del área útil de reflexión de éste. Aefectiva= Areal cosµ
Figura 1.12 Planta solar termoeléctrica de configuración circular Solar Two Barstow, California
En la Figura 1.13, podemos ver un esquema del diseño de estos dos tipos distintos de plantas.
Figura 1.13 Esquemas de plantas solares Norte a la izquierda y circular a la derecha
Según sea la posición del Sol, los heliostatos pueden hacer de pantalla de la irradiación solar directa a uno o más que estén detrás, produciendo un efecto de sombra, o bien, bloquear la irradiación solar reflejada por los heliostatos contiguos posteriores, reduciendo de esta forma la energía que incide sobre el receptor. Estos efectos se ilustran en la Figura 1.14.
Figura 1.14 Pérdidas por efecto coseno (izquierda), sombreo (centro) y bloqueo (derecha)
Para reducir estos efectos se tiende a situar el receptor lo más alto posible sobre el terreno horizontal que contiene al campo de heliostatos, torres de aproximadamente 100 m en el caso de las torres comerciales, al tiempo que los heliostatos se distancian entre sí lo suficiente para minimizar sombras y bloqueos.
Hoy en día existen pocas herramientas en el mercado que permitan calcular la optimización de la colocación de los heliostatos en el campo, evitando que estos se sombreen o se bloqueen unos a otros cuando dirigen los rayos solares reflejados hacia el foco del receptor.
Las más importantes o significativas son:
WinDelsol (Abengoa Solar – Ciemat)
HFLCAL (German Aerospace Center DLR)
R-Cell (Tietronix )
ASPOC (Nevada Software S.L)
Durante este trabajo de investigación, se ha empleado la herramienta Windelsol, desarrollada por Solúcar Investigación y Desarrollo, actual Abengoa Solar New Technologies, y Ciemat [7], y basada en el código en fortran Delsol [8].
Dada la importancia que las pérdidas tienen en el aprovechamiento de la irradiancia solar en una central de torre, vamos a estudiar de manera detallada los efectos antes mencionados y que son, como ya se ha dicho, los principales causantes de estas pérdidas. Para ello, consideraremos el heliostato como la unidad de concentración de la planta de receptor central.
El heliostato consiste en una superficie espejada conformada generalmente en forma esférica, aunque también pueden ser plana o paraboloidal, de
dimensiones que pueden ir desde 1 m2 en los pequeños heliostatos (heliostato
desarrollado por Esolar) hasta 120 m2 -150 m2 en los heliostatos de grandes
dimensiones (heliostatos Solúcar 120). Dichos heliostatos poseen un sistema de seguimiento en dos ejes para su focalización continuada sobre un punto focal normalmente fijo y situado en lo alto de la torre, manteniendo una imagen constante a lo largo del movimiento solar.
El heliostato consta fundamentalmente de una superficie reflectante, una estructura soporte, un mecanismo de accionamiento en azimut, seguimiento solar diurno, y elevación, seguimiento solar estacional, pedestal, cimentación, y un sistema de control.
1.4.3. El heliostato
El término heliostato proviene del griego y significa Sol quieto, ya que su misión es mantener durante todo el día el rayo reflejado en el interior del receptor central.
Desde el punto de vista económico, el campo de heliostatos supone algo más del 40% de una planta solar termoeléctrica de torre [9], y desde el punto de vista energético, y del rendimiento global de la planta, éste depende en gran medida de la eficiencia del campo de heliostatos, razón por la que la influencia del heliostato en la producción eléctrica de la planta merece un estudio exhaustivo.