El objetivo principal del presente proyecto ha sido analizar la energía producida por una central solar de concentración de torre con receptor central y almacenamiento térmico de sales atendiendo al sentido de circulación de la sal en el receptor, la distribución del campo de heliostatos y el control del flujo másico de la sal en el receptor para un dimensionamiento óptimo de la central.
El campo de la central consta de 2940 heliostatos distribuidos de manera circular, en 18 anillos en torno a la torre central, Ilustración 5.1. El campo ocupa una superficie de aproximadamente 2.255.000 m2. El campo de heliostatos se divide en 16 sectores, tantos como paneles tiene el receptor. Estas
divisiones han sido fundamentales en el estudio llevado a cabo.
El receptor de la central solar diseñada es de características similares al que se encuentra actualmente en la central de Gemasolar, con una altura de 10,6 m y un diámetro de 8,1 m. El receptor esta dividido en 16 paneles con 40 tubos por panel, lo que implica que el numero de total de tubos del receptor son 640. El diámetro de los tubos es 3,5 cm y están compuestos de acero de alta aleación.
A raíz de los datos obtenidos en el día de diseño se concluyó que la central con sentido de circulación de la sal en el receptor norte-sur es más eficiente. La producción de energía térmica sin realizar desenfocado de heliostatos es la misma para dos centrales iguales en las que la única diferencia fuera el sentido de circulación de la sal. Una vez se comenzó a desenfocar heliostatos para satisfacer los requisitos de la central (temperatura de los tubos inferior a 640ºC o temperatura de salida de la sal 565ºC) se observa que los sectores en los cuales se produce un mayor desenfoque de heliostatos son los sectores que concentran la radiación solar al final del recorrido de la sal en el receptor. En un campo con sentido de circulación norte-sur los sectores que más se desenfocan son los situados en el sur mientras que en un campo con sentido de circulación sur-norte los sectores más desenfocados son los situados más al norte. Al situar la central de estudio en una latitud norte los campos situados en el norte obtienen unos valores de factor coseno mayores a los situados en el sur por razones geométricas. Por lo tanto el campo más eficiente es el norte-sur al obtenerse mejores resultados en las mismas condiciones.
Se confirmó que para un buen dimensionamiento de los elementos de la central se debe limitar el flujo másico en los meses de mayor radiación. De no hacerlo la central no obtendría el beneficio máximo posible.
La localización de referencia para la cual se ha estudiado el presente proyecto es el municipio de La Luisiana, situado en la provincia de Sevilla y elegido por su proximidad a la central de Gemasolar, referente en este tipo de centrales.
Ilustración 5.1 Imagen de la hoja de cálculo para división de heliostatos en sectores.
La sal que circula por el receptor recibe el calor reflejado por los heliostatos del sol y se encarga de conservarlo en el tanque de almacenamiento. La sal estudiada es una mezcla al 60% de nitrato de sodio (NaNO3) y al 40% de nitrato de potasio (KNO3) y es la más utilizada en el mercado en este sector.
Las características del sistema de almacenamiento aparecen en la tabla 5.1. Las dimensiones de los tanques han sido calculadas de manera que la superficie de contacto exterior sea la menor posible para minimizar perdidas.
Volumen total (m3) Altura (m) Radio (m)
Depósito sal fría 3.525 16,5 8,25
Depósito sal caliente 3.190 16 8
Tabla 5.1. Resumen de los datos de diseño de los tanques de almacenamiento.
Se consideró un ciclo Rankine con recalentamiento para el ciclo de potencia de la central donde la presión máxima es de 100 bar, la presión intermedia es de 15 bar y la mínima es de 0,08 bar.
Finalmente se presenta una tabla resumen de las principales características de la central en la tabla 5.2.
Potencia nominal de la central 16 MWe
Capacidad de almacenamiento 13 horas
Generación eléctrica 140,16 GWh/año
Reducción de CO2 42.080,8 t CO2
Los resultados obtenidos respecto a la distribución horaria de la producción eléctrica de la central aparecen en la Ilustración 5.2. En ella se puede ver como en los meses centrales del año la radiación solar es mayor y por ello las horas de funcionamiento de la caldera de apoyo llegan a ser prácticamente nulas. Cabe destacar que las horas solares aumentan también en los meses centrales del año, de ahí que la franja roja aumente progresivamente.
Ilustración 5.2. Horas de utilización de la energía diaria disponible en una central de 16 MWe de potencia y con sentido de circulación del fluido norte-sur.
A través de los datos de las horas de utilización a partir de los cuales se ha representado la Ilustración 5.2., se ha elaborado un gráfico, Ilustraciones 5.3, donde se muestra la producción eléctrica de la central a partir de la energía solar obtenida a lo largo de todo el año
Ilustración 5.3. Producción eléctrica mensual para una central de 16MWe con sentido de circulación del fluido norte-sur.
Los datos utilizados para realizar la gráfica de las Ilustraciones 5.4 pueden observarse en la Tabla 5.3.
Tabla 5.3. Producción eléctrica mensual para una central de 16 MWe y 13 horas de almacenamiento con sentido de circulación del fluido norte-sur.
Es importante recalcar los resultados que aparecen en la tabla 5.4 respecto al ahorro de emisiones de CO2. La central estudiada produciría un total de 42.080,8 toneladas de CO2 menos por año que otra
central de ciclo combinado que produjera 140,16 GWh/año como se puede ver en la Ilustración 5.5.
Tabla 5.4 Emisiones de CO2 mes a mes no emitidas por la central
Ilustración 5.4. Emisiones de CO2 mes a mes no emitidas por nuestra central
Como era de esperar y debido a que la energía solar es una energía limpia y no contaminante la forma de la curva de la Ilustración 5.4, donde se muestra un gráfico de las emisiones de CO2 de la central, es inversa de la curva de la Ilustración 5.3, donde se graficó la producción
eléctrica a partir de la energía solar a lo largo de todo el año.
Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Producción eléctrica sentido Norte-Sur
(MWh) 4.325,12 5.532,80 8.035,20 9.345,60 10.792,96 11.260,80 11.591,52 10.763,20 8.908,80 6.497,60 4.641,60 3.744,80
Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Emisiones CO2 central convencional 4.523,52 4.085,76 4.523,52 4.377,60 4.523,52 4.377,60 4.523,52 4.523,52 4.377,60 4.523,52 4.377,60 4.523,52 Emisiones CO2 central termosolar estudiada 1.894,72 1.304,80 967,20 543,60 277,76 64,80 78,12 285,20 652,80 1.351,60 1.719,60 2.039,80