5.4.1.1. Receptor central de sales fundidas
El receptor de Gemasolar es capaz de absorber el 95% de la radiación del espectro solar y transmitir esta energía al compuesto de sales fun- didas que circula por su interior. Por tanto, el receptor central de sales fundidas es el componente más importante y tecnológicamente más avanzado de la planta. Representa el elemento clave y corazón de la planta, pues es el encargado de recibir toda la energía solar concen- trada desde el campo solar de heliostatos y trasladarla al ciclo termo- eléctrico mediante el calentamiento por encima de los 550 ºC de las sales fundidas que circulan por su interior.
Este receptor central de sales de Gemasolar, único en el mundo en cuanto a tamaño y especificación, es capaz de operar diariamente a flujos de energía incidente concentrada sin precedentes de más de 1.000 soles, para maximizar su rendimiento térmico, pero sin detrimen- to de su durabilidad, especificada en 25 años.
Para su concepción y diseño, SENER ha utilizado sus conocimientos y ex- periencia en componentes calientes de motor de avión adquiridos en su participación en el Eurofighter, y que llevó a SENER en 1984 a promover la fundación de ITP, única industria española de motores aeronáuticos y turbinas de gas y donde SENER es actualmente accionista mayoritario. El receptor cuenta con estándares, materiales y procesos de la industria aeronáutica y ha sido fabricado, bajo la dirección de SENER por ITP.
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5.4.1.2. Software SENSOL
Además de todas las innovaciones anteriores, fruto de la actividad de SENER en I+D, surge un software denominado SENSOL, desarrollado para el análisis técnico-económico y la optimización de proyectos en el área solar. Es una herramienta de gran utilidad ya que proporciona el diseño óptimo en cada caso, desde el punto de vista de la rentabi- lidad del proyecto. SENSOL es un programa muy innovador que sitúa a SENER en la mejor posición tecnológica para llevar a cabo estudios de viabilidad y optimización de plantas solares.
Este software puede ser aplicado a centrales solares térmicas (plan- tas de heliostatos y de colectores cilindro-parabólicos) y fotovoltaicas. En el caso de las centrales térmicas permite la hibridación con gas natural, de acuerdo a la legislación vigente (RD 436/2004). La capa- cidad diferenciadora radica en la detallada modelización óptica del campo colector de la central y en la parametrización de los costes del proyecto. De esta manera, para cada componente de la central se tiene en cuenta no sólo su rendimiento sino también su coste, y, lo que es más importante, cómo varía éste con las prestaciones del componente. Esto permite, a través de un proceso iterativo, elegir la configuración óptima del sistema partiendo de un diseño básico. SEN- SOL también se puede utilizar para analizar el impacto en la rentabili- dad de los diferentes cambios de diseño que puedan surgir durante el desarrollo del proyecto. Resulta también particularmente interesante para estudiar los distintos modos de operación de la planta desde la óptica de la rentabilidad.
Los ventajas aportadas por SENSOL en los diversos proyectos en los que SENER lo ha utilizado, como por ejemplo en Andasol 1 y 2, Gema- solar, o para la planta del TITECH (beam-down system) son realmente satisfactorias. En las centrales solares térmicas, aproximadamente el 40 por ciento de la inversión corresponde al campo de espejos que siguen al sol para captar su energía. Decidir, pues, la superficie de espejo necesaria, su configuración y forma de operación no es una cuestión baladí.
De especial importancia es la configuración del campo colector en las plantas de heliostatos. Gracias a la detallada modelización del proceso de reflexión de la energía en el campo, se ha conse- guido optimizar la superficie de espejo. Este módulo óptico se apli- ca también a las plantas de colectores parabólicos y a las plantas
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fotovoltaicas. SENSOL dispone también de un módulo de visualiza- ción en 2D y 3D, que permite optimizar la distribución de los colec- tores en el campo, maximizando así el rendimiento de la planta. Este módulo también se utiliza para analizar la distribución de flujo sobre la superficie del receptor central en el caso de las plantas de heliostatos, aspecto muy importante en el diseño de este tipo de sistemas.
Por otra parte, la energía proveniente del campo colector y conteni- da en el fluido de trabajo puede ser destinada en centrales térmicas directamente a la turbina para la producción de energía eléctrica, o a los tanques de almacenamiento para usarla durante las horas de no insolación. SENSOL puede determinar la configuración óptima de ambos componentes teniendo en cuenta el resto de parámetros de la planta.
Además, el programa admite la introducción de bases de datos me- teorológicas para el cálculo de la producción eléctrica anual de la central. SENSOL dispone también de un módulo de generación de bases de datos de insolación sintéticas para analizar de forma rápida y sencilla el comportamiento de la central frente a variaciones anua- les de la radiación recibida por la planta.
Una vez calculada la producción eléctrica de la planta, se procede a realizar el desglose económico del proyecto, teniendo en cuenta los ingresos por venta de electricidad, la inversión necesaria y los costes de operación y mantenimiento de la planta. A través de un proceso iterativo, el programa permite analizar eficazmente las di- ferentes alternativas de diseño y elegir la configuración óptima del sistema.
5.4.1.3. El heliostato y su mecanismo de apunte de dos ejes
SENER ha sido responsable del diseño de los heliostatos, de 120 m2 de superficie, incluidos los seguidores solares de dos ejes con los que cuenta Gemasolar. Estos ejes son sistemas que constan de compo- nentes estructurales, mecánicos, electrónicos y de control, que per- miten un apunte preciso de la superficie reflectora o del módulo fo- tovoltaico según la variación de la posición del sol, lo que optimiza la producción de energía eléctrica de las plantas.
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El seguidor solar de SENER es un producto necesario para las plantas de receptor central de torre, disco Stirling y las fotovoltaicas de alta concentración, ya que estas tecnologías requieren un apuntamiento preciso con mínimos márgenes de error bajo unas estrictas condicio- nes de funcionamiento, mediante las que se asegura la producción energética y, por tanto, la rentabilidad de la instalación.
Con respecto a las aplicaciones en energía termoeléctrica de con- centración, los heliostatos que reflejan la radiación solar hacia el re- ceptor central de torre utilizan este sistema de seguimiento de alta precisión para orientar la superficie de espejos según la estrategia de control, la posición del sol y la distancia a la torre. Asimismo, los discos Stirling que concentran la radiación solar en un punto focal necesitan realizar un apuntamiento constante.
Por su parte, los módulos fotovoltaicos de alta concentración redu- cen la cantidad de material semiconductor que se emplea en estos módulos con respecto a los paneles planos de silicio, lo que permite usar material más eficiente. Sin embargo, esta tecnología requiere de un sistema de seguimiento solar de muy alta precisión y prestaciones para realizar la conversión fotoeléctrica.
El seguidor solar de SENER se caracteriza por su gran capacidad de superficie, de 85 m2 para fotovoltaica de concentración y 120 m2 para termoeléctrica de concentración, y una excelente precisión de apun- te de 0,1º incluso bajo fuertes cargas de viento.
El mecanismo de apunte del seguidor es un producto propio, dise- ñado, patentado y fabricado por SENER, que presenta un diseño compacto: aloja en una carcasa sellada todo el conjunto actua- dor de acimut y elevación, lo que hace de él un producto de alta fiabilidad y rigidez, excelentes prestaciones y bajo mantenimiento, y asegura un funcionamiento preciso y fiable del seguidor solar. La producción propia garantiza que cada unidad es sometida a tests bajo exhaustivos controles de calidad y cargas, lo que asegura las características funcionales de cada elemento. Asimismo, los me- canismos de apuntamiento fueron probados mediante test de vida acelerada para asegurar un correcto funcionamiento a lo largo de los 25 años de vida útil de la planta. De esta forma, SENER re- fuerza su apuesta por la energía solar, extendiendo su actividad a la producción en serie de sistemas de alta excelencia tecnológica dentro de este campo.
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5.4.1.4. Sistema de almacenamiento en sales fundidas
Como ya hemos explicado con anterioridad, mediante el sistema de almacenamiento, las plantas de generación eléctrica termoso- lar pueden seguir produciendo electricidad en ausencia de insola- ción, una diferencia fundamental con respecto a las plantas que no cuentan con este sistema, por lo que el bloque de potencia opera en condiciones más estables y constantes. Además, el sistema de alma- cenamiento logra aumentar el factor anual de capacidad (las horas efectivas en las que la planta puede producir electricidad) y seleccio- nar los momentos más adecuados para volcar la energía a la red, en función de la demanda.
SENER ha sido una empresa pionera en la aplicación del sistema de almacenamiento térmico con sales fundidas en plantas comerciales, muchas de ellas en operación comercial. Andasol 1, proyecto en el que se llevó a cabo el desarrollo de la ingeniería, además de partici- par en su construcción y puesta en marcha, fue la primera planta en incorporarlo en su diseño.
En todos los proyectos desarrollados por SENER hasta la fecha en plan- tas de energía solar por concentración con sistema de almacena- miento, la empresa ha instalado un sistema bi-tanque para contener las sales fundidas, que son el medio utilizado para almacenar la ener- gía térmica. Uno de los tanques se utiliza para almacenar las sales en estado «frío» (a una temperatura de 290 ºC) y otro para almacenar las sales en estado «caliente» (a unos 390 ºC), de manera que sólo la mitad de la capacidad de los tanques se está utilizando en cada ins- tante: cuando no hay energía almacenada, el tanque «frío» está lleno y el tanque «caliente» está vacío; y cuando la energía almacenada es la máxima, el tanque «frío» está vacío y el tanque «caliente» está lleno.