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Concentrador Cilindro Parabólico
- 1. Concentrador Cilindro Parabólico Una central térmica solar o central termosolar es una instalación industrial en la que, a partir del calentamiento de un fluido mediante radiación solar y su uso en un ciclo termodinámico convencional, se produce la energía mecánica necesaria para mover un alternador para generación de energía eléctrica Ilustración 1 En la ilustración 1 se observa un sistema de concentración solar basado en concentradores cilindro parabólicos Los colectores solares de concentración usan espejos y lentes para concentrarse y enfocar la luz solar en un receptor térmico, similar a un tubo de caldera. El receptor absorbe y convierte la luz solar en calor. El calor es luego transportado a un generador de vapor o motor donde se convierte en electricidad.
- 2. Ilustración 2 Estos colectores solares, como se observa en la ilustración 2, utilizan espejos parabólicos para enfocar la energía del sol hacia un receptor en forma de tubo que transporta fluidos el cual se encuentra ubicado en el punto focal de un reflector de espejo parabólicamente curvado. La energía del sol enviada al tubo calienta el aceite que fluye a través del tubo, y la energía térmica se utiliza para generar electricidad en un generador de vapor convencional. Los espejos parabólicos se agrupan en filas paralelas alineadas denominadas "campo de colectores" a lo largo de un eje norte-sur para que puedan rastrear el sol de este a oeste durante el día, asegurando que el sol permanezca continuamente enfocado en los tubos del receptor. Los sistemas de espejos parabólicos individuales actualmente pueden generar aproximadamente 80 MW de energía eléctrica. Los diseños pueden incorporar almacenamiento térmico, manteniendo el fluido de transferencia de calor caliente, lo que permite la generación de electricidad varias horas en la noche. Actualmente, todas las plantas cilindro parabólicas son "híbridas", lo que significa que usan combustibles fósiles para complementar la producción durante períodos de baja radiación solar. Por lo general, se usa una caldera de gas natural o una caldera de vapor de gas o un recalentador. También se pueden integrar con las plantas existentes a carbón.
- 3. Ilustración 3 A continuación, se describen los principales componentes que forman parte de una central termosolar CCP que se observan en la ilustración 3. Captadores cilindroparabólicos La radiación solar incide sobre los captadores cilindroparabólicos, que la concentran en el tubo central por el que circula un fluido que se calienta a muy alta temperatura. Este fluido denominado genéricamente HTF (Heat Transfer Fluid) es, en este caso, de composición similar al aceite. Generador de vapor El HTF es bombeado, a través del sistema de tuberías, al generador de vapor donde cede su calor para vaporizar agua. Turbina de vapor El vapor producido a alta presión en la caldera va a la turbina la cual mueve a un alternador que genera energía eléctrica. Condensador El vapor, que sale de la turbina, se condensa transformándose en agua que se incorpora nuevamente al ciclo. Torres de refrigeración Las torres de refrigeración proporcionan el enfriamiento necesario para condensar el vapor de salida de la turbina. Intercambiador térmico Cuando existe un exceso de energía térmica en el campo solar, se almacena. Esto se consigue derivando parte del HTF caliente hacia el intercambiador, donde en contacto con las sales le transfiere su calor.
- 4. Sistema de almacenamiento térmico Para la carga del almacenamiento, las sales frías se bombean desde el tanque de sales frías al intercambiador térmico donde el HTF las calienta. A continuación, las sales se almacenan en el tanque de sales calientes. Sistema de almacenamiento térmico Durante la descarga, las sales calientes almacenadas son bombeadas al mismo intercambiador térmico para calentar el HTF y continuar generando electricidad incluso en periodos en los que no se dispone de radiación solar. Caldera La caldera se utiliza para el mantenimiento de la temperatura del HTF del campo solar. Torre Solar Ilustración 4 En la ilustración 4 se observa un sistema llamado de torre solar Los receptores centrales (o torres de energía) usan miles de espejos de seguimiento solar individuales llamados "heliostatos" para reflejar la energía solar en un receptor ubicado en la parte superior de una torre.
- 5. Ilustración 5 Como se observa en la ilustración 5, el receptor recoge el calor del sol en un fluido de transferencia de calor (sal fundida) que fluye a través del receptor. La sal fundida a alta temperatura se envía a un depósito de sales calientes y de allí a un generador de vapor convencional, ubicado al pie de la torre. En algunos casos el vapor que sale del generador de vapor se lo suele sobrecalentar para luego enviarlo a la etapa de alta presión de una turbina de vapor. El vapor saliente de la etapa de alta presión se recalienta y se conduce a la etapa de baja presión de la turbina. Luego el vapor es conducido a la torre de enfriamiento para su condensado. Esa agua líquida se envía a un precalentador y luego es introducida al generador de vapor para continuar su ciclo. Mientras tanto, las sales que han entregado calor en el generador de vapor pasan al precalentador para luego ser conducidas al tanque de acumulación frío y finalmente a la torre para volver a ser calentadas. El sistema de almacenamiento de sales fundidas retiene el calor de manera eficiente, por lo que puede almacenarse durante horas o incluso días antes de usarse para genera electricidad. Por lo tanto, un sistema de torre solar se compone de cinco componentes principales: heliostatos, receptor, transporte e intercambio de calor, almacenamiento térmico y controles.
- 6. Mediante el uso de almacenamiento térmico, las plantas de torre de energía pueden operar potencialmente durante el 65 por ciento del año sin necesidad de una fuente de combustible de respaldo. Sin almacenamiento de energía, las tecnologías solares como esta se limitan a factores de capacidad cercanos al 25%. La capacidad de la torre de energía para operar durante largos períodos de tiempo gracias al almacenamiento es lo que distingue a esta tecnología de otras tecnologías de energía renovable. La batalla solar: Fotovoltaica (PV), Torre(CSP), CCP, Como se observa en la ilustración 6, la tendencia al aumento de la capacidad instalada en energía solar es la tendencia esperada según los datos publicados por IRENA. En particular, la tecnología PV es la que presenta el crecimiento mayor. China ocupa el primer lugar en términos de capacidad instalada de energía solar fotovoltaica, y también es el proveedor de módulos solares más grande en todo el mundo. Los esfuerzos de expansión de los mercados están reduciendo el costo de PV, mejorando la competitividad de la energía solar en comparación con la energía de combustibles fósiles. A pesar del lento crecimiento de las tecnologías CSP y CCP visto a lo largo de los años, se espera que ambas permanezcan con un crecimiento moderado en el futuro. Debido a la gran inversión de recursos en I + D enfocado en PV solar y la reducción significativa en los precios de los módulos solares, junto con las limitaciones y los altos costos de CSP y CCP, como se observa en la ilustración 7, se ha visto acelerado el crecimiento de la capacidad de energía solar fotovoltaica en todo el mundo en comparación con el crecimiento más lento de la capacidad de CSP y CCP. La tecnología PV muestra muchas ventajas: el sistema es muy simple, tanto para la instalación como para O & M. La tecnología de semiconductor puede producir corriente continua a través del efecto fotovoltaico, sin equipos complicados. Cabe destacar que la eficiencia relativamente más alta de la tecnología CSP le da una ventaja sobre Solar PV. La eficiencia solar-a-eléctrica para los sistemas CSP varía entre 15 y 25%. En comparación con otras tecnologías de CSP, las eficiencias de conversión de discos parabólicos son las más altas, alcanzando más del 30% de la eficiencia máxima. Mientras que, incluso los paneles solares más eficientes comercialmente disponibles en el mercado hoy en día tienen índices de eficiencia tan altos como 22.5%, con la mayoría de los paneles con una eficiencia típica que varía entre 14% y 16%.
- 7. Ilustración 6 Ilustración 7 Además, el CSP y CCP junto con el almacenamiento de energía térmica puede proporcionar la solución a la energía intermitente que existe con otros tipos de energía renovable, como la energía solar fotovoltaica y la eólica. Ambas tecnologías están muy influenciadas por la imprevisibilidad e inestabilidad de las condiciones ambientales, lo que pone en duda la fiabilidad de estas fuentes de energía renovables. En todo caso, para solventar este problema, la tecnología PV debe combinarse con un sistema de
- 8. almacenamiento que pueda producir un rendimiento estable como lo hace CSP y CCP con las sales fundidas. En la mayoría de los casos, la batería Li-ion es la mejor opción. Esto trae aparejado un aumento relevante en el costo del sistema PV con almacenamiento. En la actualidad, el costo del paquete de baterías de iones de litio ha estado bajando año a año, pero aún es caro a pesar de la gran reducción experimentada. También es difícil prever cómo será el avance de la tecnología y los materiales de la batería, y es difícil determinar la tendencia de reducción de costos en el futuro cercano. Otra de las interrogantes es que, durante toda la vida útil de una planta de energía, puede ser necesario de 4 a 5 veces el reemplazo de las baterías, ya que la degradación sigue siendo un problema grave en este momento, y también es costosa. Por lo tanto, con los beneficios de CSP y CCP y los futuros avances en esta tecnología, ambas podrían continuar reteniendo un nicho de mercado a nivel de escala de servicios públicos, especialmente en aplicaciones combinadas de calor y energía en comparación con el mercado más extendido de PV Solar. La mayor ventaja para CSP y CCP es que podría proporcionar energía despachable así como también la gran capacidad de almacenamiento de calor. La sal fundida es ampliamente utilizada para el almacenamiento de calor, ya que es barata, segura y de fácil acceso. Desde el punto de vista técnico, almacenar calor térmico es mucho más fácil y más barato que almacenar electricidad. Con base en el almacenamiento térmico, las plantas de concentración son muy beneficiosas para la red eléctrica, ofreciendo energía eléctrica de alta calidad incluso durante la noche. Considerando que el costo de las plantas de concentración con almacenamiento se podría reducir mediante la expansión del mercado, las mejoras tecnológicas, el apoyo de las políticas de los gobiernos, se podría hablar de que CSP y CCP podrían participar con un rol más importante en la estructura de la matriz energética. Las tres tecnologías tienen sus propias características y ventajas, con sus particulares estrategias de desarrollo que dependen de sus propios mercados, tendencias de reducción de costos, innovación tecnológica, demandas de los clientes y otros factores como son las políticas de los estados. En general, la energía solar, tanto PV como CSP y CCP, son y serán tecnologías necesarias, según el avance tecnológico actual y a mediano plazo, para la concreción de las metas establecidas en los acuerdos internacionales tendientes a la reducción de la contaminación y el efecto invernadero. Trabajo presentado en la materia OtrasEnergías Renovablesdictada porel ProfesorSantiago García Garrido en curso del MásterUniversitario en EnergíasRenovablesen SistemasEléctricos de la Universidad CarlosIIIdeMadrid.