Repositorio Institucional de Documentos

E SCUELA D E I NGENIERIA Y A RQUITECTURA U NIVERSIDAD Z ARAGOZA PROYECTO FIN DE CARRERA MEMORIA Alumno: Alejandro Inogés Blasco Directora: Yolanda Bravo Rodríguez Especialidad: Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Convocatoria: Septiembre 2011 ANALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING Indice 1.- OBJETIVOS / MOTIVACION / ALCANCE ......................................................... 1 1. 1- Objetivos del proyecto ................................................................................ 1 1. 2.- Motivación ................................................................................................. 2 1. 3.- Alcance ...................................................................................................... 3 2.- INTRODUCCION .................................................................................................. 4 3.- MOTOR STIRLING ............................................................................................... 5 3. 1.- Características generales del motor Stirling .............................................. 5 3. 1. 1.- Historia .............................................................................................. 5 3. 1. 2.- Evolución .......................................................................................... 6 3. 1. 3.- Funcionamiento ................................................................................. 9 3. 1. 4.- Componentes ................................................................................... 12 3. 1. 5.- Regenerador .................................................................................... 14 3. 1. 6.- Características: ventajas e inconvenientes ...................................... 16 3. 1. 7.- Rendimiento .................................................................................... 19 4.- TECNOLOGIA DE DISCO STIRLING .............................................................. 22 4. 1.- Descripción y análisis de los sistemas disco Stirling ............................... 22 4. 1. 1.- Introducción .................................................................................... 22 4. 1. 2.- Historia de los sistemas disco Stirling ............................................ 24 4. 1. 3.- Componentes del sistema ................................................................ 28 4. 1. 4.- Plataformas de concentración de dispositivos disco Stirling .......... 37 4. 2.- Listado de empresas en desarrollo y producción de la tecnología ........... 45 4. 2. 1.- Stirling Energy Systems, Inc (SES) ............................................... 46 4. 2. 2.- Renovalia Energy ............................................................................ 49 4. 2. 3.- InfiniaCorp ...................................................................................... 53 4. 2. 4.- Innova Technology Solutions SpA ................................................. 57 4. 3.- Viabilidad técnica .................................................................................... 61 5.- REVISION GENERAL DE LA ENERGIA SOLAR ........................................... 64 5. 1.- Energía fotovoltaica vs energía solar térmica .......................................... 64 5. 1. 1.- Energía fotovoltaica ........................................................................ 64 5. 1. 2.- Energía solar térmica ...................................................................... 89 5. 1. 3.- Comparativa .................................................................................. 100 5. 2.- Centrales de torre ................................................................................... 102 5. 2. 1.- Elementos constituyentes .............................................................. 103 5. 2. 2.- Funcionamiento ............................................................................. 106 5. 2. 3.- Tipos de receptores ....................................................................... 107 5. 2. 4.- Disposición del campo de heliostatos ........................................... 109 5. 2. 5.- Primeras plataformas con centrales de torre [48] .......................... 112 5. 2. 6.- Plataformas con centrales de torre en la actualidad ...................... 115 5. 3.- Cilindros parabólicos ............................................................................. 126 5. 3. 1.- Elementos constituyentes .............................................................. 127 5. 3. 2.- Funcionamiento ............................................................................. 131 5. 3. 3.- Esquemas de instalación ............................................................... 131 5. 3. 4.- Presencia mundial de centrales de cilindros parabólicos .............. 136 5. 3. 5.- Centrales de cilindros parabólicos en España ............................... 141 6.- VALORES ORIENTATIVOS DE EFICIENCIA .............................................. 147 7.- FUTUROS DESARROLLOS ............................................................................. 152 7. 1.- Cogeneración: potencial de aprovechamiento con biomasa .................. 152 7. 1. 1.- Introducción .................................................................................. 152 7. 1. 2.- Tecnología en sistemas disco Stirling ........................................... 155 7. 2.- Almacenamiento térmico: propuestas de sistemas ................................ 156 7. 2. 1.- Introducción .................................................................................. 156 7. 2. 2.- Materiales de cambio de fase ........................................................ 157 7. 2. 3.- Almacenamiento térmico en dispositivos de disco Stirling .......... 158 7. 3.- Hibridación de los sistemas disco Stirling ............................................. 163 7. 3. 1.- Introducción .................................................................................. 163 7. 3. 2.- Hibridación aplicada a los dispositivos disco Stirling .................. 164 8.- CONCLUSIONES .............................................................................................. 173 Referencias [1] Laboratorios Philips de Holanda., destinados a criogenia. En 1990 se independizan dando lugar a Stirling Cryogenics & Refrigeration BV. [2] Kockums, productor de tecnología marina. www.kockums.se. [3] Portaaviones de la armada japonesa. [4] Stirling Cryogenics & Refrigeration BV. http://www.stirlingcryogenics.com/ [5] Global Cooling. http://stirlingultracold.com/global_cooling [6] Twinbird Corporation. http://fpsc.twinbird.jp/en/index.html [7] PennState. [8] Polo - Tech. http://www.polo-tech.com/ [9] Vehículos híbridos serie con motor Stirling http://paisa_maca0.tripod.com/paginas2/inf.varia7.htm [10] Microgen Engine Corporation. http://www.microgen-engine.com/ [11] Baxi Ecogen. http://www.baxi.co.uk/ecogen [12] E. On. http://www.eon-espana.com [13] WhisperGen. www.whispergen.com [14] Páginas de internet con referencias a empresas productoras de motores Stirling: http://www.sesusa.org/stirlng2.htm, http://waoline.com/science/NewEnergy/Motors/StirlingCie.htm [15] Innova Technology Solutions. Empresa productora de sistemas disco Stirling. http://www.innova.co.it/ [16] Vaillant. Empresa española de climatización. http://www.vaillant.es [17] Creator Navien. Empresa coreana de climatización. http://en.kdnavien.com [18] Viessmann. Empresa alemana de climatización. http://www.viessmann.es/ [19] BDR Thermea. Empresa con sede en los Países Bajos y distribuidora de sistemas de calefacción. http://www.bdrthermea.com [20] InfiniaCorp. http://www.infiniacorp.com/ [21] SunPower. Empresa estadounidense productora de motores Stirling. http://www.sunpower.com/ [22] CryoTel.Empresa colaboradora con SunPower destinada a la producción y distribución de enfriadores. http://www.sunpower.com/ [23] Stirling Biopower, Inc. Empresa estadounidense productora de motores Stirling. http://www.stirlingbiopower.com [24] Stirling Technolgy Inc. Empresa estadounidense productora de motores Stirling. http://www.stirling-tech.com/ [25] Meridian Energy. Empresa neozelandesa generadora de energía eléctrica. http://www.meridianenergy.co.nz/ [26] Efficient Home Energy, SL. http://www.ehe.eu [27] Datos obtenidos de: http://www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia31/HTML/articulo02.htm [28] Datos obtenidos de: http://www.miliarium.com/monografias/energia/E_Renovables/Fotovoltaica.htm [29] Datos obtenidos de: http://www.energia-solar- fotovoltaica.info/4_Paneles_Fotovoltaicos/8_Tipos_de_Paneles_Fotovoltaicos.html [30] Datos obtenidos de: http://www.blogenergiasrenovables.com/tipos-de-paneles- solares [31] Datos obtenidos de: http://comparativatech.com/comparativa-celulas- fotovoltaicas-comerciales-paneles-fotovoltaicos-y-placas-solares/2010/03/ y http://blog.habitissimo.es/2009/04/25/tipos-de-paneles-fotovoltaicos/ y http://www.energia-solar- fotovoltaica.info/4_Paneles_Fotovoltaicos/8_Tipos_de_Paneles_Fotovoltaicos.html [32] Datos obtenidos de: http://www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia40/HTML/articulo05.htm [33] Datos obtenidos de: http://www.slideshare.net/robvaler/el-mercado-de-las- aplicaciones-fotovoltaicas-conectadas-a-la-red-en-espaa [34] Datos obtenidos de: http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_solar_fotovoltaica [35] Shell Solar y Geosol construirán una gran central eléctrica en Alemania. http://www.energiasrenovables.com/energias/renovables/index/pag/fotovoltaica/colleft//colright/fotovoltaica /tip/articulo/pagant/fotovoltaica/pagid/2281/botid/21/title/Shell%20Solar%20y%20Geos ol%20construir%C3%A1n%20una%20gran%20central%20el%C3%A9ctrica%20solar %20en%20Alemania [36] SAG Solarstrom. Especializada en el desarrollo de productos relacionados con la tecnología fotovoltaica. http://www.solarstromag.net/ [37] General Motors. http://www.gm.com/ [38] Veolia Environnement. http://www.veolia.com/en/ [39] Clairvoyant Energy. http://www.clairvoyant-energy.com/ [40] RWE Schott. http://www.schott.com/photovoltaic/english/index.html?so=iberica&lang=spanish [41] Asif. http://asif.org/ [42] ISFOC. Instituto de Sistemas Solares Fotovoltaicos de Concentración. http://www.isfoc.es/ [43] AIE. Agencia Internacional de la Energía. http://www.iea.org/ [44] Datos obtenidos de: http://www.miliarium.com/monografias/energia/E_Renovables/Solar_termica.htm [45] Datos obtenidos de: http://energiadoblecero.com/energias-renovables/energiasolar-termoelectrica/centrales-termoelectricas-de-torre [46] Datos obtenidos de: http://www.textoscientificos.com/energia/solar/torre [47] Datos obtenidos de: http://www.solarweb.net/forosolar/solartermoelectrica/9664-central-torre-central.html [48] Datos obtenidos de: http://es.wikipedia.org/wiki/Central_t%C3%A9rmica_solar [49] Spilling Energy Sistem. Empresa productora de motores varios. http://www.spilling.de/english/index.php [50] Abengoa Solar. http://www.abengoasolar.com/ [51] Datos obtenidos de: http://es.wikipedia.org/wiki/PS10 [52] Datos obtenidos de: http://es.wikipedia.org/wiki/PS20 [53] CIEMAT. Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas. http://www.ciemat.es/ [54] Abener. http://www.abener.es/ [55] Plataforma Solar de Almeria, PSA. http://www.psa.es/webesp/instalaciones/receptor.php [56] SENER. http://www.sener.es [57] Martin – Marietta. http://www.martinmarietta.com/ [58] Torresol Energy. http://www.psa.es/webesp/instalaciones/receptor.php [59] Datos obtenidos de: http://www.solarmillennium.de/upload/pdf/Andasol1- 3spanisch.pdf [60] Generación de Sistemas de Energía Solar, SEGS. http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_Energy_Generating_Systems [61] Blythe. http://www.renovablesverdes.com/tag/proyecto-de-energia-solar-blythe/ [62] Solar Millenium. http://www.solarmillennium.de [63] Chevron. http://www.chevron.com/ [64] Datos obtenidos de: http://es.wikipedia.org/wiki/Andasol [65] Cobra Energía. http://www.renovablesmadeinspain.es/ficha/pagid/88/letra/C/titulo/Cobra%20Energ%C 3%ADa/ [66] Grupo ACS. http://www.grupoacs.com/ [67] Proyecto Extresol. http://www.rankingsolar.com/component/content/article/856- parque-termosolar-extresol-1.html?paginacion=cptags&tagId=100 [68] Proyecto Manchasol. http://www.rankingsolar.com/parques-solares/34-parques- solares/855-parque-termosolar-manchasol-1.html [69] Arizona public service. APS. http://en.wikipedia.org/wiki/Arizona_Public_Service [70] Corporaciones de la Comisión de Arizona. ACC. http://www.abengoasolar.com/corp/web/es/acerca_de_nosotros/sala_de_prensa/noticias/ 2008/20081218_noticia.html [71] United Stirling AB. www.wikipatents.com/as/s_assignee/United+Stirling+AB [72] Advanco Corporation. http://www.manta.com/c/mmfdwk5/advanco-corporation [73] McDonnell Douglas Aerospace Corporation (MDA). http://www.aviationearth.com/mcdonnell-douglas/ [74] Stirling Energy Sistems, SES. http://www.stirlingenergy.com/ [75] Solar Kinetics. http://www.solarkinetics.co.uk/ [76] SAIC. http://www.saic.com/ [77] Steinmüller. http://www.steinmuellerengineering.com/contenido/cms/front_content.php?idcat=41 [78] SBP. http://www.sbp.de [79] SOLO Kleinmotoren. http://www.stirlingengines.org.uk/manufact/manf/germany/new7.html [80] EuroDISH. http://www.psa.es/webesp/instalaciones/discos.php [81] Inabensa. http://www.inabensa.com/ [82] EnviroDISH. http://www.ciemat.es/recursos/doc/Areas_Actividad/Prospectiva_Tecnologica/4603934 55_211200911841.pdf [83] Energy Research Centre. http://www.erc.uct.ac.za/ [84] Solar Systems. http://solarsystems.com.au/ [85] Laboratorios Sandia (SNL). http://www.sandia.gov/ [86] Maricopa Solar. http://www.stirlingenergy.com/pdf/2009_8_19.pdf [87] Tessera Solar. http://www.tesserasolar.com/ [88] NTR. www.ntrplc.com [89] Calico Solar. http://www.energy.ca.gov/sitingcases/calicosolar/index.html [90] Distal – I, Distal – II Y EuroDISH. http://www.psa.es/webesp/instalaciones/discos.php [91] Green Plains. http://www.gpreinc.com/ [92] Wind Capital Group. http://www.windcapitalgroup.com/Home.aspx [93] Renovalia Energy. http://www.renovalia.com/ [94] Grupo Forlasa. http://www.forlasa.es/ [95] Lactalis. http://www.lactalis.es/ [96] Casa del Angel Termosolar. http://www.efikosnews.com/esolar/1399.html [97] Rioglass. http://www.rioglassolar.com [98] Iberdrola Renovables. http://www.iberdrolarenovables.es [99] Gamesa. http://www.gamesa.es [100] GLG Partners. www.glgpartners.com [101] Idealab. http://www.idealab.com/ [102] Power Play Energy. http://powerplayenergy.net/ [103] Innova Technolgy Solutions SpA. http://www.innova.co.it/ [104] Entrevista a Francesco Guidetti, director ejecutivo de Innova. CSP Today. http://es.csptoday.com/qa/la-soluci%C3%B3n-de-disco-stirling-de-innova- est%C3%A1-lista-para-su-distribuci%C3%B3n-en-italia [105] Gráficas evolución de la cogeneración en España. http://electronikorobin.blogspot.com/2009/05/cogeneracion-en-espana.html [106] Datos almacenamiento térmico. ]http://es.csptoday.com/weeklybrief/almacenamiento-t%C3%A9rmico-csp-analizando-las-opciones [107] Solar Reserve. http://www.solarreserve.com/ [108] United Technologies Corporation. http://es.wikipedia.org/wiki/United_Technologies_Corporation [109] SunLab. http://www.sunlab.com/ [110] National Renewable Energy Laboratory. http://www.nrel.gov/ [111] Dispositivo de almacenamiento desarrollado por Infinia. . Qiu, S., M. Blanco, D. Yarger, R. Galbraith, 2010. "La energía térmica del dispositivo de almacenamiento". Patente WO2010006319 Mundial. [112] Ed. Zublin. http://www.zublin.com.cn [113] HelioDynamics. http://www.hdsolar.com/ [114] Solgate. http://www.ual.es/Universidad/GabPrensa/index/2005/mayo/26-05- 05/andaluciainvestiga.pdf [115] SolHyCo. http://www.psa.es/webesp/areas/cilindroparabolica/solhyco.php [116] STM Sundish Sistema. http://www.solarpaces.org/Library/AnnualReports/docs/ATR2002.pdf http://www.sener.gob.mx/webSener/res/168/A6_Solar2.pdf [117] Biodish. Manzini T., P. Heller, Butler B., B. Osborn, Schiel W. Goldberg V., R. Buck, Diver R., Andraka C., J. Moreno, "Sistemas de Dish-Stirling: Una Visión General del Desarrollo y el Estado ". Diario de Ingeniería de la Energía Solar, Volumen 125, Número 2, 135, 2003. [118] Hypire. Laing, Reusch M., "sodio híbrido calor receptor de la pipa para plato de sistemas de Stirling - Resultados en el diseño y la prueba", de 2001. D. Laing, Palsson M., "plato híbrido / Stirling Sistemas: combustor y la pipa de calor del receptor para el Desarrollo". Diario de Ingeniería de la Energía Solar, 2002. [119] Proyecto llevado a cabo por Sandia. Moreno, J., Rawlinson, K., Andraka, C., Mehos, M., Bohn, M., Corey, J., "Dish / Stirling pruebas receptor híbrido sub-escala y el diseño a gran escala". Actas de la Conferencia Intersociety Energía 34a Ingeniería de Conversión de 1999. [120] Proyecto Colón – Solar. http://usuarios.multimania.es/arquinstal03/publicaciones/otras/bib584_receptorsolar_int egrado_con_caldera.pdf [121] Abantia. http://www.abantia.com/ [122] Comsa Emte. http://www.comsaemte.com [123] Centro Tecnológico Avanzado de Energías Renovables. CTAER. http://www.ctaer.com/ [124] Solarlite. http://www.solarlite.de [125] Sialsol. http://www.sialsol.es [126] Planta Abantia y Comsa Emte en Cataluña. http://www.evwind.com/noticias.php?id_not=8728 http://aragonbiomasa.blogspot.com/2011/04/la-hibridacion-biomasa-termosolar.html http://www.energiza.org/elCTAERsol-biomasa.html [127] Red Eléctrica de España. REE. http://www.ree.es [128] Centre Tecnològic Forestal de Catalunya (CTFC). http://www.ctfc.cat/ [129] Planta hibridada con biomasa desarrollada por Solarlite y Sialsol. http://infobio.ctfc.cat/?p=2850&lang=es [130] Lignocrop. http://www.energiza.org/iberdrolarenovablescultivosenerg%E9ticos.html [131] Centro de Investigación Forestal (INIA-CIFOR). http://wwwsp.inia.es/Investigacion/centros/CIFOR/Paginas/cifor.aspx [132] Instituto Valenciano de Investigación Agraria (IVIA). http://www.ivia.es/ [133] Ingelia. http://www.energiza.org/Ingeliadesarrollalaprimeraplantadecarbonizacionhidrotermal.ht ml [134] Instituto de Tecnología Química (ITQ). http://itq.webs.upv.es/ [135] Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial (CDTI). http://www.cdti.es/ [136] Empresa Nacional de Innovación, S.A., (ENISA). http://www.enisa.es/ [137] Planta hibrída Sol - Gas en Florida. http://www.diariolasamericas.com/noticia/67317/en-la-florida-la-primera-planta-solar- hibrida-del-mundo [138] Planta híbridas Sol – Gas en Marruecos. http://canarias24horas.com/index.php/2009102668238/internacional/abengoaconstruye-en-marruecos-la-planta-de-ciclo-combinado-mas-potente-del-mundo.html [139] Planta híbrida Sol – Gas en Hassi-R'mel en Argelia. http://www.abengoasolar.com/corp/web/es/nuestras_plantas/plantas_en_operacion/argel ia/ [140] New Energy Algeria (NEAL). http://www.neal-dz.net/ [141] Agua Prieta II. Planta híbrida Sol – Gas en Mexico. http://www.energiasrenovables.com/energias/renovables/index/pag/termoelectrica/botid/23/colright/termoel ectrica/tip/articulo/title/Ir%20a%20Solar/pagid/15824/title/Abengoa%20desarrollar%C 3%A1%20una%20planta%20h%C3%ADbrida%20solar- gas%20en%20M%C3%A9xico/ [142] Planta híbrida Sol – Gas en Egipto. http://www.protermosolar.com/boletines/37/d08.html [143] New Renewable Energy Authority (NREA). http://www.nrea.gov.eg [144] Solar One. http://www.energy.ca.gov/sitingcases/calicosolar/index.html [145] Solar Two. http://www.energy.ca.gov/sitingcases/solartwo/index.html artin – Marietta. http://www.martinmarietta.com/ [58] Torresol Energy. http://www.psa.es/webesp/instalaciones/receptor.php [59] Datos obtenidos de: http://www.solarmillennium.de/upload/pdf/Andasol1- 3spanisch.pdf [60] Generación de Sistemas de Energía Solar, SEGS. http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_Energy_Generating_Systems [61] Blythe. http://www.renovablesverdes.com/tag/proyecto-de-energia-solar-blythe/ [62] Solar Millenium. http://www.solarmillennium.de [63] Chevron. http://www.chevron.com/ [64] Datos obtenidos de: http://es.wikipedia.org/wiki/Andasol [65] Cobra Energía. http://www.renovablesmadeinspain.es/ficha/pagid/88/letra/C/titulo/Cobra%20Energ%C 3%ADa/ [66] Grupo ACS. http://www.grupoacs.com/ [67] Proyecto Extresol. http://www.rankingsolar.com/component/content/article/856- parque-termosolar-extresol-1.html?paginacion=cptags&tagId=100 [68] Proyecto Manchasol. http://www.rankingsolar.com/parques-solares/34-parques- solares/855-parque-termosolar-manchasol-1.html [69] Arizona public service. APS. http://en.wikipedia.org/wiki/Arizona_Public_Service [70] Corporaciones de la Comisión de Arizona. ACC. http://www.abengoasolar.com/corp/web/es/acerca_de_nosotros/sala_de_prensa/noticias/ 2008/20081218_noticia.html [71] United Stirling AB. www.wikipatents.com/as/s_assignee/United+Stirling+AB [72] Advanco Corporation. http://www.manta.com/c/mmfdwk5/advanco-corporation [73] McDonnell Douglas Aerospace Corporation (MDA). http://www.aviationearth.com/mcdonnell-douglas/ [74] Stirling Energy Sistems, SES. http://www.stirlingenergy.com/ [75] Solar Kinetics. http://www.solarkinetics.co.uk/ [76] SAIC. http://www.saic.com/ [77] Steinmüller. http://www.steinmuellerengineering.com/contenido/cms/front_content.php?idcat=41 [78] SBP. http://www.sbp.de [79] SOLO Kleinmotoren. http://www.stirlingengines.org.uk/manufact/manf/germany/new7.html [80] EuroDISH. http://www.psa.es/webesp/instalaciones/discos.php [81] Inabensa. http://www.inabensa.com/ [82] EnviroDISH. http://www.ciemat.es/recursos/doc/Areas_Actividad/Prospectiva_Tecnologica/4603934 55_211200911841.pdf [83] Energy Research Centre. http://www.erc.uct.ac.za/ [84] Solar Systems. http://solarsystems.com.au/ [85] Laboratorios Sandia (SNL). http://www.sandia.gov/ [86] Maricopa Solar. http://www.stirlingenergy.com/pdf/2009_8_19.pdf [87] Tessera Solar. http://www.tesserasolar.com/ [88] NTR. www.ntrplc.com [89] Calico Solar. http://www.energy.ca.gov/sitingcases/calicosolar/index.html [90] Distal – I, Distal – II Y EuroDISH. http://www.psa.es/webesp/instalaciones/discos.php [91] Green Plains. http://www.gpreinc.com/ [92] Wind Capital Group. http://www.windcapitalgroup.com/Home.aspx [93] Renovalia Energy. http://www.renovalia.com/ [94] Grupo Forlasa. http://www.forlasa.es/ [95] Lactalis. http://www.lactalis.es/ Figura 46. Receptor DIR de Biodish ........................................................................ 167 Figura 47. Receptor HYPHIRE ................................................................................ 168 Figura 48. Receptor de Sandia [85] .......................................................................... 169 Lista de tablas Tabla 1. Comparativa entre los diferentes dispositivos disco Stirling ....................... 60 Tabla 2. Cuadro fabricación de la tecnología fotovoltaica ......................................... 71 Tabla 3. Evolución de la potencia fotovoltaica instalada ........................................... 80 Tabla 4. Resumen con las características de las diferentes plantaciones SEGS....... 138 Tabla 5. Centrales de cilindro parabólico en funcionamiento .................................. 145 Tabla 6. Centrales de cilindro parabólico en construcción ....................................... 145 Tabla 7. Eficiencias según tecnología ...................................................................... 150 Tabla 8. Eficiencias según tecnología, desglosado................................................... 151 Tabla 9.Clasificación de los diferentes PCM ........................................................... 160 Tabla 10.Resumen de ventajas e inconvenientes de los diferentes combustibles .... 171 Lista de gráficas Gráfica 1. Potencia obtenida a lo largo de un día de funcionamiento [20] ................ 55 Gráfica 2. Potencia instalada en sistemas de conexión a red en los últimos años ...... 73 Gráfica 3. Evolución de la potencia fotovoltaica instalada ........................................ 80 Gráfica 4. Evolución potencia solar fotovoltaica instalada en España ....................... 82 A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 1 1.- OBJETIVOS / MOTIVACION / ALCANCE 1. 1.- Objetivos del proyecto El objetivo fundamental del proyecto se encuentra sustentado por la necesidad de desarrollar tecnologías para la explotación de fuentes de energía renovables. Ello es debido a la necesidad de encontrar alternativas viables a los combustibles fósiles, con la consiguiente reducción de emisiones perjudiciales a la atmósfera y por tanto del deterioro de la capa de ozono, la independencia de combustibles en proceso de agotamiento y la independencia de países exportadores de los mismos. Así pues, el presente proyecto analiza principalmente el estado de desarrollo de una tecnología de aprovechamiento de la energía solar, la tecnología de disco Stirling, cubriendo además el estudio de otras tecnologías de generación eléctrica mediante el aprovechamiento de la radiación solar tales como la fotovoltaica y la empleada en las centrales termosolares. Para la realización del proyecto, se ha llevado a cabo una revisión del Estado del Arte, a partir de la cual, se estará en condiciones de comprender en qué consiste realmente la tecnología de disco Stirling, así como la evolución que ha ido llevando dicho sistema a lo largo de los años. Del mismo modo, en éste documento, se ha llevado a cabo un análisis de la situación actual del sistema de disco Stirling, investigando sobre los diferentes proyectos que están siendo llevados a cabo en la actualidad y evaluando los resultados A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 2 obtenidos a partir de los mismos, con el fin de ser capaces de extraer conclusiones y estar en disposición de discernir cuáles son las posibles vías de desarrollo del disco Stirling y cuáles son los cuellos de botella o limitaciones del mismo. Una vez llevadas a cabo la revisión del Estado del Arte y el análisis del estado actual de desarrollo y conocidas las actuales limitaciones técnicas del sistema así como su posible potencial en cuanto a otros aspectos técnicos del mismo se refiere, se estará en condiciones de identificar cuales van a ser las líneas de trabajo de desarrollo del sistema, garantizando unos resultados satisfactorios en el corto y medio plazo. 1. 2.- Motivación He seleccionado la tecnología de disco Stirling como objeto del presente proyecto porque considero que las tecnologías fundamentadas en el aprovechamiento de fuentes de energías renovables constituyen la base de un futuro tecnológico cada vez más próximo, siendo, en concreto, la tecnología de disco Stirling, una tecnología con un enorme potencial en materia de generación de energía eléctrica a partir de fuentes de energía renovables y que en la actualidad se encuentra en un estado inicial de su fase de desarrollo. Del mismo modo, considero de gran utilidad la formación en materia de metodologías de investigación adquirida como necesidad intrínseca a la realización del presente proyecto de documentación técnica, con el fin de ser capaz de seleccionar la información veraz y contrastada de la que no lo es, de sintetizar resultados obtenidos de diferentes fuentes y extraer conclusiones de los mismos. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 3 1. 3.- Alcance El alcance del presente proyecto se ha limitado a una revisión de las tecnologías de aprovechamiento de la energía solar en general, tales como la energía fotovoltaica y la energía termosolar, así como un análisis de los sistemas de disco Stirling en particular, no entrando en el diseño y dimensionado de los mismos, que quedaría para proyectos de mayor entidad al tratado aquí. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 4 2.- INTRODUCCIÓN Para el desarrollo del presente proyecto, se ha creído conveniente, en un primer lugar, realizar una introducción a la tecnología de disco Stirling mediante el desarrollo del motor Stirling, elemento constituyente fundamental de la tecnología objeto de estudio, y del cual se derivan muchas de las propiedades de estos sistemas. Más adelante, se estudiarán en profundidad los sistemas de disco Stirling, mediante el desarrollo de su ciclo de trabajo, la evolución de estos sistemas, los elementos constituyentes de que se componen y de las instalaciones en las cuales se encuentran implementados. Del mismo modo, se realizará un análisis del estado actual de desarrollo de los sistemas de disco Stirling mediante el estudio de las diferentes compañías productoras de la tecnología. Finalmente se realizarán una serie de valoraciones en cuanto a la viabilidad técnica de éstos sistemas que darán lugar, más adelante a las posibles líneas de desarrollo A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 5 3.- MOTOR STIRLING 3. 1.- Características generales del motor Stirling 3. 1. 1.- Historia El motor Stirling fue inventado por el reverendo escocés Robert Stirling en el año 1816, con el objetivo de diseñar un sistema capaz de producir energía mecánica partiendo de una fuente de energía térmica de un modo más seguro y sencillo que con el que contaban hasta entonces, el motor de vapor. Debido a las altas presiones originadas en el interior de las calderas, a menudo éstas terminaban por explotar dando lugar a accidentes fatales, quedando patente de éste modo la necesidad de diseñar un motor más seguro. Así mismo, con el motor Stirling se reduce la complejidad del mecanismo. Esto es debido a que mientras que con el motor a vapor era necesario calentar agua en una caldera, producir vapor, expansionarlo en un motor produciendo así trabajo, condensarlo y, mediante una bomba, introducir el agua de nuevo en la caldera; con el motor de tipo Stirling el proceso tiene lugar íntegramente en el interior del mismo. Por último, y como aspecto más relevante en la implementación y potencial desarrollo en el futuro de éste tipo de motores comentar que presentan unos valores de eficiencia en su funcionamiento que resultan ser los más elevados posibles, situándose en valores próximos a los del Ciclo de Carnot, ciclo ideal, tal y como más adelante se explicará. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 6 3. 1. 2.- Evolución Con el objetivo de comprender con mayor claridad la evolución a lo largo de la historia de éste motor y el gran potencial del mismo se hace necesario tanto un estudio de la evolución de los recursos energéticos del planeta, así como un análisis de su estado actual, análisis que, por otro lado, pondrá de manifiesto la enorme importancia del desarrollo de ésta tecnología en las próximas décadas. Todo ello debido, a que uno de los principales retos a los que se va a tener que enfrentar el mundo, en un futuro no muy lejano es el cambio de modelo energético. Si se repasa brevemente la historia de los recursos energéticos desde la revolución industrial, resulta evidente que el modelo de vida por el que se ha optado se debe en gran medida, por no decir en su totalidad, a la existencia de fuentes de alta densidad de energía y de fácil acceso, pero fuentes no renovables, es decir fuentes de energía cuya capacidad de regeneración es muy lenta comparada con la velocidad de consumo, por lo que terminarán por agotarse. Debido a este fácil acceso a fuentes de energía abundantes y a los constantes descubrimientos de yacimientos de recursos fósiles durante el siglo XIX y principios y mediados del XX, no ha sido posible la implantación de un modelo energético basado en la eficiencia energética o en sistemas de energía renovables, es decir fuentes cuya velocidad de regeneración es superior a la de consumo. Sin embargo, y a pesar de tener dos grandes inconvenientes como lo son su menor competitividad y alta aleatoriedad (pues dependen de agentes externos como el A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 7 viento, el sol, etc.…) y debido a su alta velocidad de regeneración serán las que se haga necesario explotar cuando se agoten las fuentes de energía no renovables o bien, cuando debido a su escasez dejen de tener un precio competitivo en el mercado. Así y con todo, en los años 1940 y 1950, Philips NV de los Países Bajos comenzó a promulgar el interés por el motor de tipo Stirling moderno. El aumento del precio de los combustibles fósiles junto con el incremento de los daños ambientales causados por los motores de combustión interna indujo a muchos otros a seguir su ejemplo. Es a partir de 1970 cuando se ha comenzado a extender el pensamiento, en gran medida a partir de la crisis del petróleo, de que el modelo energético basado en fuentes no renovables es inviable a largo plazo. Es por éste hecho, que a partir de dicha fecha comenzaron a ser tenidas en cuenta otras fuentes de energía, que anteriormente no lo habían sido, como son las fuentes de energía renovables mediante el uso de diferentes tecnologías, entre las cuales se encuentran la energía eólica, fotovoltaica, geotérmica, etc.… y entre las que cabe destacar la tecnología de disco Stirling, tecnología objeto de nuestro estudio. Diversas empresas en todo el mundo comenzaron a desarrollar en éste periodo una serie de tecnologías relacionadas con el motor Stirling, como Receptores Directamente Iluminados, en inglés DIR, recibidores solares tubulares o un motor Stirling desarrollado para aplicaciones automovilísticas. Pero era una tecnología demasiado cara como para ser comenzada a fabricar en masa. No existía la producción en masa de motores Stirling ni posibilidad de crearla, y por otro lado el disco Stirling A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 14 • Foco caliente: Es la zona en la cual el fluido de trabajo absorbe un calor generado en el exterior y gracias al cual aumenta su temperatura y volumen, realizando de éste modo un trabajo. • Foco frío: Es la zona en la cual el fluido cede un calor al exterior debido a encontrarse a una temperatura superior al mismo. • Cigüeñal: Es el elemento de unión de las partes móviles del motor, así como el encargado de transmitir la potencia generada en el mismo. 3. 1. 5.- Regenerador La modelización del ciclo termodinámico del motor Stirling siempre parte de la base de que las evoluciones asociadas a la variación de volumen se realizan de modo isotérmico, de modo que durante la expansión se produce la introducción de calor del ciclo y durante la compresión se produce la extracción, lo que hace, que una vez que el fluido se ha expandido, se encuentre a la misma temperatura a la que ese encontraba antes de la aportación de calor, lo que permite introducir el concepto de regenerador. Al operar el fluido entre dos focos a distintas temperaturas, uno caliente y uno frío, se cumple que el calor asociado a su enfriamiento es el mismo que el asociado a su calentamiento, lo que permite introducir un elemento que almacene el calor cuando una vez expandido, el fluido debe operar a baja temperatura y ceder calor con el fin de realizar la compresión isotérmica; para después de la misma volver a absorber dicho A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 15 calor con el fin de aumentar su temperatura antes de pasar a la cámara caliente donde se expansionará. Una vez integrado el regenerador en el ciclo de funcionamiento de un motor Stirling, y con objeto de justificar la instalación del mismo, se puede concluir que dicho motor opera con un fluido en un ciclo cerrado, obteniendo trabajo a partir de cuatro procesos cíclicos consecutivos, a saber: expansión con el aporte de calor del foco caliente, compresión debida a la extracción de calor hacia un acumulador térmico regenerativo, compresión con extracción de calor hacia el foco frío y expansión debida a la absorción del calor almacenado por el regenerador, siendo por tanto superior el trabajo neto obtenido con regenerador que el obtenido sin el mismo para un mismo calor absorbido en el foco caliente, resultando por tanto un rendimiento mayor, tal y como más tarde se demostrará numéricamente. A continuación se muestra el esquema conceptual de un motor Stirling donde el fluido está confinado dentro de un cilindro entre dos pistones opuestos. En medio, dividiendo el espacio, se dispone el regenerador, que atravesado por el fluido lo condiciona para adecuarlo a la temperatura de la cámara en que se encuentra. A un lado se dispone la cámara de compresión, a baja temperatura, y al otro la de expansión, a alta temperatura. Figura 2. Motor Stirling con regenerador. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 16 3. 1. 6.- Características: Ventajas e inconvenientes A continuación y con el objeto de poner de manifiesto cuales son las características de éste tipo de dispositivos se va a proceder a una enumeración lo más esquemática posible tanto de las ventajas que presenta su uso como de las limitaciones del mismo. • Ventajas: - Presenta valores de eficiencia que resultan ser los más elevados desarrollados hasta el momento, acercándose a los valores obtenidos en el ciclo ideal o Ciclo de Carnot. Esta característica, junto a otras que se mencionan en éste mismo apartado son las que realmente convierten a éste dispositivo en una alternativa viable para la generación de energía, tal y como se desarrollará en los próximos apartados. - Mediante un diseño adecuado y convenientemente desarrollado del motor Stirling es posible obtener dos pulsos de fuerza por cada vuelta del cigüeñal, lo que hace de éste motor el más eficiente que se conoce, con un rendimiento próximo al ideal, perteneciente éste último al ciclo de Carnot, tal y como se concretará más adelante. - Son capaces de generar simultáneamente energía mecánica, o eléctrica si se acopla un alternador al dispositivo y energía térmica. Esta tecnología de producción simultánea de energía en diferentes formas es conocida como cogeneración y será desarrollada convenientemente en apartados venideros. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 17 - Posibilidad de una gran variedad de fluidos de trabajo encargados de realizar la expansión compresión isotérmicas, entre los que destacan el helio, hidrógeno, aire e incluso sustancias en estado líquido siguiendo un circuito sellado herméticamente, de modo que idealmente no se dan escapes del fluido a lo largo del proceso. - Al no tener lugar ningún tipo de explosión asociada al funcionamiento del motor, se tiene un dispositivo altamente silencioso. - Del mismo modo, debido a la inexistencia, tal y como ya se ha comentado, de explosiones en su interior, se puede garantizar una esperanza de vida alta para estos motores, situada en torno a las 100.000 horas de funcionamiento. - Puede funcionar con cualquier fuente de calor, con lo cual resulta ser un generador altamente versátil. La temperatura de trabajo más alta, ubicada en el foco caliente, para un motor relativamente potente se sitúa en torno a los 600 – 900ºC. - Puede seleccionarse para su funcionamiento un proceso de combustión continuo, con lo que se eliminan la mayor parte de las emisiones (NO X , hollines, hidrocarburos,…) A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 18 - Al no tener lugar el proceso de combustión en su interior no queman aceite, lo que resulta en una necesidad de mantenimiento muy baja, casi nula, además de aumentar, tal y como ya se ha comentado, la vida útil de cada uno de sus componentes. - Presentan un buen funcionamiento con bajas temperaturas . • Inconvenientes: - Baja potencia específica con respecto a otros motores, como los de combustión interna, que para un mismo tamaño de motor, desarrollan potencias mucho más elevadas. - El máximo rendimiento en éste tipo de motores se obtiene para regímenes de giro relativamente bajos, por lo que no resulta un motor útil si se quieren desarrollar elevadas potencias a elevadas revoluciones. - No arranca instantáneamente. Precisa de un tiempo de precalentamiento y puesta en marcha que junto con su baja potencia específica lo convierten en un generador no del todo conveniente para aplicaciones automovilísticas. - El trabajo desarrollado por un motor Stirling tiende a ser constante y su control requiere de la adhesión de mecanismos adicionales. Generalmente se hace variando el desplazamiento del motor o la cantidad de fluido de trabajo. Esta característica es menos crítica en el caso de motores de A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 19 propulsión híbrida eléctrica o en la producción de electricidad de base de carga, donde esa producción constante es deseable. - El hidrogeno por su baja viscosidad, alto calor especifico y conductividad térmica es el fluido de trabajo por excelencia en términos de termodinámica y dinámica de fluidos. Sin embargo presenta problemas de confinamiento y difusión a través de los metales. Por ello se usa generalmente helio con propiedades muy semejantes, que además es inerte, y no inflamable como el hidrogeno. - La disipación de calor en el foco frío es complicada porque el refrigerante se mantiene a la temperatura más baja posible para aumentar la eficiencia térmica. Esto incrementa el tamaño de los radiadores, lo que dificulta los diseños compactos. Esto junto con los costes de materiales, ha sido uno de los principales factores limitantes a la hora de su uso en automoción. 3. 1. 7.- Rendimiento La definición de rendimiento para una máquina térmica es: Siendo el trabajo neto (W neto ) el debido a la expansión y compresión isotérmicas, puesto que durante los procesos isocóricos no se realiza trabajo, y considerando válida A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 20 la modelización como gas ideal del fluido de trabajo confinado en el motor, se tiene que el trabajo neto es: Donde V min y V max son los volúmenes mínimo y máximo que se alcanzan en la compresión y expansión isotérmicas, y T C , T F las temperaturas de los focos caliente y frío respectivamente. Así mismo, definiendo la relación de compresión como r = V max / V min y aplicando propiedades del logaritmo, la expresión obtenida para el trabajo neto se reduce a: Por otro lado, y en el supuesto de que en el mecanismo motor objeto de estudio no esté presente un regenerador, como anteriormente se ha comentado, el fluido termodinámico, sólo absorbe calor durante dos etapas: el calentamiento isocórico y la expansión isotérmica, de modo que para el caso de modelizar dicho fluido como gas ideal, el calor absorbido en el proceso (Qabsorbido) se obtiene del siguiente modo: Mientras que, si en el motor se instala un regenerador, con objeto de mejorar el rendimiento del mecanismo, debido a su capacidad de almacenar el calor cedido por el gas durante el enfriamiento a volumen constante para luego devolverlo al sistema durante el proceso de calentamiento, se tiene, que, si bien ambas cantidades son iguales en módulo, puesto que se tratan de procesos isocóricos entre las mismas dos A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 21 temperaturas, el regenerador no es perfecto y parte de esa energía se pierde, definiendo por lo tanto su eficiencia como η R = Q devuelto / Q cedido , y resultado con ello el calor absorbido el siguiente: Así pues, incorporando los últimos valores obtenidos el rendimiento total de la máquina resulta el siguiente: De éste modo, como cierre al desarrollo matemático del rendimiento de un Motor Stirling, puede concluirse que en la medida que el funcionamiento del regenerador se acerca al caso ideal, el rendimiento del ciclo se aproxima al del ciclo de Carnot: A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 22 4.- TECNOLOGIA DE DISCO STIRLING 4. 1.- Descripción y análisis de los sistemas de disco Stirling En éste apartado, se va a realizar una revisión de los sistemas de disco Stirling, analizando tanto su evolución con el paso de los años como la función que lleva a cabo cada uno de los componentes que los constituyen. Finalmente, se hará un análisis del estado de desarrollo de la tecnología mediante el estudio de las diferentes plataformas en las cuales está implementada ésta tecnología. 4. 1. 1.- Introducción Los sistemas de disco parabólico son pequeños equipos de generación de energía que convierten la energía térmica de la radiación solar en energía mecánica y luego en energía eléctrica, del mismo modo en que las centrales eléctricas convencionales convierten la energía térmica de la combustión de un combustible fósil en electricidad. Figura 3. Dispositivos de disco Stirling A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 23 Los sistemas disco Stirling utilizan un espejo o conjunto de espejos para reflejar y concentrar la radiación proveniente de los rayos del sol en un receptor, con el fin de alcanzar las temperaturas necesarias para convertir eficientemente el calor en trabajo. La radiación solar concentrada es absorbida por el receptor y transferida a un motor. Esto exige que el plato siga la trayectoria del sol en dos ejes. Los sistemas disco Stirling se caracterizan por una gran eficacia, ya que han demostrado el más alto coeficiente de conversión de energía solar a eléctrica, situándose en torno al 26 %; una gran modularidad, lo que le permite operar de manera individual para aplicaciones remotas, o agruparse en pequeños grupos y conectarse a la red; y una inherente capacidad híbrida, esto es, la capacidad para operar con energía solar, con combustible fósil, o ambas cosas, para proporcionar energía las 24 horas, conectando, por ejemplo, un quemador de gas al receptor, tal y como se desarrollará convenientemente en apartados venideros. Esta tecnología se encuentra en la etapa de desarrollo y los técnicos siguen enfrentándose con desafíos en relación con los componentes más idóneos para trabajar con energía solar y con la capacidad comercial de un motor capaz de funcionar con la energía del Sol. Sin embargo, ya hay instalaciones que han implementado ésta tecnología a gran escala. Por ejemplo SES [74], puede considerarse que ya emplea ésta tecnología para la producción propiamente dicha. De todos modos y a pesar de la existencia de instalaciones en funcionamiento para la producción comercial de energía eléctrica, se trata de una tecnología que puede considerarse todavía en fase de desarrollo. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 30 El concentrador de forma ideal es un paraboloide de revolución. Algunos concentradores solares aproximan esta forma con múltiples espejos en forma esférica sujetos mediante una estructura apropiada. El diseño óptico del concentrador y su precisión determinan el coeficiente de concentración. El coeficiente de concentración, que se define como flujo medio solar que atraviesa la apertura del receptor, dividido por la irradiación solar normal directa del ambiente, se sitúa generalmente en valores por encima de 2.000, lo cual permite obtener temperaturas de operación muy altas. Las fracciones interceptadas, que se definen como el porcentaje del flujo de energía solar reflejada a través apertura del receptor, son por lo general más del 85%. Figura 5. Concentrador solar con múltiples espejos. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 31 El seguimiento en dos ejes se puede realizar de dos maneras: (1) seguimiento de elevación-acimutal, y (2) el seguimiento en coordenadas polares. Con seguimiento de elevación-acimutal, el plato gira en un plano paralelo a la tierra (acimut) y en otro plano perpendicular a ella (la altitud). Estos sistemas proporcionan al colector la capacidad de rotar a izquierda / derecha y arriba / abajo mediante el uso de un pequeño servomotor. La tasa de rotación varía a lo largo del día, pero se puede calcular fácilmente. La mayoría de los sistemas disco Stirling más grandes utilizan este método de seguimiento (un programa de ordenador predice la posición del sol en cada momento). En el método de rastreo polar, el colector gira en torno a un eje paralelo al eje de rotación de la tierra. En la actualidad, su escaso uso se da en sistemas pequeños (la orientación hacia el sol es determinada por un sensor de seguimiento). Un punto importante a destacar en la implementación de los sistemas de seguimiento, es que requieren bancadas de hormigón con altas exigencias, para proporcionar al sistema la estabilidad suficiente, que se ve alterada con el movimiento del mismo debido al sistema de seguimiento. • Receptor: El receptor resulta ser el dispositivo de enlace entre el concentrador y el motor Stirling. Tiene dos tareas fundamentales: - Absorber la radiación solar reflejada por el concentrador. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 32 - Transmitir esta energía absorbida al motor Stirling en forma de calor con las mínimas pérdidas. Los receptores empleados en los discos parabólicos son receptores de cavidad en los que la radiación concentrada entra por una apertura, situada en el foco del paraboloide, incidiendo posteriormente sobre el absorbedor. De esta forma se consigue disminuir las pérdidas radiactivas y convectivas, así como homogeneizar el flujo radiante incidente sobre el absorbedor y reducir su valor máximo. En la actualidad, existen dos tipos de receptores utilizados en sistemas disco Stirling, a saber, receptores de tubos de iluminación directa (DIR) y receptores de reflujo. - Receptores de iluminación directa (DIR): Los receptores directamente iluminados permiten una adaptación directa del calentador de los motores Stirling convencionales. En estos receptores el Figura 6. Receptor DIR. Sistema de SAIC / STM Sundish [76]. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 33 absorbedor está formado con un haz de tubos por donde circula el fluido de trabajo del motor (helio o hidrógeno) altamente presurizado (5 - 20 MPa). La radiación incide directamente sobre estos tubos y es transformada en energía térmica y transmitida al fluido de trabajo. Las altas temperaturas de trabajo de estos absorbedores (del orden de 800ºC) dificultan el empleo de recubrimientos selectivos por el gran solape de la radiación emitida y absorbida. Un inconveniente de estos receptores es la falta de uniformidad en el flujo de radiación incidente en el absorbedor, lo cual trae como consecuencia el que la temperatura de los tubos absorbedores presente picos, limitando por tanto la máxima temperatura del fluido de trabajo para evitar sobrepasar la máxima temperatura permitida en los materiales. - Receptores de reflujo: Este tipo de receptores emplea un fluido intermedio para la transmisión del calor, generalmente un metal líquido (normalmente sodio), mediante su evaporación en la superficie del absorbedor y su condensación en los tubos Figura 7. Receptor de Sandia [85]. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 34 por donde circula el fluido de trabajo. Al condensar el metal líquido, por gravedad regresa a la superficie del absorbedor. En la actualidad se intenta emplear este tipo de receptores debido a las ventajas que presentan: - La gran capacidad de transmisión del calor de los metales líquidos (hasta 800 W/cm 2 ) permite desarrollar receptores más pequeños. - Mediante la condensación de este metal líquido se consigue un calentamiento más uniforme del fluido de trabajo, y este se produce realmente a temperatura constante, lo que permite trabajar con temperaturas máximas del fluido de trabajo más cercanas a las máximas admisibles por los materiales. - Permite el diseño independiente de receptor y motor, evitando los compromisos de diseño entre ambos que limitaban el rendimiento en el caso de los receptores de tubos directamente iluminados. - Se facilita la hibridación del sistema. • Alternador: Es el dispositivo de conversión de la energía mecánica en eléctrica utilizado en los sistemas disco Stirling. Los motores Stirling utilizan generadores de inducción para poder acoplarse a la red. Al sincronizarse los generadores con la red estos pueden suministrar potencia trifásica, ya sea a 230 o a 460 voltios. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 35 Estos generadores son capaces de convertir la energía mecánica en electricidad con una eficiencia de alrededor del 94 %. El sistema dispone de unos inversores que convierten la corriente continua en alterna. Ello permite emplear máquinas de corriente continua como generadores, pudiendo funcionar a régimen de giro variable, teniendo con ello más flexibilidad para adaptarse a la demanda de electricidad instantánea. • Sistema de refrigeración: Los motores necesitan transferir al medio ambiente grandes cantidades de calor debido a sus capacidades estructurales. Los motores Stirling utilizan un radiador para realizar el intercambio de calor entre el motor y la atmósfera. • Controles: El modo de funcionamiento autónomo se logra mediante el uso de controladores electrónicos situados en el disco parabólico para el control de la función de seguimiento y para regular el funcionamiento del motor. Algunos sistemas utilizan un controlador de motor por separado. En las grandes instalaciones existe un Sistema de Control y de Adquisición de Datos (SCADA) que se utiliza para poder monitorizar y supervisar el funcionamiento del sistema, y para recoger sus principales datos de funcionamiento, de manera sincronizada con otras instalaciones de producción de energía eléctrica. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 36 • Motor: Fundamentalmente estos sistemas incorporan un motor de tipo Stirling. Sin embargo, existen también otros ciclos termodinámicos y fluidos de trabajo que pueden funcionar correctamente en estos sistemas, entre los cuales pueden destacarse los ciclos de Rankine, utilizando agua o un fluido de trabajo orgánico y ciclos de Brayton. Así pues, los motores más utilizados son por lo general de tipo Stirling. En estos sistemas disco-motor el calor también puede ser suministrado por un quemador de gas suplementario para permitir funcionamiento durante tiempo nublado y por la noche, lo que se conoce como hibridación y que se desarrollará más adelante. El motor en un sistema disco Stirling convierte el calor en energía mecánica de una manera similar a los motores convencionales, por la compresión de un fluido de trabajo cuando está frío, el cual se calienta durante la compresión y que, a continuación, se expande a través de una turbina o con un pistón para producir trabajo. Posteriormente, la energía mecánica se convertirá en energía eléctrica gracias a un generador de energía eléctrica o alternador. La producción eléctrica actual de los prototipos de sistemas disco Stirling se sitúa alrededor de 25 kWe, existiendo unidades más pequeñas, proporcionando energía eléctrica desde 1 kWe. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 37 4. 1. 4.- Plataformas de concentración de dispositivos disco Stirling En éste apartado, tal y como ya se había adelantado en la introducción, se va a realizar un estudio de algunas de las plantas termosolares tanto en fase de producción como en fase de desarrollo, que incorporan dispositivos de tipo disco Stirling. Aquí, en concreto, van a ser analizadas dos de las plataformas más importantes que incorporan la tecnología de SES, como Maricopa Solar y Calico Solar y las que se encuentran ubicadas en la PSA. • Plataformas con tecnología desarrollada por SES [74]: - Maricopa Solar [86]: La Planta Solar de Maricopa se trata de un proyecto de demostración en fase de producción de 1,5 MWe de energía solar de concentración, situado en Peoria, en el estado de Arizona, EE. UU, fruto del acuerdo de colaboración firmado por Tessera Solar [87], con sede en Texas, que pagará los derechos de explotación a Salt River Project, SRP por 10 años y la tercera compañía energética estatal SRP, que comprará parte de la energía producida por la planta. El proyecto inició sus operaciones la última semana de Diciembre de 2009, para finalmente ser inaugurada la planta en Enero de 2010. Figura 8. Maricopa Solar A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 38 La planta cuenta con 60 dispositivos SunCatcher, de 25 kWe de potencia eléctrica cada uno, los cuales han sido suministrados íntegramente por la empresa que los diseña y fabrica, Stirling Energy Systems (SES), con sede en Arizona. Por otro lado, con sede en Irlanda, NTR [88], empresa de energía, resulta ser el accionista mayoritario de Tessera Solar y SES. Así pues, el proyecto constituido por los 60 discos SunCatcher, se encuentra situado junto a la Estación Generadora de Agua Fría, operada y propiedad de SRP, quien, como ya se ha comentado anteriormente, comprará parte de la energía eléctrica generada en la plataforma Maricopa para ser empleada en la propia Estación Generadora de Agua Fría, motivo determinante a la hora de decidir el emplazamiento final de la planta. Por último señalar que el éxito que ha obtenido la planta de Maricopa ha llevado a cabo las funciones de mecanismo impulsor para el despliegue nacional de grandes proyectos comerciales, como los que posteriormente han sido anunciados en California y Texas, generando un total de 1.600 MWe de potencia eléctrica. - Solar One [144]: El 2 de diciembre de 2008, Stirling Energy Systems Solar One, presentó una solicitud de certificación (AFC) para construir y operar el proyecto denominado como Stirling Energy Systems Solar One, SES Solar One, un proyecto fundamentado en la tecnología de disco Stirling en San Bernardino, California. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 39 En enero de 2010, el proyecto cambió formalmente su nombre al proyecto Calico Solar. La construcción del proyecto comenzó a principios del año 2011 y se prevé sea inaugurado aproximadamente en Mayo del año 2014. El proyecto propuesto Calico Solar tendrá una potencia nominal de 850 MWe, generada por 30.000 dispositivos SunCatcher de 25 kWe de potencia eléctrica cada uno. El proyecto construido abarcará una superficie aproximada de 3.300 hectáreas ubicada en el Condado de San Bernardino, California. La mayor parte de la potencia del proyecto será generarada en las horas punta, cuando la demanda de electricidad sea mayor. Figura 9. SES Solar One. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 46 4. 2. 1.- Stirling Energy Systems, Inc (SES) • INFORMACION GENERAL: Fundada en el año 1996 y con sede en Scottsdale, Arizona, EE. UU, Stirling Energy Systems, Inc, (SES) [74] cuenta entre los miembros de su equipo, con la colaboración de Peter Becker, director de tecnología y entre sus socios con la aportación de Sandia National Laboratories [85] y el Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE), así como algunos de sus principales inversores, entre los que se encuentran Green Plains Renewable Energy, Inc [91], Tessera Solar [87], Wind Capital Group [92], y Greenstar [93]. SES se formó y adquirió todas las patentes de diseño e ingeniera fundamentadas en la tecnología de disco Stirling que habían sido desarrolladas durante casi tres décadas por algunos de los mejores ingenieros del mundo y los científicos en las operaciones de Ford para el Desarrollo Avanzado , McDonnell-Douglas Aeroespacial [73] y de Defensa y Aeroespacial y de Defensa de Boeing. Poco después, el SES puso en marcha dos políticas estratégicas y de colaboración público-privadas con los Laboratorios Nacionales Sandia, en Albuquerque, Nuevo México, EE.UU. y los Estados Unidos Departamento de Energía (DOE). Desde entonces, SES rediseñado el dispositivo SunCatcher, ha perfeccionado su diseño, rendimiento y coste, dejándolo listo para su comercialización. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 47 • DISCO STIRLING: Hoy en día, el SunCatcher se trata de un dispositivo fundamentado en la tecnología disco Stirling, capaz de generar 25 kWe, captando energía proveniente de la radiación solar. Así pues, la tecnología SunCatcher no precisa de ningún tipo de combustible, produce cero emisiones al ambiente y utiliza menos agua que otras tecnologías solares. El sistema SunCatcher incorpora tres controladores informáticos bien diferenciados encargados respectivamente del posicionamiento y seguimiento según dos ejes distintos para aprovechar al máximo la radiación solar, formando el disco un ángulo de 90º con el patrón de la mayor radiación solar directa, del control de desempeño de las temperaturas en el funcionamiento del dispositivo para la generación eléctrica y un control de las instalaciones y adquisición de datos, diseñado para maximizar la eficiencia global de la energía solar a la red de electricidad de calidad y el costo de operaciones de la planta y de gestión. Así pues, el sistema SunCatcher resulta ser un dispositivo altamente modulable, generando mediante 25 kWe eléctricos por unidad plantaciones que presentan una potencia instalada desde 1 MWe hasta 1.000 MWe, mediante la adhesión consecutiva de ejemplares. Por otro lado se trata de un sistema que oferta una gran flexibilidad a la hora de seleccionar su emplazamiento, esto es, permite desniveles del terreno hasta del 10 %, aumentando de éste modo el abanico de superficies disponibles para su explotación. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 48 También resulta interesante el hecho de ser un dispositivo que no requiere de absolutamente nada de agua en su funcionamiento, siendo necesaria solamente para los procesos de lavado de los discos, una característica que convierte a ésta tecnología en altamente viable de ser implementada en grandes áreas ubicadas en los desiertos, que presentan una gran planitud y elevado número de horas de radiación solar al día, motivo por el cual fue el dispositivo seleccionado para ser empleado en la planta Maricopa Solar [86], en Arizona, en el desierto del Mojave y en la planta Calico Solar [89], California. Por último señalar que se trata del dispositivo con las mayores eficiencias diseñado hasta el momento, dando lugar a una eficiencia promedio del 26 %, alcanzando en valores pico el 31.25 %. Figura 14. Dispositivo disco Stirling SunCatcher producido por SES. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 49 • APLICACIONES: Tal y como ya se ha comentado, la primera planta de energía SunCatcher, a escala comercial, entro en funcionamiento a principios del año 2010, en la planta Maricopa Solar, generando un total de 1.5 MWe de potencia eléctrica. 4. 2. 2.- Renovalia Energy • INFORMACION GENERAL: Renovalia Energy [93] nació hace más de diez años en Villarrobledo, Albacete, para dar suministro eléctrico a la compañía industrial de la familia Ortega Martínez, Grupo Forlasa [94]. Esta iniciativa surgió del deseo de ofrecer soluciones energéticas asequibles y renovables, combatir el cambio climático y mejorar la vida de las personas, eliminando las fuentes de energías tradicionales, altamente contaminantes, de sus procesos de producción. En un importante giro estratégico, la familia Ortega se desprendió del negocio lácteo de Forlasa para dedicar sus esfuerzos a las energías renovables. Grupo Forlasa nació en 1970 de la mano de Bernardo Ortega. La compañía francesa Lactalis [95] se hizo con el negocio a principios de 2010. Renovalia Energy es una compañía especializada en la promoción, ingeniería, construcción, explotación y venta de electricidad generada a través de fuentes de energía renovable (eólica, solar fotovoltaica, solar fotovoltaica de concentración, solar termoeléctrica y mini-hidráulica). A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 50 La compañía, presente en siete países (España, EEUU, Canadá, México, Italia, Rumanía y Hungría), cuenta con más de 570 MWe operativos y en construcción divididos en diez parques eólicos, seis parques solares fotovoltaicos, una central minihidráulica y una planta termosolar. Tiene una cartera de proyectos de más de 2.400 MWe diversificada tanto desde un punto de vista geográfico como tecnológico. Hoy en día, Renovalia Energy es una de las compañías de referencia en el sector y posee uno de los mix energéticos más equilibrados del mercado, lo que la ha convertido en una de las mayores productoras de energías limpias. La compañía ha mantenido siempre una estrategia empresarial de continua inversión, con el objetivo de abaratar las tecnologías renovables, reducir el impacto ambiental de las mismas e incrementar su presencia en el mercado tanto a nivel nacional como internacional. Así, Renovalia consiguió evitar en 2009 la emisión a la atmósfera de 380.399 toneladas de CO2, el equivalente al dióxido de carbono que absorbe un bosque de más de 1.000.000 de árboles en toda su vida. Renovalia está presente en todos los eslabones de la cadena de valor. A través de su división de ingeniería, la compañía presta servicios técnicos, de consultoría, construcción, operación y mantenimiento de sus instalaciones. Concretamente en el ámbito solar, Renovalia diseña y fabrica sus propias estructuras metálicas de soporte de paneles, seguidores monoaxiales y biaxiales, componentes eléctricos, dispositivos de comunicaciones para inversores, y sistemas de control y seguimiento de sus instalaciones. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 51 Renovalia Energy ha conseguido convertirse en un referente global en el sector de las energías renovables a lo largo de los últimos años. El liderazgo de Renovalia se manifiesta en términos cuantitativos (más de 570 MWe en operación y construcción, pipeline de 2,4 GWe a desarrollar en los próximos años) y cualitativos (evidenciado por el reconocimiento de marca nacional e internacional, su fuerte inversión en I+D+i y tecnologías pioneras, o sus extensas relaciones institucionales y alianzas comerciales, entre otros). • DISCO STIRLING: A pesar del hecho de ser una compañía que trabaja con un gran abanico de tecnologías en materia de generación de energía a partir de fuentes renovables, aquí se va a centrar el estudio de ésta empresa en el desarrollo de proyectos de tecnología de disco Stirling bien llevados a cabo o bien en promoción por Renovalia Energy. Esta tecnología está compuesta básicamente por una parábola reflectante y un generador de combustión externa de tipo Stirling. El sistema, a diferencia de las tecnologías de primera generación, no necesita agua ni gas, es silencioso y de tamaño reducido. Al no necesitar agua, esta tecnología no tiene restricciones en cuanto a su ubicación. Además, se caracteriza por la reducida operatividad de su construcción, siendo necesarios tan solo 6 meses frente a la media de 24 meses de otras tecnologías, alta eficiencia de hasta un 24 %, frente al 12 % de los paneles fotovoltaicos y el 13-15 % de los cilindros parabólicos termosolares de primera generación, y por su autonomía y bajo mantenimiento. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 52 • APLICACIONES: De éste modo, el 4 de Mayo de 2010. Renovalia Energy, puso en operación la primera planta de energía termosolar de segunda generación del mundo. La planta cuenta con una capacidad de 1 MWe de potencia y está situada en el municipio de Casas de los Pinos, Cuenca. Denominada Casa del Ángel Termosolar [96], la planta utiliza generadores de combustión externa de tipo Stirling de la compañía estadounidense Infinia junto a la tecnología de Renovalia Energy, que la compañía desarrolla y comercializa a nivel mundial. Para la construcción de Casa del Ángel Termosolar, se han empleado espejos reflectantes de la compañía Rioglass [97] y materiales fabricados por empresas españolas del sector auxiliar del automóvil. De hecho, éste era uno de los objetivos de Renovalia Energy a la hora de desarrollar la energía termosolar de segunda generación: Figura 15. Dispositivo disco Stirling producido por Renovalia Energy. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 53 no sólo reducir los costes de producción de la energía, y que ésta pueda competir con los combustibles fósiles en un futuro, sino generar también crecimiento en el tejido empresarial español. Por otro lado, además de Casa del Ángel, Renovalia Energy tiene preasignados 71,39 MWe de energía termosolar en España. Se trata de 8 proyectos, que utilizarán esta revolucionaria tecnología, y que estarán situados en las localidades de Villarobledo (Albacete) y Puertollano (Ciudad Real). Comenzarán a estar operativos en 2012 y 2013. Renovalia Energy, a través de su división de ingeniería, también desarrollará proyectos de energía termosolar de segunda generación para terceros. De hecho, la compañía ya ha llegado a importantes acuerdos con destacadas empresas del sector en esta área. Es el caso de los firmados con Iberdrola Renovables [98] para la evaluación de esta tecnología en España, y la creación de un joint venture con Gamesa [99] para el desarrollo e integración de las energías eólica y solar. 4. 2. 3.- InfiniaCorp • INFORMACION GENERAL: InfiniaCorp [20], tal y como ya se ha comentado en apartados anteriores, se trata de una empresa fundada en el año 1967, siendo a partir de 1985, cuando dedica toda su capacidad de investigación y desarrollo a la tecnología fundamentada en los motores de tipo Stirling, de alta fiabilidad y sistemas de energía para empresas comerciales y agencias gubernamentales. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 54 Infinia, con base en Kennewick, EE. UU., es una empresa privada con el apoyo significativo de GLG Partners [100], Vulcari Capital, Captial de Wexford, Idealab [101], Equus y Power Play Energy [102], empresas del sector energético. Por otro lado, además de tener su sede en Washington, Infinia cuenta con presencia, mediante oficinas comerciales, en Madrid, Tokio, Nueva Delhi, Los Angeles y Albuquerque. • DISCO STIRLING: Actualmente, el último producto desarrollado por la compañía es denominado como PowerDish. Se trata de un dispositivo fundamentado en la tecnología de disco Stirling que comenzó a producirse a gran escala a finales del año 2010, tras un largo periodo de pruebas y pre-producción. El PowerDish emplea un disco parabólico con superficie especular para concentrar los rayos del procedentes de Sol en el foco caliente del motor Stirling, creando de éste modo la diferencia de temperaturas necesaria para que éste se ponga en movimiento generando de así la energía eléctrica requerida, motor que por otro lado, ha sido diseñado e instalado en el dispositivo PowerDish por la propia compañía, siendo autosuficiente en éste sentido en el abastecimiento de la tecnología de motor Stirling. El PowerDish presenta una eficiencia media del 24 % y es completamente reciclable. Por otro lado, cada unidad de PowerDish es capaz de suministrar hasta 3,2 kWe de potencia eléctrica, que puede ser directamente aportada a la red general de distribución sin la intervención de ningún tipo de alternador, debido a que al incorporar en su funcionamiento un motor Stirling convenientemente adaptado genera directamente corriente alterna. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 55 A continuación se muestra un diagrama orientativo donde puede apreciarse la cantidad de potencia eléctrica en kilovatios que se obtiene en función de la hora del día en la que se encuentra en funcionamiento. Este gráfico, por supuesto, está sujeto a variaciones en función de la región de funcionamiento. Del mismo modo, presenta unas dimensiones relativamente reducidas para la potencia eléctrica que es capaz de suministrar, ya empleando un disco concentrador de 4,7 m de diámetro, presenta una altura de 5,6 m y una superficie, medida sobre el suelo en el que se instala de 21,62 m 2 , dando lugar a un total de 860 kg de peso por unidad. También resulta especialmente llamativo su bajo nivel de ruido durante su funcionamiento, situándose el mismo por debajo de los 60 dB a 10 m, lo que equivale a un nivel de conversación moderada. Gráfica 1. Potencia obtenida a lo largo de un día de funcionamiento [20]. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 62 Por último mencionar, que debido al elevado costo que la producción de la tecnología de disco Stirling supone, la mayoría de las empresas destinan su uso para grandes plataformas, dando lugar a potencias eléctricas finales de 1 – 1000 MW, esto es, para la producción de energía eléctrica en centrales solares de alta concentración. Por otro lado, al tratarse de dispositivos que incorporan un motor Stirling para la generación de energía eléctrica, cualquier fuente de calor o combustible puede ser empleado para su funcionamiento. De éste modo, estos dispositivos alcanzan un gran potencial cuando se hibridan, alternando el empleo de energía solar durante el día y biomasa o gas natural durante la noche o periodos transitorios en los cuales las condiciones atmosféricas no dejan absorber esa radiación correctamente. Igualmente resulta interesante su implementación cuando se cuenta con algún método de almacenamiento de energía de modo que pueda ser empleada en las situaciones en las que la radiación solar no está disponible. Del mismo modo resulta especialmente útil su implementación cuando se trata de generar simultáneamente energía eléctrica y térmica, esto es, se emplean con cogeneración. Algunos dispositivos, como Trinum, desarrollado por la empresa Innova Techonology Solutions ya incorporan éste tipo de medidas. Por otro lado, el hecho de ser dispositivos de grandes dimensiones, y potencias relativamente bajas en relación a su tamaño, hace que no resulten del todo rentables en instalaciones destinadas a la producción masiva de energía eléctrica, ya que precisan de grandes superficies, en las que, actualmente, debido a su estado de desarrollo y costes de producción, resulta más interesante instalar paneles fotovoltaicos. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 63 Sin embargo, el hecho de que las empresas destinen su producción y compra en grandes cantidades se debe a los altos costes de producción de ésta tecnología, de modo que un posible punto a evaluar en cuanto a la evolución de éstos sistemas podría estar sujeto al diseño de un sistema de producción fundamentado en los mismos procesos productivos automatizados que los componentes destinados a automoción, por ejemplo. Por último, y a modo de resumen de todo lo anteriormente comentado, podría concluirse que el verdadero potencial de estos sistemas pasa por la hibridación de los mismos, a ser posible con biomasa, única fuente renovable y almacenable a la vez conocida hasta el momento, y empleados con cogeneración, esto es para la producción simultánea de calor y electricidad. Además añadir, el verdadero potencial de ésta tecnología no está situado en torno a la producción masiva de energía eléctrica para suministrar a la red, debido a sus enormes dimensiones, tal y como se ha comentado líneas más arriba, si no en la producción de electricidad y energía térmica mediante sistemas individuales en poblaciones o lugares a los que a pesar de ser necesario, resulta relativamente complicado hacer llegar la energía eléctrica por los métodos convencionales. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 64 5.- REVISIÓN GENERAL DE LA ENERGÍA SOLAR 5. 1.- Energía fotovoltaica VS energía solar térmica La energía fotovoltaica y la energía solar térmica, representan las dos grandes tecnologías a la cabeza de las tecnologías en materia de aprovechamiento de la energía solar. En el siguiente apartado se va a desarrollar cada una de éstas dos variantes por separado, abarcando de éste modo tanto una descripción detallada de cada tecnología como su utilidad en el aprovechamiento de la energía solar como fuente de energía renovable, para finalmente concluir el mismo con una breve comparativa directa entre éstas dos tecnologías con el fin de poder apreciar más claramente sus diferencias. 5. 1. 1.- Energía fotovoltaica Introducción El aprovechamiento de la energía solar mediante células fotovoltaicas consiste en la generación de energía eléctrica mediante la foto – detección cuántica de un determinado dispositivo, normalmente una lámina metálica semiconductora, llamada célula fotovoltaica. Otros métodos de generación de energía eléctrica a partir de la A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 65 captación de energía solar están en fase de desarrollo, como pueden ser los métodos de base orgánica. Una de las características más importantes que se desprende el uso de estos sistemas es la posibilidad de generar energía eléctrica en el mismo punto en que se produce el consumo, se eliminan las pérdidas asociadas a la transmisión y distribución de la misma, que oscilan en torno a valores del 8 % al 12 % y del 16 % al 22 % [27], respectivamente. Así mismo, resulta interesante destacar que no producen ningún tipo de contaminación ni efecto nocivo, presentando costos de operación y mantenimientos incomparablemente inferiores a generados por las centrales termoeléctricas y que debido a su diseño modular, permiten inversiones de forma progresiva. La energía eléctrica generada puede ser empleada del mismo modo que la tomada directamente de la red de distribución general. De éste modo, dos son comúnmente los destinos de aprovechamiento de ésta energía. Por un lado constituye una alternativa altamente interesante en la generación de energía eléctrica mediante el empleo de energías renovables. Por otro lado, resulta ser una de las pocas tecnologías capaces de suministrar energía eléctrica a refugios y casas relativamente aisladas. Figura 18. Paneles fotovoltaicos A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 66 Sin embargo, ésta tecnología presenta un gran inconveniente, y es la elevada inversión inicial que requiere la instalación de éste tipo de sistemas, dando lugar, como ejemplo, en el caso de una instalación para abastecer de la energía eléctrica necesaria a una familia, a una inversión inicial superior a 30.000 Euros [28], lo que la convierte en una tecnología relativamente cara para un uso doméstico. Elementos constituyentes A continuación se van a enumerar y a explicar brevemente algunos de los componentes más usuales que se pueden encontrar en éste tipo de sistemas y que ayudará a comprender mejor explicaciones y desarrollos venideros. • Generador solar: Se trata de un conjunto de paneles fotovoltaicos que captan la energía solar y la transforman en corriente continua a baja tensión. Más adelante se explica con más detalle estos elementos. Figura 19. Esquema instalación fotovoltaica A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 67 • Acumulador: Es el elemento encomendado de almacenar la energía eléctrica producida por el generador solar. • Regulador de carga: Su función es evitar sobrecargas o descargas excesivas al acumulador, puesto que los daños podrían ser irreversibles. Debe asegurar que el sistema trabaje siempre en el punto de máxima eficiencia. • Inversor: Se encarga de transformar la corriente continua producida por el campo fotovoltaico en corriente alterna, la cual alimentará directamente a los usuarios. Paneles fotovoltaicos Los paneles o módulos fotovoltaicos, conocidos comúnmente como paneles solares, están formados por un conjunto de celdas (células fotovoltaicas) que producen electricidad a partir de la luz que incide sobre ello. El parámetro estandarizado para clasificar su potencia se denomina potencia pico, y se corresponde con la potencia máxima que el módulo puede entregar bajo unas condiciones estandarizadas, que son: - Radiación de 1000 W/m² - Temperatura de célula de 25 °C (no temperatura ambiente). A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 68 Por otro lado, resulta interesante destacar que las placas fotovoltaicas pueden dividirse en [29] [30] [31]: • Cristalinas: - Silicio puro monocristalino: se componen de secciones de un único cristal de silicio, reconocibles por su forma circular u octogonal, donde los cuatro lados cortos, si se observa, se aprecia que son curvos, debido a que es una célula circular recortada. Resultan ser placas rígidas y deben ser montadas en soportes rígidos también para su protección. Son las más eficientes, con valores del 15 – 25 % y las más caras de producir. - Silicio puro policristalino: están formadas por pequeñas partículas cristalizadas. Deben ser montadas en un marco rígido. Son un poco menos eficientes, que las placas monocristalinas, con valores del 14 – 20 %, pero también un poco más económicas - Silicio puro esférico: están compuestas por pequeños corpúsculos de silicio, como gotas de silicio. Consisten en una matriz de pequeñas células solares esféricas capaces de absorber la radiación solar con cualquier ángulo. • De capa delgada: - Silicio amorfo: se dan cuando presentan silicio que no se ha cristalizado. Son manufacturadas mediante la deposición de una fina capa de silicio amorfo en una gran variedad de superficies. Debido a la naturaleza amorfa de la capa cristalina, es flexible, y si se coloca sobre un soporte flexible también, el panel solar puede ser flexible. Una característica muy importante A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 69 de estas placas es que su potencia se reduce con el tiempo, mayoritariamente durante los primeros meses, después de los cuales se mantiene prácticamente estable. Son las placas menos eficientes, dando lugar a valores del 6 – 8 % y más económicas de construir. - Teluro de cadmio: rendimiento en torno al 8 %. - Arsiniuro de Galio: uno de los más eficientes con un rendimiento del 20 %. - Diseleniuro de cobre en indio: con un rendimiento en torno al 9 %. - Tándem: combinan dos tipos de materiales semiconductores diferentes logrando un rendimiento del 35%. Cada material aprovecha una parte solamente de la radiación solar y por este motivo la unión de dos o tres aumenta el rendimiento al poder aprovechar una parte mayor del mismo. En caso de tres materiales se llegaría a un rendimiento del 50%. Por otro lado, hay que destacar que su efectividad es mayor cuanto mayores son los cristales que las constituyen, pero también su peso, grosor y coste. Así pues, los módulos o paneles fotovoltaicos están constituidos por un cristal o lámina transparente situado en la zona superior y un cerramiento situado en la zona inferior del panel, de modo que entre ambas superficies queda encapsulado el sustrato conversor y sus conexiones eléctricas. La lámina inferior puede ser transparente, pero lo más frecuente es el empleo de un material termoplástico conocido como Tedlar. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 70 Para encapsular se suele añadir unas láminas finas y transparentes de EVA (Etileno Vinil Acetato), polímero termoplástico, también conocido como goma EVA, que se funden para crear un sellado anti humedad que las previene de la corrosión y posibles deterioros. A continuación, se muestra una tabla con diferentes materiales empleados en la producción de paneles fotovoltaicos. Puede observarse que no aparece el silicio en disposición esférica. Esto se debe a que a pesar de ser una tecnología conocida, no es tan empleada como el resto. Figura 20. Célula fotovoltaica. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 71 CUADRO RESUMEN DE LA TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA EFICIENCIA (%) TIPO DE CELDA LAB. PROD. VENTAJAS DESVENTAJAS FABRICANTES Silicio Monocristalino 19.1 12 a 14 • Tecnología bien desarrollada y probada. • Estable. • Mayor eficiencia. • Se fabrica en celdas cuadradas • Emplea mucho material caro. • Mucho desperdicio (casi la mitad) • Manufactura costosa Siemens (Alemania) Solec (USA) Solarex (USA) Tidelands (USA) CEL (India) Hoxan (Japón) PB Solar (UK) Pragma (Italia) Ansaldo (Italia) Nippon Elec. (Japón) Sharp (Japón) Helios (Italia) Hitachi (Japón) Mitsubishi (Japón) Kyocera (Japón) Heliodynámica (Brasil) Bharat (India) Isofotón (España) Komatsu (Japón) Silicio Policristalino 18 11 a 13 • Tecnología bien desarrollada y probada • Estable • Buena eficiencia • Celdas Cuadradas • Menos costoso que el monocristal • Material Costoso • Mucho desperdicio • Manufactura costosa • Menor eficiencia que el monocristal Solarex (USA) Pragma (Italia) Photowatt (Francia) AEG (Alemania) Kyocera (Japón) Silicio amorfo 15 11 a 13.5 • No requiere rebanado • Menos material desperdiciado • Potencial para rapidez de manufactura • Buena Eficiencia • Complejidad en el crecimiento del cristal ASE (USA) Westinghouse (USA) Tabla 2. Cuadro fabricación de la tecnología fotovoltaica. Tipos de producción de energía eléctrica Existen diferentes modalidades de agrupación de los sistemas fotovoltaicos. Así puede distinguirse entre sistemas aislados, de gran utilidad en zonas de difícil acceso y a las cuales resulta imposible hacer llegar el tendido eléctrico, sistemas de conexión a red y finalmente, sistemas híbridos. • Sistemas aislados Los sistemas fotovoltaicos aislados, pese a su reciente aparición, se han convertido en una fuente de energía insustituible en multitud de aplicaciones, A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 78 Potencia instalada y producción [34] España es en la actualidad, uno de los países con más potencia fotovoltaica del mundo, según la Agencia Internacional de la Energía (AIE) [43], con una potencia acumulada instalada de 3.523 MW. Tan solo en 2008 la potencia instalada en España fue de unos 2.500 MW, debido al anuncio de cambio de regulación a la baja de las primas a la generación que finalmente se produjo en septiembre de ese mismo año. Por otro lado, Alemania es actualmente el segundo fabricante mundial de paneles solares fotovoltaicos tras Japón, con cerca de 5 millones de metros cuadrados de paneles solares, a pesar del hecho de que la energía generada mediante los mismos, tan solo representa el 0,03% de su producción energética total. La venta de paneles fotovoltaicos ha crecido en el mundo a un ritmo anual del 20% desde el año 1990. En la UE el crecimiento medio anual es del 30%. De éste modo, se hace necesario resaltar que el crecimiento actual de las instalaciones solares fotovoltaicas está limitado por la falta de materia prima en el mercado (silicio apto para Figura 22. Planta de concentración solar fotovoltaica en Latinoamérica. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 79 aplicaciones solares) al estar copadas las fuentes actuales, aunque a partir de la segunda mitad de 2008 el precio del silicio para aplicaciones solares ha comenzado a disminuir al aumentar su oferta debido a la entrada en escena de nuevos productores. La inyección en red de la energía solar fotovoltaica, estaba regulada por el Gobierno Español mediante el RD 661/2007 con el 575 % del valor del kilowatio-hora (kWh) normal, lo que se correspondía con unos 0,44 Euros por cada kWh que se inyectaba en red. A partir del 30 de septiembre de 2008 esta actividad está regulada mediante el RD 1578/2008 de retribución fotovoltaica que establece unas primas variables en función de la ubicación de la instalación (suelo: 0,32 Euros/kWh o tejado: 0,34 Euros/kWh), estando sujetas además a un cupo máximo de potencia anual instalada a partir de 2009 que se adaptará año a año en función del comportamiento del mercado. Actualmente, el acceso a la red eléctrica en España requiere una serie de permisos de la administración y la autorización de la compañía eléctrica distribuidora de la zona. Esta tiene la obligación de dar punto de enganche o conexión a la red eléctrica, pero en la práctica el papeleo y la reticencia de las eléctricas están frenando el impulso de las energías renovables. Las eléctricas buscan motivos técnicos como la saturación de la red para controlar sus intereses en otras fuentes energéticas y con la intención de bloquear la iniciativa de los pequeños productores de energía solar fotovoltaica. Esta situación provoca una grave contradicción entre los objetivos de la Unión Europea para impulsar las energías limpias y la realidad de una escasa liberalización en España del sector energético que impide el despegue y la libre competitividad de las energías renovables. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 80 A continuación, se muestra la evolución que se prevé hasta el año 2030 de la potencia instalada en diferentes zonas del mundo, tanto por medio de una tabla donde se recogen los valores principales como mediante un gráfico de carácter más intuitivo y en el cual se aprecian mucho mejor las diferencias existentes en él [32]. Gráfica 3. Evolución de la potencia fotovoltaica instalada. POTENCIA (MW) AÑO 2000 2010 2020 2030 ZONA EE. UU 140 3000 15000 25000 Europa 150 3000 15000 30000 Japón 250 5000 30000 72000 Todo el mundo 1000 14000 70000 140000 Tabla 3. Evolución de la potencia fotovoltaica instalada. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 81 Situación de España en el año 2011 [34] Por último, resulta prácticamente imposible no mencionar la situación actual, tanto jurídica como económica que afronta España en cuanto a tecnología en sistemas fotovoltaicos se refiere. Así pues, se hace necesario mencionar el hecho de que las dos últimas normas emanadas por el Gobierno y, después de agrias disputas en el Congreso de los Diputados, luego en el Senado, vuelta otra vez al Congreso ratificándose, en definitiva, por los partidos políticos PSOE, PNV y CiU han hecho que las expectativas económicas de los productores de energía eléctrica fotovoltaica se hayan reducido en un 30 %. La situación anterior a estas medidas se regía por el RD 661/2007 y por el RD 1578/2008 de 26 de septiembre en el que se prometía una cantidad primada por cada kWh producido durante 25 años para, después, dar otra cantidad primada hasta la terminación de la vida útil de la instalación. Tras muchas e intensas gestiones el Gobierno elaboró dos normas, una que limitaba la percepción de primas hasta el límite del año 25 (RD 1565/2010, de 19 de noviembre) y la última, que fue publicada el 24 de diciembre de 2010, en la que se limitaba el número de horas susceptibles de pago, llegando a establecerse un recorte de un 30 % sobre lo prometido anteriormente. Se hizo mediante un Real Decreto Ley (el 14/2010 de 24 de diciembre) por lo que se impide su tramitación en los juzgados de forma directa al no poderse utilizar la vía del recurso de inconstitucionalidad de forma directa por los administrados. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 82 Sí, en cambio, quedan medidas como las efectuadas por fondos de inversión europeos mediante un arbitraje, recurso de inconstitucionalidad por parte del Gobierno de Murcia y manifestaciones vertidas por el Sr Günther Oettinger, comisionario europeo de la energía, en el sentido de no querer tolerar medidas retroactivas que, por su naturaleza, conllevan un fenómeno de inseguridad jurídica que hace quebrar para el extranjero la confianza en el mercado español. Por último se ha creído conveniente la presentación de un gráfico en el cual se muestra la evolución de la potencia instalada en España, hasta el año 2010 Gráfica 4. Evolución potencia solar fotovoltaica instalada en España. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 83 Ventajas e inconvenientes El empleo de la tecnología fotovoltaica para la generación de energía eléctrica constituye una serie tanto de ventajas que favorecen su uso y las convierten en tecnologías con un elevado potencial para sustituir a los sistemas de producción de energía a partir de fuentes de energía no renovables, como ciertos inconvenientes que resulta interesante analizar para tener mayor conciencia de la necesidad o no de su implementación en la producción general de energía. • Ventajas: Así pues, la implementación de la tecnología fotovoltaica para la generación de energía eléctrica, supone una serie de ventajas que van a ser analizadas a continuación: - Se trata de un sistema de producción de energía no contaminante, esto es, produce cero emisiones de CO 2 así como de otros gases, a la atmósfera. - No consume ningún tipo de combustible, contribuyendo de éste modo al modelo de desarrollo económico sostenible mediante el empleo de fuentes inagotables de energía, que confieren a las regiones que se abastecen de las mismas de cierta independencia de los países exportadores de combustibles. No genera ningún tipo de ruido. - Se trata de dispositivos cuya instalación resulta ser relativamente simple y con un mantenimiento muy reducido, presentando una viabilidad media de 30 años. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 84 - Permite la venta de excedentes de energía eléctrica a la red general lo que supone un volumen de ingresos adicional para el propietario del panel fotovoltaico. - Permite el aumento de potencia mediante la adición de paneles fotovoltaicos. Esto es posible gracias al diseño modular que caracteriza ésta tecnología. • Inconvenientes: Del mismo modo en que se han analizado las ventajas derivadas del empleo de ésta tecnología resulta igualmente interesante el análisis de los inconvenientes que puede representar su uso y desarrollo. - Así pues, puede resumirse que su principal inconveniente reside en el hecho de ser una tecnología relativamente cara, suponiendo, tal y como se ha explicado anteriormente, una inversión inicial para la instalación de la misma en un hogar de una familia europea de 30.000 Euros, inversión que resulta excesivamente elevada si para un uso doméstico es requerida. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 85 5. 1. 2.- Energía solar térmica Introducción La energía solar térmica, o energía termosolar, se define como el aprovechamiento de la energía procedente del Sol para generar calor mediante el uso de colectores o paneles solares térmicos. Esta agua a la cual se le ha aumentado la temperatura, podrá ser usada posteriormente para la producción de energía mecánica y, a partir de ésta última, de energía eléctrica. Otras aplicaciones para las que puede ser usada el agua a alta temperatura obtenida son la producción de agua caliente destinada al consumo de agua doméstico, ya sea Agua Caliente Sanitaria (ACS) o calefacción. Actualmente también existe la posibilidad, mediante el calor absorbido de la radiación solar, de alimentar una máquina de refrigeración por absorción, técnica que empleará esta energía solar térmica en lugar de electricidad para producir frío, del mismo modo en que lo hace un aparato de aire acondicionado tradicional. Resulta también muy interesante, y a pesar de que se explicará más adelante, hacer aquí una breve diferenciación entre la energía solar térmica de alta concentración y la energía solar térmica de baja concentración. Los sistemas de alta concentración son dispositivos que concentran la radiación solar en un punto, alcanzando temperaturas de hasta 1000 ºC. Dentro de los sistemas de alta concentración pueden distinguirse las centrales de torre y los dispostivos de disco parabólico. Por otro lado, los sistemas de baja concentración son dispositivos que concentran la radiación solar en una línea focal, dando lugar a temperatura mucho más bajas, en torno a los 40 – 50 ºC, no debiendo A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 86 superar nunca los 80 ºC. Dentro de los sistemas de baja concentración pueden distinguirse los colectores cilíndrico – parabólicos. Elementos constituyentes En el siguiente apartado, se van a analizar de modo superficial algunos de los diferentes elementos constituyentes presentes en una instalación solar térmica. Se estudiará con más detalle la función específica de cada uno en los diferentes apartados destinados a éste fin. Esto es debido a que existen variaciones importantes en cuanto a componentes dependiendo de la tecnología empleada, ya sea centrales de torre, colectores cilíndrico – parabólicos o tecnología de disco Stirling, tecnología de disco parabólico. Así pues, a excepción del captador, elemento constituyente común a las tres tecnologías, el resto de elementos sólo podrán encontrarse en centrales de torre y en centrales con colectores cilíndrico – parabólicos. • Captador: Los captadores solares, son los elementos encargados de absorber la radiación solar y concentrarla en un punto o en una línea, dependiendo de la tecnología empleada. Más adelante, y debido a ser uno de los elementos constituyentes más importantes y común a todas las tecnologías de aprovechamiento de la energía termosolar se estudirán estos elementos en profundidad. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 87 • Circuito primario: El circuito primario, se trata de un circuito cerrado, encargado del transporte de calor desde el captador hasta el acumulador (sistema que almacena calor). El líquido calentado (agua o una mezcla de sustancias que transportan el calor) lleva el calor hasta el acumulador. Una vez enfriado, vuelve al colector para volver a calentar, y así sucesivamente. • Acumulador: El acumulador es un depósito donde se acumula el fluido de trabajo calentado útil para la generación de electricidad. • Intercambiador de calor: El intercambiador de calor aumenta la temperatura del agua situada en la caldera con el objetivo de producir vapor, que será el encargado de mover la turbina. El intercambiador de calor, presenta una forma con motivos sinuosos, de modo que se consigue aumentar la superficie de contacto y por lo tanto, la eficiencia. • Circuito secundario: El circuito secundario es el encargado de conducir el vapor de agua generado en la caldera hasta la turbina, en la cual desarrollará una energía mecánica que gracias a un alternador se transformará en energía eléctrica. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 94 - Discos parabólicos: Otra variedad de centrales solares térmicas de alta concentración son los discos parabólicos, que emplean un motor Stirling para la generación de energía eléctrica. Estos discos son colectores que concentran la radiación solar en un receptor ubicado en el foco de la parábola. Presentan rendimientos medios individuales del 26 %. • Dispositivos de baja concentración: - Colectores cilíndrico – parabólicos: Conjunto de colectores cilindro parabólicos que se mueven con el sol concentrando la radiación en una tubería ubicada a lo largo del foco, la cual concentra el fluido de trabajo que transporta el calor adquirido. El fluido que se mueve por el tubo es calentado y transportado a una red de tuberías diseñada para minimizar las pérdidas de calor. Figura 24. Discos parabólicos A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 95 Tanto en sistemas de alta o baja concentración, la energía calorífica solar se transforma generalmente en energía eléctrica, aunque existe la posibilidad de almacenar calor. Centrales térmicas solares Las diferentes variantes de centrales térmicas solares, así como su metodología de funcionamiento, componentes, empresas productoras, eficiencias y costos tanto económicos como materiales, serán desarrollados en los apartados siguientes, por tanto se ha creído conveniente realizar aquí una muy breve descripción de las mismas para por fin, en los siguientes apartados entrar a desarrollar ambos temas con total dedicación. Una central térmica solar o central termosolar consiste en una instalación industrial en la que, a partir del calentamiento de un fluido mediante la absorción de la radiación solar y su uso en un ciclo termodinámico convencional, se está en condiciones Figura 25. Colectores cilindro parabólicos A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 96 de generar la potencia necesaria para, mediante el empleo de un alternador, generar energía eléctrica, del mismo modo en que se genera en una central térmica clásica. Constructivamente, resulta necesario concentrar la radiación solar para que se puedan alcanzar temperaturas elevadas comprendidas entre los 300 º C y los 1000 º C, para poder obtener así un rendimiento aceptable en el ciclo termodinámico, que no podría ser obtenido con temperaturas más bajas. Los fluidos y ciclos termodinámicos escogidos en las configuraciones experimentales que se han ensayado, así como los motores que implican, son variados, y van desde el ciclo Rankine (centrales nucleares, térmicas de carbón) hasta el ciclo Brayton (centrales de gas natural) pasando por muchas otras variedades como el motor de Stirling, siendo las más utilizadas las que combinan la energía termosolar con el gas natural. Así pues, pueden distinguirse dos variantes principales de centrales térmicas solares, centrales de torre, también conocidas como sistema de receptor central o centrales de cilindro parabólico. Ambas centran su trabajo en refractar los rayos procedentes de la radiación solar concentrándolos en un punto focal o en una línea focal, lugar donde se encuentra el receptor. El receptor es el encargado de recibir toda esa radiación calorífica concentrada y transmitirla mediante el intercambiador al fluido de trabajo, el cual, y tratándose de agua se evapora y mueve una turbina que es la encargada de generar la corriente eléctrica mediante la intervención de un alternador y otros dispositivos necesarios, o A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 97 bien si se trata de cualquier otro fluido de trabajo, como puede ser aire, sodio fundido o sales fundidas, éste transporta el calor a un generador de vapor y será por fin éste último el encargado de mover la turbina que al igual que en el caso anterior será la encargada de generar la corriente eléctrica mediante diversos dispositivos. Plantaciones térmicas solares Del mismo modo, la tecnología empleada en las plantaciones térmicas solares, conocida como tecnología de disco Stirling, será desarrollada con total profundidad en un apartado venidero en concreto. Por tanto, aquí simplemente se va a tratar de conferir una idea general de su funcionamiento y prestaciones. Así pues, del mismo modo que en las plantaciones fotovoltaicas podían encontrarse paneles fotovoltaicos encargados de recibir la radiación solar y transformarla mediante diversos dispositivos en energía eléctrica, en las plantaciones térmicas solares, pueden encontrarse dispositivos de disco Stirling. Un dispositivo de disco Stirling, tal y como ya se ha comentado anteriormente, consta de un disco parabólico con movimiento según dos ejes y que rastrea el movimiento del sol, que concentra la radiación solar en un punto en concreto, el foco, Figura 26. Centrales termosolares de torre central y cilindros parabólicos A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 98 en el cual se encuentra la zona caliente del motor Stirling y a la cual es necesario aumentar su temperatura para el funcionamiento del mismo. Gracias a ese aumento de temperatura producido en el foco caliente, el motor Stirling puede trabajar y mediante la transformación del movimiento de salida recogido en el cigüeñal del mismo puede obtenerse energía eléctrica. Por último, y tal y como se ha comentado anteriormente y se desarrollará más adelante en profundidad, resulta interesante mencionar algunas de las propiedades que presentan éste tipo de dispositivos, como pueden ser el hecho de ser los dispositivos con la mayor eficiencia conseguida en la actualidad para éste tipo de mecanismos, presentando así ratios de concentración de entre 600 a 2000, pudiendo alcanzar temperaturas superiores a los 1500 ºC en el foco. Figura 27. Plantación térmica solar de dispositivos de disco Stirling A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 99 Ventajas e inconvenientes El empleo de ésta tecnología para las diferentes aplicaciones ya mencionadas supone una serie de ventajas e inconvenientes, que van a ser analizados a continuación para una mejor comprensión de la tecnología y de las posibilidades que representa. • Ventajas: Los sistemas de generación de energía a partir del aprovechamiento de la radiación solar son fuente de numerosas ventajas, algunas de las cuales van a ser puestas de manifiesto a continuación: - Los sistemas pueden suponer ahorros en la generación de agua caliente en torno al 75 % [44] respecto a los sistemas actuales de preparación de la misma. - Los equipos para aprovechamiento térmico de la energía solar constituyen un desarrollo tecnológico fiable y rentable para la producción de agua caliente sanitaria en las viviendas. La inversión en paneles solares, además, puede ser amortizada con el ahorro que se obtiene . - Las placas solares pueden ser un complemento interesante de apoyo a la calefacción, sobre todo en sistemas que utilicen agua a temperatura inferior a 60ºC. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 100 • Inconvenientes: Del mismo modo, el empleo de ésta tecnología presenta también y notable inconveniente que va a ser citado a continuación: - Su discontinuidad en el tiempo. Ya que la producción óptima de energía se produce gracias a la radiación directa del Sol. Por lo tanto se trata de una producción de energía dependiente de las condiciones atmosféricas, lo que supone, por tanto, cierta incertidumbre en torno a la eficiencia de su funcionamiento. Sin embargo, con el objetivo de solventar éste problema derivado del empleo de éste tipo de dispositivos, se dispone de sistemas de almacenamiento de la energía generada, ya comentados en líneas anteriores, para poder ser empleada en cualquiera de éstas situaciones en las cuales el funcionamiento y generación de la misma no resulta ser el óptimo. 5. 1. 3.- Comparativa De éste modo, y una vez analizados los desarrollos más en profundidad de cada una de éstas dos tecnologías se está en condiciones de establecer una comparativa entre una y otra que facilite comprender las diferencias existentes entre las mismas, tales como la capacidad de decisión ente una y otra en función del objetivo que se quiera conseguir, los medios disponibles y el lugar el implementación de la misma. Ambas tecnologías tienen en común el no empleo de combustibles fósiles y la no generación de ningún tipo de residuos así como la dependencia que presentan de las condiciones atmosféricas para su funcionamiento. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 101 Sin embargo, el empleo de paneles fotovoltaicos resulta especialmente útil cuando se trata del abastecimiento de zonas rurales situadas en lugares de difícil acceso o electrificación de dispositivos como señales de tráfico, marítimas, etc.… mientras que, en principio, no resulta ser una tecnología del todo competitiva para aplicaciones domésticas en núcleos urbanos relativamente grandes. Esto es debido a que aunque sí suponen un ahorro económico sustancial precisan de una inversión inicial demasiado elevada como para resultar rentable su instalación. Es en éste punto, en la generación en poblaciones rurales aisladas, donde la tecnología de disco Stirling podría plantearse como una alternativa viable a la tecnología fotovoltaica, tal y como se desarrollará más adelante, debido a presentar unos valores de eficiencia sensiblemente más elevados, situados en torno al 26 % y una menor dependencia de las condiciones atmosféricas, gracias a técnicas de almacenamiento e hibridación. Por otro lado, la tecnología empleada en centrales de torre o de colectores cilíndrico parabólicos puede considerarse más interesante en cuanto a la generación de energía eléctrica a gran escala, destinada a ser exportada a la red general de distribución se refiere. Esto es debido por un lado a la mayor eficiencia que presentan los sistemas empleados mediante ésta tecnología, en comparación con los valores que presentan los valores fotovoltaicos, y por otro lado, a la reducción en un 30 % de las primas obtenidas por los propietarios de paneles fotovoltaicos. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 102 De éste modo, los sistemas fotovoltaicos presentan rendimientos en torno al 10 y el 14 %, en función de que sean amorfos, policristalinos o monocristalinos, aumentando conforme lo hace tanto su peso y dimensiones como su costo, mientras que la eficiencia media que presentan las centrales termosolares se sitúa en valores entre el 16 y el 20 %. Por último, la tecnología basada en el aprovechamiento de la energía solar mediante paneles fotovoltaicos presenta una ventaja sustancial, que comparte con la tecnología de disco Stirling, frente a la tecnología empleada en las centrales de torre y las de cilindro parabólico, y es que la potencia conseguida mediante la instalación puede ser ampliada o reducida cuanto se quiera con la sola adición o sustracción de paneles fotovoltaicos de modo que se puede ir invirtiendo en la plantación paulatinamente según se vaya queriendo aumentar dicha potencia. 5. 2.- Centrales de torre Dentro de las centrales térmicas solares, que aprovechan la radiación del sol para producir energía eléctrica, pueden distinguirse las centrales de torre, que están constituidas, entre otros, por dos componentes bien diferenciados; por un lado, un conjunto de heliostatos, que reflejan la radiación solar y por el otro una torre que recibe esa radiación. Figura 28. Central de torre central A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 103 5. 2. 1.- Elementos constituyentes Como ya se ha comentado anteriormente, las centrales de torre están constituidas por varios dispositivos diferentes que van a ser descritos a continuación para poder estar en condiciones, más delante, de comprender con exactitud cuál es el funcionamiento de éstas centrales. • Heliostato: Un heliostato está constituido por un conjunto de espejos que, gracias a la intervención de un mecanismo servomotor controlado por ordenador, son capaces de orientarse según movimientos en torno a dos ejes siguiendo la trayectoria descrita por el Sol durante su ciclo diurno, de un modo tal, que pueda ser maximizada la energía térmica procedente del Sol reflejada por los mismos. Se están realizando estudios acerca de los sistemas de control de estos dispositivos, con el fin de disminuir al máximo los costes totales de la planta y optimizar de la mejor manera posible la cantidad de radiación solar reflejada, y por tanto, aprovechada. Por otro lado, el tamaño de un heliostato oscila entre los 40 m 2 y los 150 m 2 , sin embargo, en la actualidad, se está comenzando a investigar acerca de la conveniencia de la sustitución de éstos de gran tamaño por heliostatos que presenten una superficie máxima en torno a 1 m 2 [45]. Así pues, el cometido primordial de los heliostatos consiste en reflejar la radiación solar que incide sobre ellos, siendo capaces, por otro lado, de reflejar A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 110 • Disposición en campo norte: En ésta configuración, los heliostatos se encuentran al Norte, con respecto a la posición de la torre. Atendiendo al parámetro de latitud en el cual se encuentre la central, es necesario señalar que cuanto más alejada del ecuador se sitúe la torre, mayor será la eficiencia óptica anual que presenta éste tipo de disposición con respecto a la disposición en campo circular. • Disposición circular en torno a la torre central: En éste caso, el campo de heliostatos se distribuye de modo más o menos uniforme y circular en torno a una torre central sobre la cual reflejan la radiación del Sol. Debido a que el coste de una torre crece de modo exponencial con su altura y a que la disposición en campo Norte, requiere de torres bastante más altas que la disposición en campo central, para una misma potencia térmica del receptor, cuanto mayor es el campo de ubicación de la central, más interesante resulta la implementación de una distribución según campo circular. Figura 30. Heliostatos según disposición de campo Norte. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 111 De éste modo, la distancia entre los heliostatos tiene que ser tal que se minimicen las sombras y bloqueos que tengan lugar entre ellos, pero no demasiado grande de tal forma que se optimice al máximo la ocupación del terreno disponible para la central eléctrica. Según la posición de los heliostatos dentro del campo, les tendrá que ser aplicados unos determinados coeficientes que tengan en cuenta la disminución del rendimiento por las sombras y los bloqueos, así como por la atenuación de la atmósfera. Por último, y a modo de ejemplo, para latitudes relativamente próximas al ecuador, como puede ser el caso de España, y, para plantas relativamente pequeñas como pueden ser PS10 O PS20, de 10 y 20 MW de potencia eléctrica respectivamente, pero que prácticamente no cuentan con dispositivos de almacenamiento térmico, la tendencia es elegir una distribución según campos Norte. Si embargo, para campos mayores, como la Gemasolar de 17 MW, y con 15 horas de almacenamiento, la elección es un campo circular [47]. Figura 31. Heliostatos según disposición circular. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 112 5. 2. 5.- Primeras plataformas con centrales de torre [48] Durante finales de los años 1970 y principios de los años 1980 se construyeron varias centrales eléctricas termosolares en distintos lugares del planeta y con diversas variantes tecnológicas, con objeto de demostrar la viabilidad de la generación de energía eléctrica a partir de la energía solar mediante la conversión térmica. Se ha creído conveniente, para entender en mayor medida la evolución que ésta tecnología ha experimentado desde sus inicios hasta su situación actual, una breve descripción de algunas de estas primeras centrales eléctricas termosolares mencionada algunas líneas atrás. • SSPS / CRS: Central de torre fundada en el año 1981 y situada cerca de Tabernas, en Almería. El fluido de trabajo contenido en el receptor era sodio fundido y alcanzaba temperaturas de 520 °C, generando de éste modo 0,5 MW de potencia eléctrica con 90 heliostatos distribuidos en una parcela de 3700 m2. El sodio fundido, contenido en el circuito primario, se empleaba para generar vapor de agua que a su vez movía un motor Spilling [49] acoplado a un generador eléctrico, encargado de generar la energía eléctrica. • Sunshine: Situada en Nio, Japón y fundada en el año 1981. El receptor de vapor de agua, generaba 1 MW eléctrico con 12.900 m2 de heliostatos. Funcionó durante tres años, demostrando la viabilidad tecnológica del proyecto. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 113 • Themis: La central de torre Themis, situada en Francia, comenzó a ser construida en el año 1979, con un presupuesto inicial de prácticamente 46 millones de euros, y fundada finalmente en el año 1982 y se mantuvo produciendo energía eléctrica entre los años 1983 y 1986. La central, constituida por 11.800 m 2 de espejos distribuidos en 201 heliostatos que reflejaban la radiación solar sobre un receptor que trabajaba con sales fundidas y que estaba situado en una torre central de 100 m de altura, era capaz de generar 2.5 MW de potencia eléctrica. Themis fue parada en su proceso transformador debido a la no rentabilidad de la producción eléctrica que llevaba a cabo, pero ha sido utilizada habitualmente con fines pedagógicos didácticos científicos, por estudiosos astrónomos, para observar, medir y estudiar los rayos gamma en el cosmos y la atmósfera. Actualmente, existe un proyecto de rehabilitación que contempla reparar la mitad de los heliostatos para desarrollar una energía de 1 MW mediante una turbina de gas instalada en la torre de la central y substituir la otra mitad de los espejos por paneles fotovoltaicos. • CESA1: Situada en Almería, España y fundada en el año 1983. Presentaba un receptor de vapor de agua que trabajaba a 520 °C y 10 bar de presión, y generaba A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 114 1,2 MW eléctricos con 11.900 m2 de espejo en 300 heliostatos. Disponía de un sistema de almacenamiento térmico de sales fundidas. El vapor alimentaba directamente una turbina, o se enviaba para calentar las sales fundidas. • SPP5: Central de torre con origen en el año 1985 y situada en Ucrania. En ésta ocasión se empleó un receptor de vapor de agua, generando así 5 MW de potencia eléctrica mediante el empleo de 40.000 m 2 de heliostatos. • Solar Two; Central situada en California, EE. UU y con un periodo de actividad comprendido entre los años 1996 y 1999. Utilizó parte de la infraestructura de Solar One, como la torre central, heliostatos, etc. Presentaba un receptor situado en la zona más alta de la torre, en cuyo interior circulaba el fluido de trabajo, que en éste caso se trataba de sales fundidas, generando, de éste modo 10 MW de potencia eléctrica mediante la implementación de 71.500 m 2 de heliostatos. A pesar de resultar ser una tecnología en constante crecimiento, ninguna de las mencionadas empresas continuó desarrollando sus productos ni generando energía eléctrica pasado el año 2002, con la excepción de los proyectos SSPS / CRS y CESA – 1, que si tuvieron una continuidad, no como plataformas generadoras de energía eléctrica, pero si como emplazamientos destinados a la prueba y desarrollo de tecnologías de éste tipo. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 115 5. 2. 6.- Plataformas con centrales de torre en la actualidad A continuación van a desarrollarse algunas de la plataformas que emplean la tecnología de centrales de torre en la actualidad, describiendo minuciosamente, tanto sus instalaciones como la potencia que son capaces de generar. PLATAFORMA SOLÚCAR [50] La Plataforma Solúcar es la mayor plataforma solar de Europa y está situada en el entorno de Sanlúcar la Mayor, Sevilla. En este complejo de plantas Abengoa Solar [50] opera comercialmente 183 megavatios (MW) y tiene una capacidad total prevista de 300 MW a partir de tecnología de torre y colectores cilindro - parabólicos principalmente. Actualmente, la Plataforma produce anualmente energía suficiente para abastecer a 94.000 hogares, y evita la emisión de más de 114.000 toneladas anuales de CO 2 . El proyecto, ocupa una extensión superior a las 1.000 hectáreas y supondrá la creación de 1.000 puestos de trabajo asociados a la fase de fabricación y construcción, cerca de 300, para la operación de las plantas, y otros 50, relacionados con la investigación y el desarrollo. Desde que empezó su construcción, la Plataforma Solúcar está potenciando el desarrollo de la industria local y de empresas de servicio y ha supuesto un impulso de la inversión tecnológica en la comarca así como el nacimiento del turismo científico que ha surgido con la puesta en marcha de la PS10, PS20, Solnovas, Sevilla PV y A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 116 Casaquemada PV. Además, la plataforma cuenta con un área de investigación y desarrollo donde se encuentran varias plantas de demostración de nuevas tecnologías. De entre todas las centrales puestas en marcha en la Plataforma Solúcar, se ha creído conveniente el desarrollo aquí de dos de ellas, por trabajar con la tecnología de torre central, ya que el resto de centrales emplean tecnología de colectores de tipo disco parabólico y fotovoltaica. • PS10 [50] [51]: La central termosolar de torre central, PS10, construida por Abengoa Solar en colaboración con el CIEMAT [53] en Sanlúcar la Mayor, Sevilla fue inaugurada oficialmente por el presidente de la junta de Andalucía, Manuel Chaves, en Marzo del año 2007 y lleva produciendo energía eléctrica, que suministra directamente a la red general de distribución desde Febrero del año 2007 Figura 32. Plataforma Solúcar A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 117 Se trata de una central con una disposición según campo Norte, formada por 624 heliostatos, una torre de 125 metros de altura y un receptor de tipo cavidad de 52 MWt de potencia térmica que trabaja con vapor de agua como fluido de transferencia, de modo que es capaz de generar una potencia eléctrica de 11 MW, dando lugar a una producción anual de 24,2 GWh de energía eléctrica, ocupando un campo de en torno a 55 hectáreas. El receptor, formado por cuatro paneles de tubos absorbedores en los que se produce la evaporación inicial del agua de alimentación, se encuentra en la parte alta de la torre central, concretamente a 100,5 m del suelo. Esta central, tal y como ya se ha comentado, trabaja con agua como fluido de trabajo tanto en el receptor central como en el circuito de potencia, así como en su sistema de almacenamiento, sistema que emplea agua a presión capaz de generar una energía equivalente a la generada por la central durante 50 minutos a media carga. Se prevé una vida operativa de al menos 25 años para la PS10, resultando ser la primera central de un conjunto de plantas solares que serán construidas hasta el año 2013, entre las que se encontrarán centrales de torre, de cilindro parabólico y mixtas, y con las que se podrá alcanzar una producción total de 300 MWe de potencia eléctrica, suficientes para abastecer a 180.000 hogares, o a toda la ciudad de Sevilla, evitando de éste modo la emisión de 600.000 toneladas de CO 2 a la atmósfera. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 118 • PS20 [50] [52]: La central PS20, construida por Abener [54], fue puesta en funcionamiento en Mayo del año 2009. Situada al oeste de la PS10 y constituidas por un campo de 1255 heliostatos, cada uno de 120 m 2 de superficie y diseñados por Abengoa Solar, dispuestos en disposición de campo Norte, una torre de 165 metros de altura y un receptor que trabaja con vapor saturado es capaz de generar una potencia eléctrica de 20 MW, dando lugar a una producción anual de 45 GWh de energía eléctrica, capaces de abastecer de energía eléctrica a 10.000 hogares y evitando así la emisión de 12.000 toneladas de CO 2 anuales a la atmósfera. De éste modo la PS20, incorpora avances tecnológicos muy importantes, desarrollados por Abengoa Solar, respecto a la primera torre, la PS10, y entre los cuales se pueden destacar el diseño de un receptor con más eficiencia, y diversas mejoras en los sistemas de control y operación, así como en el sistema de almacenamiento térmico de energía. PLATAFORMA SOLAR DE ALMERIA (PSA) [55] La Plataforma Solar de Almería, PSA, cuenta con dos instalaciones excepcionales para el ensayo y validación de componentes y aplicaciones con tecnología de receptor central. Las instalaciones CRS y CESA-1 permiten abordar proyectos y validar tecnologías en un rango de producción desde centenares de kilovatios hasta varios megavatios. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 119 Son por tanto dos laboratorios, situados a la intemperie, especialmente acondicionados para escalar y cualificar sistemas en su fase previa a la etapa de demostración comercial. • CESA – 1 [55]: El proyecto CESA-I fue promovido por el Ministerio de Industria y Energía de España e inaugurado en el mes de Mayo del año 1983, como ya se ha comentado anteriormente, para demostrar la viabilidad de las plantas solares de receptor central y para permitir el desarrollo de la tecnología necesaria. En la actualidad CESA-I ya no produce electricidad, sino que se opera, con un alto grado de flexibilidad, como una instalación de ensayo de componentes y subsistemas como helióstatos, receptores solares, sistemas de almacenamiento térmico, turbinas de gas solarizadas, sistemas de control e instrumentación para la medida de altos flujos de radiación solar concentrada. Del mismo modo, también constituye una plataforma empleada para otras aplicaciones que requieran altas concentraciones fotónicas sobre superficies relativamente grandes, como es el caso de procesos químicos a alta temperatura, tratamiento superficial de materiales o experimentos astrofísicos. La instalación capta la radiación solar directa por medio de un campo de 300 helióstatos, de 39,6 m2 de superficie cada uno, distribuidos según una distribución de campo Norte de 16 filas con una extensión de 82.500 m 2 . Así pues, los helióstatos tienen una reflectividad nominal promedio del 90%, el error A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 126 5. 3.- Cilindros parabólicos Del mismo modo que anteriormente se desarrollaba en el apartado dedicado a las centrales de torre, las centrales de cilindros parabólicos suponen también una tecnología a tener en cuenta en cuanto al aprovechamiento de la energía solar para generación de energía eléctrica se refiere. De hecho, los sistemas de cilindros parabólicos son la tecnología que está siendo usada en la actualidad para la aplicación a gran escala, la tecnología de torre central, al menos en España, se encuentra todavía en fase de desarrollo. De éste modo, la tecnología cilindro parabólica basa su funcionamiento en el seguimiento solar y la concentración de los rayos solares en unos tubos receptores de alta eficiencia térmica localizados en la línea focal del cilindro, generando así energía eléctrica, como más adelante se detallará en profundidad. Figura 35. Colector cilindro parabólico A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 127 5. 3. 1.- Elementos constituyentes A continuación se va a llevar a cabo una breve descripción de los elementos constituyentes de la tecnología de cilindros parabólicos, para, más adelante, poder comprender con mayor exactitud cuál es su funcionamiento, como así también las ventajas e inconvenientes que representa su uso. • Reflector cilindro parabólico: La misión del receptor cilindro parabólico consiste en reflejar y concentrar sobre el tubo absorbente la radiación solar directa que incide sobre la superficie. La superficie especular se consigue a través de películas de plata o aluminio depositadas sobre un soporte que le da la rigidez suficiente. En la actualidad, la chapa metálica, el vidrio y el plástico, son los materiales más empleados como soporte. Figura 36. Componentes colector cilindro - parabólico A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 128 • Tubo absorbedor: El tubo absorbedor consta de dos tubos concéntricos entre los cuales no se encuentra ningún elemento adicional. El interior, por el que circula el fluido que se calienta es metálico y el exterior, es de cristal. El fluido de trabajo que circula por el tubo interior es diferente según la tecnología empleada. Para temperaturas inferiores a los 200 ºC se suele utilizar agua desmineralizada con Etileno-Glicol mientras que para temperaturas situadas entre los 200º C y los 450 º C se emplea aceite sintético. Las últimas tecnologías permiten la generación directa de vapor mediante la alta presión a la que son sometidos los tubos y la utilización de sales como fluido de trabajo. • Sistema de seguimiento solar: El sistema seguidor más común aplicado en ésta tecnología consiste en un dispositivo capaz de girar los reflectores cilindro-parabólicos del colector alrededor de un único eje. • Estructura metálica: La misión de la estructura del colector es la de conferir de la rigidez necesaria al conjunto de elementos que lo componen. A continuación se muestran dos imágenes en las cuales se pueden apreciar tanto la finalidad del sistema de seguimiento solar como un dispositivo real de colecto cilindro – parabólico. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 129 Por otro lado, resulta altamente interesante señalar, que la eficiencia que presentan éste tipo de sistemas está directamente relacionada con la eficiencia de cada uno de sus componentes, y han de ser, por tanto, estudiados de modo individual. Así pues, puede hacerse la siguiente clasificación: • Elementos concentradores: La eficiencia de éste elemento se encuentra ligada tanto a la reflectividad que presenta el espejo acoplado al sistema, que ha de ser, por otro lado, proporcionada por cada fabricante, como a la curvatura del mismo. • Estructura soporte: El diseño de la estructura ha de optimizar la eficiencia geométrica del colector cilindro parabólico, teniendo para ello en cuenta factores como la capacidad de transmisión del par torsor que el sistema motriz del colector aplica a la estructura, la capacidad para absorber las cargas externas a las que se encuentra sometido el colector, rigidez de la estructura, la capacidad para conservar la distancia focal a lo largo de todo el colector, etc… Figura 37. Sistema de seguimiento solar y dispositivo real de colector cilindro - parabólico A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 130 • Tubos absorbedores: La eficiencia de estos elementos se encuentra sujeta a diversos factores, como la transmitancia del tubo de vidrio, la absortancia del tubo de metal y la emitancia del tubo de metal. La eficiencia de este componente pues, queda maximizada si lo hacen también los dos primeros factores mencionados y se minimiza la emitancia del tubo de mtal. Para la comprensión de éste punto es interesante señalar que la transmitancia de un cuerpo es la cantidad de energía térmica que es capaz de pasar a su través por unidad de tiempo, absortancia es la fracción de radiación abosrbida por una superficie por unidad de tiempo y la emitancia la cantidad de radiación emitida por una superficie por unidad de tiempo. • Sistema de seguimiento: Tanto el control, como el sistema motriz del colector cilindro parabólico han de ser optimizados para que el seguimiento de las trayectorias del Sol a lo largo del año se realice de modo continuo y sin interrupciones de ningún tipo. Del mismo modo los costes asociados a la producción de éste componente han de ser los menores posibles, para no encarecer en exceso el dispositivo. Finalmente, se van a proporcionar unos valores orientativos de eficiencias de algunos de los componentes de éste tipo de sistemas. Así pues, puede considerarse una eficiencia media anual para el campo de concentradores del 50 %, una eficiencia media anual para el circuito de la turbina del 30 % y una del 15 % para el resto de la A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 131 instalación, obteniendo valores pico del 70%, 40 % y 28 % respectivamente para cada uno de los colectores mencionados [59]. 5. 3. 2.- Funcionamiento En el interior de los tubos, un fluido de trabajo es el encargado de transmitir el calor, de éste modo, un aceite sintético es calentado por los rayos solares concentrados a una temperatura de aproximadamente 400ºC. Este aceite es bombeado a través de una serie de intercambiadores de calor con el objetivo de producir vapor, que más tarde, y debido a su paso a través de turbinas, será el encargado de generar la energía eléctrica. El calor presente en este vapor, se convierte en electricidad en una turbina de vapor convencional. Por otro lado, resulta interesante resaltar el hecho de que las plantas cilindro parabólicas permiten almacenar el calor mediante tecnología de sales y la hibridación con ciclo combinado, ISCC en inglés. 5. 3. 3.- Esquemas de instalación A continuación, se van a desarrollar los distintos esquemas de disposición de las centrales de colectores cilindro parabólicos. El motivo por el cual éste punto se ha desarrollado para ésta tecnologías mientras que para el resto no, se debe a que los colectores cilindroparabólicos resultan ser sistemas con un nivel de desarrollo muy superior a las demás tecnologías de expotación termosolar, de modo que las centrales A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 132 que se encuentran en funcionamiento en la actualidad se dedican a la producción masiva de energía eléctrica destinada a la venta a la red de distribución general, mientras que en el caso la tecnología referida a los dispositivos de disco Stirling o las centrales termosolares de torre central se encuentra todavía en fase de estudio y desarrollo. Pueden distinguirse en la actualidad tres configuraciones diferentes para las plantas de concentración de cilindros parabólicos. La configuración más simple produce electricidad solamente durante las horas de sol. Otros métodos como el almacenamiento y la hibridación permiten la gestionabilidad de la electricidad de forma que pueda ser producida cuando la red eléctrica lo requiera. • Planta básica: En una planta de concentración de energía termosolar, mediante dispositivos cilindro-parabólicos, dispuestos en configuración básica, se genera energía eléctrica de forma continua a lo largo de todo el día, durante las horas que tiene lugar el ciclo solar. Esta configuración de la planta supone una gran sencillez en su implementación así como en su control, sin embargo, también presenta diversos inconvenientes que no la hacen del todo adecuada si para la generación de energía eléctrica de modo continuo es requerida, entre los cuales pueden destacarse el hecho de que para el correcto funcionamiento de la misma sea necesaria una radiación directa por parte del Sol, esto es, sin ningún tipo de nubes que atenúen tal radiación, de modo que resulta ser una configuración altamente dependiente de las condiciones atmosféricas. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 133 Por otro lado, la energía eléctrica únicamente puede ser generada durante el día, ya que por la noche no puede ser captada la radiación del Sol debido a su inexistencia derivada de las distintas posiciones que adquiere el Sol a lo largo de su ciclo. De éste modo y como ya se ha comentado con anterioridad, no resulta ser una disposición adecuada cuando de la generación continua de energía eléctrica se trata. A continuación se muestra un esquema de una configuración básica para una planta de concentración con dispositivos cilindro-parabólicos. • Planta híbrida ciclo combinado – solar: La utilización combinada de la energía solar térmica de alta – media temperatura y un combustible fósil o renovable como la biomasa, forma parte de las posibles alternativas de obtención de energía eléctrica de forma más eficiente y con menores consecuencias medioambientales, considerando un futuro a medio – largo plazo. Figura 38. Configuración básica planta de cilindros parabólicos. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 134 Esta hibridación aporta una serie de ventajas para la instalación solar, como pueden ser, una mayor gestionabilidad de la energía, adaptación de la generación a la demanda de electricidad, estabilidad de la producción en los transitorios, apoyo en arranques y mayor utilización de los equipos de generación eléctrica. Así pues, el grado de hibridación puede ser muy variable, desde plantas que sólo recurren al combustible fósil para eliminar o reducir al mínimo imprescindible el almacenamiento térmico y cuya función principal es absorber los transitorios producidos por variaciones más o menos bruscas de la radiación solar y garantizar la producción, hasta ciclos combinados convencionales apoyados por energía solar, en los que el aporte de esta última fuente energética está entre el 10 y el 20 % de la producción. Un esquema de una planta de colectores cilindro parabólicos hibridada para la generación mediante ciclo combinado solar se muestra a continuación. Figura 39. Configuración hibridada de planta de colectores cilindro parabólicos. A NALISIS Y ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE D ISCO S TIRLING MEMORIA Página 135 • Planta con tecnología de sales fundidas: La tecnología de sales fundidas para el almacenamiento térmico es empleada en centrales termosolares en general, incluidas en ellas las centrales con colectores cilindro parabólicos, centrales objeto de nuestro estudio, con el objeto de almacenar energía térmica para su posterior uso en la generación de energía eléctrica cuando no sea posible la generación directa de la misma, debido a transitorios como pueden ser condiciones atmosféricas adversas o incluso durante las horas en las que no es posible captar la radiación solar, tal y como se ha comentado con anterioridad y por el contrario sea necesario una producción continua de energía eléctrica. De éste modo entre las diferentes características que les son requeridas al medio de almacenamiento empleado, pueden destacarse, entre otras, una alta densidad energética, una buena tasa de transferencia energética entre el fluido de trabajo absorbedor de calor y el fluido de almacenamiento, una alta estabilidad mecánica y química, una reversibilidad completa para ciclos de carga y descarga del proceso y un método de control y regulación eficiente y relativamente sencillo ser implementado. A continuación se muestra un esquema de la disposición que muestra una planta de concentración con colectores cilindro-parabólicos y sistema de almacenamiento térmico mediante sales fundidas.