Modelado de la operación de una planta de desalación de agua de mar alimentada mediante una central híbrida solar/maremotriz

Equation Chapter 1 Section 1 Dpto. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales Modelado de la operación de una planta de desalación de agua de mar alimentada mediante una central híbrida solar/maremotriz Autor: Emilio Gómez Guerra Tutores: Lourdes García Rodríguez Gonzalo Sánchez Martínez Sevilla, 2023 ii Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales Modelado de la operación de una planta de desalación de agua de mar alimentada mediante una central híbrida solar/maremotriz Autor: Emilio Gómez Guerra Tutores: Lourdes García Rodríguez Gonzalo Sánchez Martínez Dpto. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2023 iii Trabajo Fin de Grado: Modelado de la operación de una planta de desalación de agua de mar alimentada mediante una central híbrida solar/maremotriz Autor: Emilio Gómez Guerra Tutores: Lourdes García Rodríguez Gonzalo Sánchez Martínez El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2023 El Secretario del Tribunal iv A mi familia A mis maestros v vi vii Agradecimientos Parece mentira, pero tras terminar este Trabajo de Fin de Grado y todas las asignaturas de la carrera, sólo cabe agradecer a todas las personas que me han ayudado durante esta etapa tan dura y gratificante a la vez. Para empezar, quiero agradecer a mis padres Rocío y Jose Antonio, que creyeron en mí cuando me inicié en esta aventura, apoyándome en todo lo que necesitara y dándome ánimos en todos los momentos inseguros y complicados de mi carrera. Especial mención debo a mis abuelos, Rocío y Abel, fundamentales durante toda mi etapa universitaria, pues, me han sufrido en primera persona, viviendo con ellos, cuidándome con un cariño incondicional, motivándome en los momentos difíciles, y ayudándome a la consecución de todos mis objetivos. También a mi abuela Encarnación, desde la distancia, por vivir más apartada, entendiendo que pasara largas etapas sin verla por mis estudios, pero, siempre pendiente, llamándome a menudo, con palabras de ánimo, cariño y orgullo. En general, doy las gracias a toda mi familia por el apoyo y cariño mostrados durante tantos años. A mis amigos de toda la vida, por los buenos momentos pasados, ayudándome a evadirme de todas las preocupaciones. A mis compañeros de facultad, con muchos de ellos he fraguado una bonita amistad, compartiendo aprendizaje, risas y buenos momentos. A todos y cada uno de los profesores que han estado en mi vida durante la carrera, me han formado, me han preparado y gracias a ellos he adquirido los conocimientos que tengo. También, agradezco a Gonzalo Sánchez por sus indicaciones y revisiones de este trabajo. Y especialmente, a Lourdes García, por aceptar mi solicitud, por creer en mí, por toda su ayuda prestada, por animarme, motivarme y por su paciencia infinita ante mis continuas dudas, siempre solucionándolas amablemente para encauzar este trabajo. Gracias. Emilio Gómez Guerra ETSI Universidad de Sevilla Sevilla, 2023 viii Resumen A la hora de obtener energía, hay que tener en cuenta todos los problemas asociados como la contaminación o el agotamiento de los recursos, una forma de evitar estos inconvenientes es utilizar fuentes renovables, temática muy estudiada debido a sus beneficios. A todo esto, hay que unir los problemas en muchos países para obtener agua potable, por no hablar de las estimaciones para el futuro, donde cada vez más países van a encontrar dificultades para acceder a este recurso. Teniendo en cuenta todo lo anterior, se presenta este Trabajo Fin de Grado, control de la operación de una central mareomotriz y planta desaladora con hibridación de un campo fotovoltaico. La central maremotriz tiene un diseño no convencional basado en doble cuenca. Se desarrolla una herramienta para diseño preliminar de este tipo de plantas y modelado de su operación a lo largo del año. Con esta central se puede obtener energía y agua potable. En los capítulos posteriores se explicará la parte técnica de la central y se estudiará la posible localización geográfica para obtener el mayor rendimiento posible. La central consta de una turbina de 10 MW y 5 trenes de desalación, cada uno consume 2 MW. Respecto a la hibridación con energía fotovoltaica, se realiza un estudio del tamaño de campo recomendado. Se mostrará cómo se debe operar la central y cuánta cantidad de energía y agua desalada se puede obtener, esto es interesante, ya que, la energía sobrante tras el consumo por parte de los trenes de desalación se podría vender o utilizar en otros fines que se estudiarán a lo largo del trabajo. ix Abstract In order to obtain energy, it is necessary to consider all the associated problems such as pollution or resource depletion. One way to avoid these inconveniences is to use renewable sources, a highly studied topic due to its benefits. On top of it all, it must be added the problems in many countries to obtain drinking water, not to mention the estimates for the future, where an increasing number of countries will find difficulties in accessing this resource. Taking all of the above into account, this Bachelor’s Final Project is presented, controlling the operation of a tidal power plant and desalination plant with hybridisation of a photovoltaic field. The tidal power plant has an unconventional design based on a double basin. A tool for preliminary design of this type of plants and modeling of its operation throughout the year is developed. With this tidal power plant you can obtain energy and drinking water. In subsequent chapters, the technical part of this tidal power plant will be explained and its possible geographical location will be studied to obtain the highest possible performance. This central consists of a 10 MW turbine and 5 desalination trains, each consuming 2 MW. Regarding the hybridisation with photovoltaic energy, a study of the recommended field size is conducted. It will be shown how the tidal power plant should be operated and how much energy and desalinated water can be obtained. This is interesting, since the excess energy after consumption by the desalination trains could be sold or used for other purposes, it will be studied throughout the work. xvi Notación SWRO Sea Water Reverse Osmosis HPP High Pressure Pump BP Booster Pump PEX Pressure EXchanger, Intercambiador de Presión W/m2 Watios por metros cuadrados h horas m metros m3/s metros cúbicos por segundo m3/día Metros cúbicos por día MW Megavatios TW Teravatios GW Gigavatios H_Tide Altura de la marea Q_flow Caudal volumétrico de agua que pasa por la turbina Hout Cantidad de agua, neduda en altura, que sale de la cuenca inferior al mar Hin Cantidad de agua, neduda en altura, que entra desde el mar a la cuenca superior Gate_LB Compuerta cuenca inferior Gate_HB Compuerta cuenca superior H_LB Altura de la cuenca inferior H_HB Altura de la cuenca superior H_incremento Diferencia de altura entre cuencas G_Bn G_Gh Irradiancia directa normal Irradiancia global horizontal G_Dh Irradiancia difusa horizontal G_Gk Irradiancia global en superficie inclinada G_Dk Irradiancia difusa en superficie inclinada π Presión osmótica Hst Starting Head (turbina) Hmín Altura mínima (turbina) MWp Megavatios pico 1 1 INTRODUCCIÓN as energías renovables son cada vez más importantes en el mundo actual, ya que se está produciendo un agotamiento de fuentes de energías no renovables y, por otro lado, su uso impacta negativamente sobre el ambiente. Ante esta problemática, diversos países están realizando un proceso de transición hacia unas energías más limpias. Se muestra a modo de ejemplo esta evolución en España a través de las siguientes figuras. La Figura 1 representa la evolución de la generación eléctrica peninsular desde el año 2017 hasta el año 2021. Por otra parte, la Figura 2 ofrece un gráfico que muestra la potencia eléctrica instalada peninsular a 31 de diciembre de 2021. Finalmente, la Figura 3 complementa la información anterior mostrando la evolución de la generación eléctrica peninsular renovable desde el año 2017 hasta el 2021. Fig. 1 Evolución de la generación eléctrica peninsular (2021) [1] L 2 2 Introducción Fig. 2 Potencia eléctrica instalada peninsula (2021) [1] Fig. 3 Evolución de generación eléctrica peninsular de origen renovable (2021) [1] Dada la relevancia de la producción de agua desalada en las zonas áridas, la desalación mediante energías renovables tiene una importancia creciente. A gran escala sólo están desarrolladas las tecnologías de desalación eólica y fotovoltaica. Sin embrago, recientemente se ha propuesto en la literatura una tecnología innovadora, como el caso de la referencia [3], con gran potencial en determinadas regiones del planeta. Se trata de alimentar una planta convencional de desalación de agua de mar alimentada por una planta de producción de electricidad híbrida, compuesta por un campo solar fotovoltaico y una planta que aprovecha la energía de la diferencia de alturas de las 3 3 Introducción mareas (central maremotriz). En este trabajo se considera un diseño moderno denominado de doble cuenta. Esta tecnología innovadora de desalación se describirá en capítulos posteriores. Por todo lo mencionado anteriormente, se necesitan proyectos de conversión de energía no renovable en energía renovable, por lo que en este trabajo se tiene como objetivo llevar a cabo el estudio del control de la operación de una central que ayuda a esta transición. En este caso, se estudiará una central mareomotriz y planta desaladora con un campo fotovoltaico, por lo que además de conseguir energía limpia se obtendrá agua potable, cosa que es muy interesante, ya que, según distintos distintos estudios que se desarrollarán en capítulos posteriores, las necesidades de agua potable se han incrementado en diversas regiones del planeta. Puede consultarse la lista de las principales plantas de energía maremotriz en la referencia [23]. Estas plantas se encuentran en los siguientes países: Tabla 1 Tidal power stations in operation [23] Existen otras centrales aún en desarrallo que se pueden consultar en la misma referencia. En este contexto, el objetivo global del trabajo es el desarrollo de una herramienta de cálculo para el estudio de una central híbrida mareomotriz/solar y planta desaladora de agua de mar por ósmosis inversa. Se trata una central maremotriz no convencional de doble cuenca. Con ayuda de la citada herramienta se pretenden obtener resultados útiles para el diseño preliminar de exte tipo de sistemas. 4 4 Introducción A lo largo de los diversos capítulos se mostrará la localización elegida, los aspectos técnicos de la central, la herramienta de cálculo previamente mencionada y se analizaran los resultados obtenidos. 5 2 SELECCIÓN DEL EMPLAZAMIENTO n este capítulo se discutirá sobre cuál debe ser el emplazamiento preferente de la central mareomtriz de doble cuenca y planta de desalación teniendo en cuenta diversos factores entre los que destacan principalmente los datos sobre mareas y la necesidad de agua potable. 2.1 Energía mareomotriz Para empezar, hay pocos emplazamientos realmente aprovechables desde el punto de vista de la energía mareomotriz, además hay que añadir el impacto que sobre el paisaje que provoca la construcción de las centrales mareomotrices, por lo que es una tarea complicada elegir un emplazamiento idóneo [2]. Algunos datos sobre mareas en el mundo serían los siguientes: la provincia de Santa Cruz, Argentina, con una amplitud de 11 metros, el estuario del río Serven, Gran Bretaña, con 13,6 metros o el estuario de Rance, con 13,5 metros, en Francia. Estas serían algunas de las zonas donde la amplitud de la marea es óptima para su explotación [2]. La potencia asociada a las mareas se estima en torno a los 3 TW, siendo aprovechable sólo aproximadamente 1 TW, esto es debido a que es necesaria una amplitud de más de 5 metros. En la siguiente figura se muestran distintas partes del globo y los valores del posible aprovechamiento de las mareas en GW [2]. Fig. 4 Recurso mareomotriz en el mundo. Valores en GW [2] E 6 6 Selección del emplazamiento Siguiendo con la referencia [2]. El desarrollo tecnológico para la explicación de este tipo de energía es escaso por el alto coste económico que conlleva. Actualmente, existe una central en La Rance, Francia, con la mayor potencia registrada hasta ahora: 240 MW. Además, a la espera de los resultados de otros proyectos en el Reino Unido, se tiene en mente el mayor proyecto que podría ser instalado en Rhyl, Gales, con una potencia de 400 MW. Fig. 5 Tidal range resources worldwide. Source: Bureau of Meteorology, Australian Government [4] En cuanto a la figura anterior, se muestra por colores los metros de amplitud de la marea siendo rojo la mayor amplitud, 12 metros, como se puede apreciar, zonas muy aprovechables de la energía mareomotriz son Australia, Chile o España como ejemplos. Para reforzar más la idea anterior, se muestran otros datos aportados por estudios como la referencia [7], se muestra una figura con las estimaciones de demanda de agua en el planeta para el 2030 según un escenario optimista, y pese a esto, las estimaciones no son especialmente positivas. Según esta referencia, la demanda se incrementa 1% anual dependiendo del crecimiento demográfico y económico entre otros. A lo anterior hay que sumar que en el planeta el porcentaje de agua existente no apta para el consumo al estar salada es del 97,5%, por lo que un 2,5% es dulce. Sobre este último porcentaje, un 69,7% se encuentra en casquetes polares y un 30% tiene un acceso complicado al encontrarse bajo tierra y necesitaría de grandes inversiones para su obtención, por lo que el agua apta para el consumo humano está limitada al 0,3% [7], es por esto por lo que la desalación gana especial relevancia, para aprovechar parte del agua salada que es de relativamente fácil acceso, pero es necesario un tratamiento. 7 7 Selección del emplazamiento Fig. 6 Global Water Demand for 2030 based on the optimistic scenario [7] Esta misma referencia muestra un gráfico sobre el consumo de agua en el planeta, se muestran usos elevados por no hablar de países que rozan el 90% de dependencia de agua importada, es por esto que se refuerza más aún la idea de la necesidad de obtener agua potable por otros medios. Fig. 7 World water use [7] 8 8 Selección del emplazamiento Fig. 8 Diagrama de distribución de agua en el mundo [20] Se muestra a continuación un gráfico obtenido de la misma referencia donde se muestra la demanda de desalación para el 2030 en un escenario óptimo. Fig. 9 Total desalination demand in 2030 for an optimistic scenario [7] 9 9 Selección del emplazamiento En el escenario descrito, en este trabajo se analiza el uso de una central mareomotriz combinada con energía solar para generación de energía de manera limpia alimentando una planta de desalación. De este modo, se puede desalar agua sin añadir un coste energético convencional, alimentando la planta desaladora mediante diversas energías renovables. 2.2 Lugares del planeta con necesidades de agua potable En este apartado se toma como fuente de datos a la referencia [2]. Como se pretende además de producir energía mediante la central mareomotriz desalar el agua de mar, será necesario investigar en qué partes del planeta se dan las mayores necesidades de agua potable, ya se ha mencionado anteriormente algunas de las zonas con mayores problemas. En la siguiente figura se muestran las zonas con mayores necesidades de agua para el año 2040, muchas de estas zonas ya requieren de usar esta tecnología hoy día. Como se aprecia en dicha figura, muchos de los países con gran aprovechamiento de energía mareomotriz también tienen grandes necesidades de agua potable, por lo que parece que al usar una central híbrida se podría ganar mucha rentabilidad. Fig. 10 Necesidad de agua mundial [2] 16 16 Selección del emplazamiento Tabla 2 Comparación regional de los recursos, infraestructura y mercados energéticos para la energía marina [5] De la Tabla 2 se puede extraer que Chile tiene gran potencial para el desarrollo de energías renovables debido a su situación geográfica y a la ya inversión llevada a cabo con opciones de ampliación. Respecto a la zona con mayores recursos para la energía marina es el centro sur del país, por lo que parece una zona adecuada para la instalación de la central. 17 17 Selección del emplazamiento En la Tabla 3 se muestran las diferencias en riqueza, desempleo y pobreza que existen entre las distintas regiones de Chile. Estos aspectos influyen significativamente en una política en desarrollo de energía marina, ya que definen el mercado de la energía, y la disponibilidad y el costo del contrato de mano de obra, además de las prioridades de desarrollo de los Gobiernos Regionales [5]. Se puede extraer de esta misma tabla que la región con mayor porcentaje de PIB es la RM. Metropolitana y además tiene una tasa no demasiada alta de pobreza si se compara con las otras regiones, si destaca que tiene algo alta la tasa de desempleo, habría que comprobar cuál es su potencial mareomotriz para llevar a cabo la inversión en esa región perteneciente al centro de Chile, esto se muestra en la Tabla 2, y se observa que la mejor zona sería la centro sur como ya se ha mencionado. Tabla 3 Información económicas para las distintas regiones en Chile [5] También se ha investigado sobre unos resultados sobre el PIB en Chile muy interesentes en la referencia [24], la tabla siguiente desglosa el PIB por regiones para los años 2018 hasta 2022: 18 18 Selección del emplazamiento Tabla 4 Producto interno bruto anual por región, volumen a precios del año anterior encadenado, series empalmadas, referencia 2018 (miles de millones de pesos encadenados) [24] Se observa de la Tabla 4 que el PIB anual va creciendo y que la región Metropolitana tiene el mayor PIB. Respecto a la zona con más potencial mareomotriz y con mayor número de zonas mineras sería la zona centro sur según las Tablas 2 y 3, por lo que sería un lugar adecuado para acometer la inversión como ya se ha expuesto anteriormente. Otras regiones que podrían parecer interesantes serían la centro o la norte chico, ambas tienen más zonas mineras que la centro sur, pero si se observan sus recursos marinos no serían opciones viables, de todas las regiones estudiadas la mejor posicionada es la centro sur. En esta misma referencia [24] se pueden encontrar más datos económicos relevantes sobre la situación económica de cada región de Chile. Por otra parte, se muestra ahora los principales proyectos de desalación y uso de agua de mar en Chile durante el periodo comprendido entre 2013 y 2021. Esto es interesante para mostrar la fuerte apuesta de Chile por la desalación y reforzar su posición como uno de los principales candidatos. Reg Descripción series 2018 2019 2020 2021 2022 1 Región de Arica y Parinacota 1,388.44 1,375.59 1,277.99 1,501.45 1,587.31 2 Región de Tarapacá 4,344.79 4,578.96 4,410.51 4,876.10 4,917.11 3 Región de Antofagasta 15,934.07 15,986.98 15,664.60 15,873.35 16,091.39 4 Región de Atacama 3,671.75 3,485.29 3,503.16 4,031.27 4,079.94 5 Región de Coquimbo 5,765.63 5,882.78 5,619.35 6,134.16 6,167.34 6 Región de Valparaíso 13,818.26 13,814.72 12,967.11 14,361.76 15,038.94 7 Región Metropolitana de Santiago 79,326.31 80,182.95 73,341.89 82,787.12 85,102.23 8 Región del Libertador General Bernardo OHiggins 7,837.17 7,790.54 7,486.92 8,324.56 8,395.80 9 Región del Maule 6,996.91 6,951.94 6,824.05 7,534.57 7,813.27 10 Región de Ñuble 2,297.34 2,318.71 2,227.26 2,555.33 2,662.69 11 Región del Biobío 11,745.28 11,843.15 11,246.76 12,318.24 12,536.08 12 Región de La Araucanía 5,077.70 5,167.22 4,931.88 5,561.57 5,777.52 13 Región de Los Ríos 2,447.30 2,454.48 2,355.67 2,599.52 2,682.44 14 Región de Los Lagos 6,305.16 6,438.52 6,125.31 6,716.42 7,002.66 15 Región de Aysén del General Carlos Ibáñez del Campo 1,216.18 1,234.07 1,124.64 1,183.94 1,229.42 16 Región de Magallanes y de la Antártica Chilena 1,823.95 1,918.11 1,683.12 1,822.27 1,904.25 17 Subtotal regionalizado 169,996.26 171,424.01 160,796.03 177,969.45 182,586.47 18 Extrarregional 19,438.61 19,418.60 18,320.15 22,247.96 22,503.21 19 Producto Interno Bruto 189,434.87 190,842.61 179,114.87 200,138.35 205,022.53 19 19 Selección del emplazamiento Tabla 5 Principales proyectos de desalación y uso de agua de mar en Chile (periodo 2013-2021) [5] Se puede observar de la anterior tabla que hay varios proyectos de desalación ya en activo y con grandes capacidades. Se puede observar por tanto que Chile es una zona que apuesta fuertemente por la implantación de desaladoras, cosa que es interesenta para tener en cuenta si se planea llevar a cabo un proyecto de estas características. También es relevante el gran interés de Chile en fomentar mecanismos de apoyo financiero disponibles en Chile aplicables a los proyectos de energía marina, por lo que hay un gran interés e inversión en este tipo de energías renovables. Se muestra a continuación una imagen donde se expone cómo se pretende implementar estos mecanismos. 20 20 Selección del emplazamiento Fig. 17 Mecanismos de apoyo financiero disponibles en Chile y aplicables a los proyectos de energía marina [5] 21 21 Selección del emplazamiento 2.3.3 Conclusiones sobre el emplazamiento Ante todos los datos recopilados, se ha decidido establecer el análisis de la central mareomotriz de doble cuenca en el norte de Australia. Para acometer esta decisión ha sido muy importante la información aportada por los mapas Figuras 5 y 10. Se puede apreciar que Australia posee mayores valores de amplitud de marea (sobre todo el norte del país) y de necesidades de agua, tanto en el presente como en el futuro. Chile también es una gran opción tal y como se ha expuesto. Otras regiones interesantes del globo son España, Canadá o la costa de África bañada por el Océano Índico. El por qué es menos interesante acometer la construcción de la central en estas zonas es debido sobre todo a diversos factores socioeconómicos. Por ejemplo, España, es un país importante a nivel turístico, una central mareomotriz de doble cuenca y planta desaladora causaría un gran impacto visual y perjudicaría las zonas turísticas en las costas del país. Otros autores también han estudiado otras zonas del planeta para la obtención de energía en base a las mareas, siguiendo el caso de la referencia [12] de la plataforma continental patagónica, en América del Sur, costa atlántica. Se concluye de este estudio que esta zona también es destacada para la localización de la central mareomotriz, también se deriva de los resultados que hay pocas zonas del planeta donde se puede maximizar el aprovechamiento de la energía de las mareas. También se obtiene un gráfico que muestra la energía global producida: Fig. 18 Estimación de la producción anual de energía maremotriz expresada en kWh/m [12]. 22 22 Selección del emplazamiento 23 3 DESALADORA ALIMENTADA POR CENTRAL MAREOMOTRIZ DE DOBLE CUENCA Y PLANTA FOTOVOLTAICA n este capítulo, se describirán los fundamentos de control necesarios para acoplar una planta de desalación a una central mareomotriz de doble cuenca además de la descripción de una planta de desalación y de la turbina a utilizar. Se usa como base los apuntes de Lourdes García Rodríguez, «Apuntes de “Diseño eficiente de instalaciones de desalación de agua” del máster en Sistemas de Energía Térmica, Universidad de Sevilla [13]. 3.1 Descripción de una planta de desalación 3.1.1 Salinidad Se procede a definir brevemente qué es la salinidad, es el peso (gramos) de la materia inorgánica disuelta en un kilogramo de agua [20]. En los mares y océanos se tiene una salinidad normalmente entre el 32% y 37%, lo que hace que necesite un tratamiento para que sea apta para el consumo humano. Siguiendo la referencia [20], se presenta un gráfico sobre la salinidad en todo el globo, donde se observa que hay variaciones según la región del planeta. Las aguas más saladas se encuentran en zonas de latitud media mientras que las menos saladas se encuentran en el ecuador y zonas de alta latitud, esto es debido a que en la latitud media la evaporación es más alta, en el ecuador las precipitaciones hacen que la concentración de sales sea menor y en las zonas de alta latitud el deshielo durante las estaciones cálidas hace que el agua superficial se encuentre menos salada [20]. E 24 24 Desaladora alimentada por central mareomotriz de doble cuenca y planta fotovoltaica Fig. 19 Salinidad de la superficie oceánica, NASA, Aquarius 2014 [20] 3.1.2 Definición de equilibrio osmótico Para empezar, se describirá el proceso de ósmosis inversa y directa para entender correctamente el funcionamiento de la planta desaladora. Para poder definir estos conceptos, en primer lugar, debe entenderse el equilibrio osmótico. Cuando se tiene un disolvente puro (A*) y una disolución (A+B siendo A el disolvente y B el soluto) a igual presión separados por una membrana semipermeable, surge un flujo espontáneo de disolvente (estado inicial). La siguiente figura describe esta situación [13]: Fig. 20 Estado inicial de una disolución separada del disolvente mediante un límite rígido y semipermeable al disolvente, correspondiente al flujo espontáneo de disolvente [13] 25 25 Desaladora alimentada por central mareomotriz de doble cuenca y planta fotovoltaica El estado final de equilibrio osmótico surge cuando cesa el flujo espontáneo de disolvente puro. El disolvente puro y la disolución tendrán una diferencia de presiones manifestada por una diferencia de altura, la presión osmótica π es la presión externa a la que se debe aplicar a una solución para detener el flujo de disolvente a través de una membrana semipermeable. Por tanto, la presión osmótica es nula para disolventes puros. La siguiente figura describe la situación final [13]. Finalmente, la Figura 22 representa la presión osmótica a 25ºC en función de la salinidad. Fig. 21 Estado Final de equilibrio osmótico [13] Fig. 22 Comportamiento de la presión osmótica a 25ºC con S la salinidad [13] 32 32 Desaladora alimentada por central mareomotriz de doble cuenca y planta fotovoltaica En la siguiente figura aparece un esquema sobre una central híbrida maremotriz/solar de la literatura. Esta figura pertenece al tipo de central de una cuenca, en este trabajo se estudia el caso de la tecnología de doble cuenca, pero pese a esto, esta ilustración sirve para entender la hibridación de energías. En el ejemplo de la figura se trata de una central maremotriz convencional. En este caso la turbina se sitúa entre la cuenca y el mar, produciéndose energía eléctrica únicamente cuando se descarga agua de mar desde la cuenca al mar. Lógicamente la producción es nula cuando el nivel del mar es superior la de la cuenca, periodos en los que se produce sólo el llenado de la cuenca. El arranque de la turbina se produce cuando existe una diferencia de alturas suficiente entre la cuenca y el mar. Fig. 29 Basic scheme of the hybrid solar PV/tidal range desalination system [10] Una central mareomotriz de doble cuenca cuenta con un mayor aprovechamiento de las mareas y las turbinas se encuentran entre ambas cuencas. Esta configuración hace posible en determinadas épocas del año, la producción ininterrumpida de potencia eléctrica, aunque con valores variables. 33 33 Desaladora alimentada por central mareomotriz de doble cuenca y planta fotovoltaica En este trabajo se considerará que cada uno de los trenes que componen la planta desaladora podrán operar independientemente, siendo fijados por el sistema de control el número de trenes en operación en función de la potencia eléctrica disponible en cada momento. 3.2.1 Importancia de la turbina La turbina a utilizar para el presente Trabajo de Fin de Grado es de tipo hidráulica, está formada por etapas de estator y rotor, estos están formados a su vez por álabes, los álabes del rotor son más curvos que los del estator, esto ayuda a diferenciar las diferentes etapas. La configuración de los álabes en la turbina es de tal manera que se puede aprovechar el flujo de agua para generar energía, se busca la transformación energía mecánica en energía eléctrica. Las turbinas son los elementos encargados de la generación de energía como ya se ha mencionado, por lo que son una de las partes más importantes a tener en cuenta a la hora de llevar a cabo un proyecto de producción de energía basado en turbinas, se han realizado estudios para conocer el rendimiento y fiabilidad de las mismas, como se muestra en la referencia [17]. En este estudio referenciado, se decide analizar la turbina marina de eje horizontal más grande de China obteniendo buenos resultados. Otros estudios también investigan las propiedades del entorno, es decir, las propiedades del agua que atraviesa la turbina, este es el caso de la referencia [18] que analiza el efecto que tienen el ángulo de ataque y las características de las olas en la generación de energía por parte de turbinas de eje horizontal, por lo que el estudio de la turbina tiene gran profundidad. Se concluye que no sólo son importantes las especificaciones de la propia turbina sino además es muy útil conocer otros datos adicionales. Ahora, se muestra una de las turbinas marinas más importantes en el plantea para reforzar la idea de la inversión en la central mareomotriz y su gran potencial de cara al futuro para liderar la producción de energía limpia, se muestra la turbina mareomotriz más poderosa del mundo, O2 [19]. Esta turbina comenzó a construirse en la segunda mitad de 2019 por Orbtal Marine Power Ltd (Orbital), tendría la capacidad de generar suficiente energía limpia para satisfacer la demanda de aproximadamento 2000 hogares del Reino Unido y compensar unas 2200 toneladas de CO2 al año. La turbina posee 2 MW de potencia nominal y cuenta con un peso de 680 toneladas. 34 34 Desaladora alimentada por central mareomotriz de doble cuenca y planta fotovoltaica Fig. 30 O2, la turbina mareomotriz más poderosa del mundo desarrollada por Orbital Marine Power Ltd. (Orbital) [19] 3.2.2 Especificaciones de la turbina; curvas de operación de turbina y planta A continuación, se muestra un gráfico conceptual donde se observan los modos de operación y momentos de producción de una turbina en una planta maremotriz convencional, es decir, formada por una única cuenca y donde la producción de la turbina tiene lugar únicamente cuando se travasa agua desde la cuenca al mar. La Figura 31 [3] presenta: - Altura del mar (Hsea). Estos datos han sido recopilados desde la página web del Australian Goverment Bureau of Meteorology en el año 2018 [3], pertenecen a la costa de Broome. - Altura de la cuenca (Hbasin) para las dimensiones seleccinadas para la misma. - Fuerza motriz de la turbina (H), dada por la diferencia de alturas entre la cuenca y el mar. La operación de la turbina se inicia cuando H comienza a ser positiva y logra alcanzar un valor dado, Hst (Starting Head). La operación finaliza cuando, H disminuye y alcanza el valor seleccionado como Hmin. - La curva de producción de potencia eléctrica correspondiente a la operación de la turbina. Se muestran los momentos donde la turbina produce energía, con el consecuente vaciado de la cuenca. Las compuertas de llenado se mantienen cerradas. Se denomina modo de generación, identificado como “Gerenating mode” en la figura. Al finalizar la generación por alcanzarse la altura Hmin, aparece el modo LW (Holding water at Low Water) durante el cual H disminuye hasta anularse y aún continúan cerradas las compuertas. A continuación, aparece el modo de llenado (Filling mode) durante el cual las compuertas están abiertas. Este modo se mantiene mientras la altura del mar supera el de la cuenca. Finalmente, se cierran las compuertas correspondiendo al modo HW (Holding water at High Water) en el cual H va incrementándose hasta que se alcanza la altura adecuada para el inicio de la operación de la turbina, Hst. 35 35 Desaladora alimentada por central mareomotriz de doble cuenca y planta fotovoltaica Fig. 31 Modos de operación de una central maremotriz conceptual: llenado de la cuenca (Filling mode), retención del agua de la cuenca (HW); generación (Generating mode) y retención del agua de mar previa al llenado (LW) [3]. Se muestra a continuación la curva de operación de la turbina de 10 MW que se ha utilizado en la referencia citada y en este trabajo. La siguiente figura muestra las curvas del flujo que atraviesa la turbina y de la potencia generada correspondiente a dos turbinas. Se observa que cada turbina puede proporcionar como máximo su potencia nominal, 20 y 10 MW respectivamente, a medida que aumenta la altura (H) aumentará la potencia generada. El flujo de descarga que atraviesa la turbina crece conforme aumenta H hasta un máximo, desde ese instante comienza a descender pese a seguir aumentando H. Se recuerda que la turbina que utiliza la central objeto del trabajo es de 10 MW, por lo que esta curva de operación es muy interesante, ya que nos ayuda a conocer cómo se produce la potencia. En las centrales de doble cuenca, la altura H de la figura, se refiere a la diferencia que hay entre la altura de la cuenca superior y de la cuenca inferior [3]. 36 36 Desaladora alimentada por central mareomotriz de doble cuenca y planta fotovoltaica Fig. 32 Model of selected turbine of 10 MW in comparison to that selected for the Swansea Bay Lagoon project (20 MW) [3] Se estudiará el caso de una turbina con las siguientes especificaciones: Capacidad de la turbina Pnom 10 MW Polos del generador Gp 80 - Diámetro de la turbina D 6,0 m Frecuencia de la red fg 50 Hz Velocidad de la turbina - 75 rpm Rendimiento del generador eléctrico - 95 % Tabla 7 Especificaciones de la turbina a estudiar [2] Siguiendo la figura, la potencia aumenta conforme aumenta H hasta llegar a la potencia nominal, la cual se alcanza a los 4,16 metros en el caso de la turbina de 10 MW, que es la que interesa para este trabajo. Evidentemente, aunque se supere la diferencia de altura la potencia producida no puede aumentar más. Es importante notar que, a partir de esta altura, con potencia constante, el caudal de agua que atraviesa la turbina comienza a disminuir. Es decir, conforme aumenta la diferencia de altura entre cuencas irá disminuyendo el paso de agua, este efecto es beneficioso ya que permite que la velocidad de vaciado sea menor y provoca que la diferencia de altura se reduzca más lentamente, así se consigue que la turbina permanezca en estado de producción de potencia máximo durante el mayor tiempo posible [2]. 37 37 Desaladora alimentada por central mareomotriz de doble cuenca y planta fotovoltaica A la turbina especificada se le asignan unos límites de operación, comenzará a producir cuando la diferencia de altura sea mayor o igual a 2 metros (Hst, “starting head”) y dejará de producir cuando se alcance la altura mínima de 1 metro (Hmin), es decir, si alcanza Hmin, debe alcanzar Hst para volver a generar energía [2]. A continuación, se muestra el funcionamiento de la central mareomotriz de Derby, Australia, en un día tipo de la primera quincena de enero de 2018, así, se muestra un gráfico para comprender el modo de operación de las centrales de doble cuenca [2]. La siguiente figura representa la evolución el nivel de las cuencas y del mar a lo largo de un día, se incluye a su vez la potencia máxima producida por la turbina que depende de la diferencia de altura que haya entre las dos cuencas para cada instante. Fig. 33 Variación del nivel de agua y potencia máxima de la primera quincena de enero [2] 38 38 Desaladora alimentada por central mareomotriz de doble cuenca y planta fotovoltaica Se debe tener en cuenta que la generación de energía es ininterrumpida, esto implica que el paso de agua de la cuenca superior a la cuenca inferior es continuo, además, el nivel de la cuenca superior siempre debe ser superior que el de la cuenca inferior [2]. Observando la evolución del nivel de la cuenca superior (marrón), se puede ver cómo, tras la apertura de las compuertas (marcador naranja), al ser superior el nivel del mar. La cuenca se llena hasta que el nivel de ésta y el mar vuelvan a coincidir durante la bajada de la marea, es en ese instante cuando se cierra la compuerta (marcador morado) [2]. Una vez cerradas las compuertas, al seguir pasando agua de la cuenca superior a la inferior, el nivel disminuye hasta que el nivel del mar coincide de nuevo con el nivel de la cuenca superior. Esta vez subiendo la marea, en este momento se vuelven a abrir las compuertas para que la cuenca superior vuelva a tener el máximo nivel que le permite la marea en ese instante [2]. Ahora, si se observa la evolución del nivel de la cuenca inferior (verde), tras el cierre de las compuertas debido a que es superior el nivel del mar, al ser ininterrumpido el paso de agua proveniente de la cuenca superior, el nivel aumenta. Esto ocurre hasta el momento en el que el nivel coincide de nuevo con el nivel de mar cuando la marea está bajando. Es en este instante cuando las compuertas se abren y la cuenca drena agua hasta llegar al mínimo nivel que la marea le permite [2]. Cuando la marea sube y los niveles coincidan otra vez, se cierrarán las compuertas a la espera de la siguiente bajada para volver a abrir [2]. 3.3 Control de Operación El eje central del presente trabajo será el estudio sobre el control de la operación de la central mareomotriz junto a trenes de desalación. Ya se han presentado 2 elementos a tener en cuenta en el sistema de control, los trenes de desalación y la turbina. Con toda esta información, se describirá brevemente en qué consistirá el sistema de control. Se sabe de los anteriores apartados que cuando el agua de alguna de las cuencas iguale al nivel del mar debe cerrar o abrir su compuerta según el caso. Por ejemplo, si una cuenca tiene su compuerta cerrada, cuando iguale al nivel del mar debe abrirla. Por otro lado, se conoce el funcionamiento global de la central mareomotriz, la cuenca superior mantiene su compuerta cerrada mientras se vacía y abierta mientras se llena. En cambio, la cuenca inferior mantiene su compuerta abierta mientras se vacía y cerrada mientras se llena. Otra condición que se debe dar es que el nivel de la cuenca inferior no puede superar al nivel de la superior. El modelo matemático de los citados procesos de llenado y vaciado se describen en el ANEXO A. Además de todo lo anterior, se conoce la curva de operación de la producción de potencia que realiza la turbina en función de la altura H, diferencia de altura entra ambas cuencas. Otra condición importante (ya comentada anteriormente) para la producción de potencia es que para su inicio debe cumplir una altura mínima de “Starting Head”, esta es la diferencia de altura mínima para que la turbina arranque, desde su última parada de esta, y comience a generar energía. Por otro lado, se encuentra la altura mínima que sería la diferencia de altura mínima de operación, es decir, con la turbina en funcionamiento, al alcanzar ese valor, la turbina se detendrá. 39 39 Desaladora alimentada por central mareomotriz de doble cuenca y planta fotovoltaica Sobre los trenes de desalación, recogerán el agua desde el mar y se alimentarán usando la energía generada por la turbina, por lo que es necesario conocer la máxima potencia que se puede generar y el número de trenes junto a la potencia que consumen. La relación entre la potencia consumida y el caudal de producto vendrá dada en función del valor escogido como consumo específico de la planta de desalación. Este valor no depende del número de trenes en operación, dado que los trenes que operan en paralelo constituyendo la planta operan siempre en su punto de operación nominal. Esta hipótesis se asume despreciando las variaciones de temperatura que pueda sufrir el agua de mar a lo largo del año. Respecto a la potencia sobrante, se realizará un estudio para invertirla de manera eficiente. Es en el siguiente capítulo donde se describe la herramienta de cálculo desarrollada en Excel junto a un ejemplo. Se utilizan los datos proporcionados por el Trabajo Fin de Máster de la compañera Marta Guillén de la Oliva [2], los cuáles consisten en diversas horas a lo largo de varios días recogiendo la altura de la marea la costa de Broome en Australia y mostrando los resultados en gráficas para su análisis. Detalles del modelado de la central de doble cuenca se desarrollan en el ANEXO C. A continuación, se resumen los aspectos más importantes a tener en cuenta para desarrollar el modelo de operación de la central maremotriz. Se recuerda que se abre la compuerta de la cuenca superior cuando se iguale la altura de la cuenca con el nivel del mar y la marea esté subiendo, se cierra si la marea está bajando. El caso de la compuerta de la cuenca inferior es justo al contrario, se abre si está bajando la marea y se cierra cuando suba. Es importante recordar además que si la compuerta de la cuenca superior se encuentra abierta se llena con agua de mar y si se cierra se vacía vertiendo su contenido a la cuenca inferior a través de la turbina. Si la compuerta de la cuenca inferior está cerrada se llena por el agua vertida de la cuenca superior, en cambio, si está abierta vierte agua al mar. Respecto a la turbina, esta genera la máxima potencia en los momentos de cierre de alguna de las compuertas y la mínima potencia cuando se abra alguna. Se recuerda que la potencia producida por la turbina depende de la diferencia de alturas entre las cuencas, con lo que a mayor diferencia de altura mayor será la potencia producida, pero evidentemente, no se podrá superar la potencia nominal. Finalmente, otra alternativa de gran interés de sistemas híbridos de producción de electricidad basados en una una central maremotriz serían los sistemas que aprovechan la energía de las olas. Sus aspectos fundamentales se describen en el ANEXO B. El estudio de este tipo de sistemas queda fuera del alcance de este trabajo, sin embargo, se recomienda para trabajos futuros. 3.4 Hibridación de la planta solar fotovoltaica con la central maremotriz Se puede observar un esquema de la central mareomotriz y planta desaladora con hibridación de un campo fotovoltaico en la Figura 29, la idea es tener las dos generaciones de energía en paralelo, la producción por parte de la turbina mareomotriz y la proveniente del campo fotovoltaico, así se puede realizar una inversión más eficiente. Respecto a la hibridación de energías renovables, existen diversos estudios para investigar las posibles combinaciones posibles. Por ejemplo, este es el caso de la referencia [21] que estudia el 40 40 Desaladora alimentada por central mareomotriz de doble cuenca y planta fotovoltaica tamaño adecuado de una instalación fotovoltaica para ser acoplado a una instalación eólica existente, así se consigue la hibridación de energía fotovoltaica y eólica. Los fundamentos de los sistemas fotovoltaicos necesarios para el desarrollo de este trabajo se han estudiado a partir de trabajos de otros compañeros. En el ANEXO D, se han redactado los conceptos básicos, abordados en los TFG de José Luis Pérez González [1] y de Blanca Petit Miranda [20], alumnos de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería, Universidad de Sevilla. Las referencias [3] y [10] abordan el estudio y el dimensionado de un sistema de desalación en Broome basado en una central maremoriz convencional conectada a un campo solar PV. Este trabajo desarrolla una herramienta de diseño para estos sistemas considerando: - Central maremotriz de doble cuenca. - Planta desaladora con operación capaz de adaptarse a la disponibilidad de la producción de electricidad mediante la operación independiente de los trenes de ósmosis inversa que operan en paralelo. 41 4 DESCRIPCIÓN DEL SOFTWARE n este capítulo se describirá el software generado para calcular las alturas de las cuencas, apertura o cierre de compuertas, potencia generada por la turbina y consumida por los trenes de desalación por ósmosis inversa y generación de potencia fotovoltaica. Se ha usado el ANEXO A para redactar parte de este capítulo. Se ha realizado un Excel usando datos sobre altura de mareas y su horario durante el año 2018 en Broome, Australia, el software está pensado para realizar sencillas variaciones en los datos para hacer los cálculos automáticamente y obtener representaciones gráficas. Por otro lado, se ha necesitado de un programa en MATLAB para obtener mediante aproximación (curva a trozos) el caudal y la potencia en la turbina, se comparará posteriormente los resultados obtenidos de este programa con otro hecho en Python usando las ecuaciones proporcionadas por el profesor Agustín Delgado [25]. 4.1 Datos utilizados Como se ha mencionado anteriormente, hay varios datos que aportar al software: DATOS CTES Hst (m) 2 Hmín (m) 1 Pnominal (MW) 10 Área LB (m2) 1500000 Área HB (m2) 1500000 Ain (m2) 200 Aout (m2) 200 Pnominal (MW) 10 Polos generador 80 Diámetro (m) 6 Frecuencia de la red (Hz) 50 veloc. Trubina (rpm) 75 Hst (m) 2 Hmín (m) 1 rend. Gen. Eléctrico 0,95 g (m/s2) 9,8 NÚMERO TURBINAS 1 Genera 10 MW NÚMERO TRENES SWRO 5 Incremento de tiempo (s) 3600 1 hora Cada uno consume 2 MW E Tabla 8 Datos para simulación Excel 48 48 Descripción del software 4.2.3 Cálculo del resto de parámetros Respecto a las alturas de las cuencas, se han usado las siguientes fórmulas de la referencia ANEXO A: Donde nt es el número de túrbinas, AHigh es el área de la cuena superior, ALow es el área de la cuenca inferior, ∆t es el incremento de tiempo que se use en los datos (horas en el fichero Excel desarrollado), Hout es la cantidad de agua, medida en altura, que sale de la cuenca inferior al mar y Hin es la cantidad de agua, medida en altura, que entra desde el mar a la cuenca superior. Respecto a Hin y Hout, se aplican las siguientes fórmulas: En estas expresiones, Ain es el área de paso de la compuerta de la cuenca superior, Aout es el área de paso de la compuerta de la cuenca inferior y g es la aceleración de la gravedad. Los algoritmos usados en el fichero Excel son los siguientes: 49 49 Descripción del software Importante, el estado de la compuerta cambia cuando la altura de la cuenca se iguale con la de la marea, se puede comprobar en la gráfica Figura 33 de la referencia [2]. 50 50 Descripción del software 51 51 Descripción del software 52 52 Descripción del software 4.3 Gráficos obtenidos para la central mareomotriz y planta desaladora 4.3.1 Gráficos obtenidos en la aproximación de MATLAB Se muestran algunos de los resultados obtenidos para comprobar el correcto funcionamiento del software en las siguientes figuras: Fig. 36 Alturas de cuencas superior (H_HB) e inferior (H_LB) y marea (H_Tide) Fig. 37 Parámetros de la cuenca superior: Altura (H_HB), Marea (H_Tide) y estado de la compuerta (G_HB: cerrada, valor 0; abierta, valor 1). 53 53 Descripción del software Fig. 38 Parámetros de la cuenca inferior: Altura (H_LB), Marea (H_Tide) y estado de la compuerta inferior (G_LB: cerrada, valor 0; abierta, valor 1). Fig. 39 Potencia generada (P_gen) y consumida por la planta de desalación (P_SWRO). 54 54 Descripción del software Fig. 40 Energía excedente 55 55 Descripción del software 4.3.2 Gráficos obtenidos en Python Se muestran algunos de los resultados obtenidos para comprobar el correcto funcionamiento del software: Fig. 41 Altura de cuencas (H_HB y H_LB) y marea (H_Tide). Fig. 42 Parámetros de la cuenca superior 56 56 Descripción del software Fig. 43 Parámetros de la cuenca inferior Fig. 44 Potencia generada y consumida 57 57 Descripción del software Fig. 45 Energía excedente Para conocer la cantidad de agua desalada que se obtendría de los trenes de desalación se usará como consumo específico el valor de 3 kWh/m3, esto sería la energía que hay que consumir para producir 1 m3 de agua desalada: Fig. 46 Agua desalada 64 64 Descripción del software 4.5 Gráfico producción de energía total En la siguiente figura se muestra el tipo de gráficos que muestra el software sobre la producción de energía total, se tienen en cuenta el excedente proveniente de la central mareomotriz, es decir, la energía sobrante tras alimentar los trenes de desalación, y la energía fotovoltaica producida por el campo fotovoltaico. Respecto a este último elemento, pueden existir diversas opciones según el número de paneles y superficie de éstos, se probarán diversas opciones. Respecto a la central, se recuerda que se usa una turbina de 10 MW y 5 trenes de desalación con un consumo individual de 2 MW. A modo de ejemplo, se usarán 1700 m2 de área efectiva de captación del campo fotovoltaico: Fig. 55 Energía excedente caso 1700 m2 de área efectiva Como se puede apreciar, los paneles producen mucho menos que la energía mareomotriz en este caso, más bien, sería prácticamente despreciable para el ejemplo de 1700 m2 de área efectiva, por lo que habría que buscar el área de campo solar adecuada según el caso concreto estudiado. Valorando producción de agua y costes del agua desalada se podría obtener el área óptima. Sin embargo, el análisis de costes queda fuera de los objetivos y alcance del proyecto. Sólo se realizará en este trabajo el estudio de energía y producción de agua en función del tamaño del campo solar fotovoltaico asegurando las necesidades energéticas de cada proyecto concreto, en nuestro caso la alimentación de una planta de desalación con consumo nominal de 10 MW para alimentar a los trenes en caso de que la turbina no pueda abastecer a todos. En capítulos posteriores se estudiarán diversos casos con más detalle. 65 65 Descripción del software Se realizará también el estudio de los excedentes de energía. Toda esta energía podría venderse o ser utilizada para alimentar otros sistemas interesantes, respecto a esta cuestión, se desarrollará con más atención en el capítulo siguiente. Pero es cierto que una idea destacable sería la de aprovechar la energía generada por el campo y el excedente de la mareomotriz para seguir alimentando a los trenes de desalación en los momentos que la diferencia de alturas entre cuencas no sea suficiente para mantener los 5 trenes activos. 66 5 RESULTADOS Y DISCUSIÓN n este capítulo se discutirán los resultados obtenidos en el capítulo anterior además de mostrar otras gráficas interesantes. Con todas las gráficas mostradas en el apartado anterior, se muestra que el funcionamiento del software es correcto, ahora, sería adecuado estudiar qué más información podemos obtener del mismo. Respecto a algunos resultados útiles, se ha obtenido que para los datos introducidos en el fichero Excel en el periodo de un año y usando una turbina de 10 MW y 5 trenes de desalación con un consumo individual de 2 MW: • Potencia generada en el año (MW): 48369,126 • Potencia consumida por los trenes en el año (MW): 41938 • Energía excedente (tras consumo de los trenes en MW): 6431,126 • Agua desalada obtenida en el año (m3/h): 13979333,33 Como se aprecia, la energía excedente obtenida indica que no todos los trenes han estado funcionando todo el tiempo, esto es debido a que la turbina no puede producir suficiente energía debido a la diferencia de altura entre cuencas. En el caso de mayor generación, 10 MW, se obtienen 3333.33 m3/h de agua desalada al tener los trenes un consumo específico de 3 kWh/m3. El principal uso de la energía proveniente de los paneles fotovoltaicos sería alimentar los trenes de desalación en los momentos que la central mareomotriz no pueda debido a que la diferencia de alturas no sea suficiente. Se deben buscar unas dimensiones adecuadas del campo fotovoltaico usando el software desarrollado en este trabajo. Por otra parte, el software desarrollado también sería útil estudiando la conveniencia de conexión a red con la finalidad de permitir la venta de los excedentes de generación de electricidad. Se sabe que la producción anual PV es de 318104,7 W/m2 para paneles con una elevación de 13º, se harán pruebas con diferentes números de paneles y dimensiones, se obtienen los siguientes resultados respecto a la producción de energía, se usará a modo de ejemplo los primeros días de cada mes del año 2018: E 67 67 Resultados y discusión Fig. 56 Resultados interesantes 1 de enero Fig. 57 Producción PV 1 de enero 68 68 Resultados y discusión Fig. 58 Producción mareomotriz + PV 1 de enero Fig. 59 Agua desalada mareomotriz + PV 1 de enero 69 69 Resultados y discusión Fig. 60 Resultados interesantes 1 de febrero Fig. 61 Producción PV 1 de febrero 70 70 Resultados y discusión Fig. 62 Producción mareomotriz + PV 1 de febrero Fig. 63 Agua desalada mareomotriz + PV 1 de febrero 71 71 Resultados y discusión Fig. 64 Resultados interesantes 1 de marzo Fig. 65 Producción PV 1 de marzo 72 72 Resultados y discusión Fig. 66 Producción mareomotriz + PV 1 de marzo Fig. 67 Agua desalada mareomotriz + PV 1 de marzo 73 73 Resultados y discusión Fig. 68 Resultados interesantes 1 de abril Fig. 69 Producción PV 1 de abril 80 80 Resultados y discusión Fig. 82 Producción mareomotriz + PV 1 de julio Fig. 83 Agua desalada mareomotriz + PV 1 de julio 81 81 Resultados y discusión Fig. 84 Resultados interesantes 1 de agosto Fig. 85 Producción PV 1 de agosto 82 82 Resultados y discusión Fig. 86 Producción mareomotriz + PV 1 de agosto Fig. 87 Agua desalada mareomotriz + PV 1 de agosto 83 83 Resultados y discusión Fig. 88 Resultados interesantes 1 de septiembre Fig. 89 Producción PV 1 de septiembre 84 84 Resultados y discusión Fig. 90 Producción mareomotriz + PV 1 de septiembre Fig. 91 Agua desalada mareomotriz + PV 1 de septiembre 85 85 Resultados y discusión Fig. 92 Resultados interesantes 1 de octubre Fig. 93 Producción PV 1 de octubre 86 86 Resultados y discusión Fig. 94 Producción mareomotriz + PV 1 de octubre Fig. 95 Agua desalada mareomotriz + PV 1 de octubre 87 87 Resultados y discusión Fig. 96 Resultados interesantes 1 de noviembre Fig. 97 Producción PV 1 de noviembre 88 88 Resultados y discusión Fig. 98 Producción mareomotriz + PV 1 de noviembre Fig. 99 Agua desalada mareomotriz + PV 1 de noviembre 89 89 Resultados y discusión Fig. 100 Resultados interesantes 1 de diciembre Fig. 101 Producción PV 1 de diciembre 96 96 Conclusiones En este trabajo se ha expuesto en detalle la hibridación con la energía fotovoltaica, sin embargo, otras opciones podrían ser analizar en detalle, tales como la energía eólica o la undimotriz para concluir si pueden ser aptas. Además, esto es interesante según la zona geográfica, ya que habrá zonas donde el aprovechamiento de una energía renovable sea mayor que en otras, por lo que se puede unir esto a la anterior ampliación mencionada, estudiar la localización de la central mareomotriz y qué energía renovable sería rentable para realizar la hibridación. Para concluir sobre las posibles ampliaciones, se puede observar que las posibilidades son amplias y variadas, por lo que es un tema con mucha profundidad y muestra que se pueden desarrollar estudios muy interesantes a partir de este trabajo. 97 REFERENCIAS [1] José Luis Pérez González, «Instalación solar fotovoltaica para autoconsumo en una nave industrial,» Trabajo fin de Grado. Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla, Sevilla, 2022. [2] Marta Guillén de la Oliva, «Estudio de una planta híbrida mareomotriz de doble cuenca/solar PV para su aplicación a tecnologías del agua,» Trabajo Fin de Máster. Escuela Técnica Superior de Ingeniería, Universidad de Sevilla, Sevilla, 2020. [3] A. M. Delgado-Torres, L. García-Rodríguez y M. J. del Moral, Preliminary assessment of innovative seawater reverse osmosis (SWRO) desalination powered by a hybrid solar photovoltaic (PV) - Tidal range energy system, Desalination, vol. 477, 2020, 114247. [4] R. Kempener y F. Neumann, «Tidal Energy Technology Brief,» IRENA Ocean Energy Technology Brief , nº 3, 2014. https://www.irena.org/- /media/Files/IRENA/Agency/Publication/2014/Tidal_Energy_V4_WEB.pdf (Última visita 03/09/2023) [5] Christian Pollard Pollard, ESTUDIO DE FACTIBILIDAD DE UN PUERTO MINERO SUSTENTABLE EN ENERGIA ELECTRICA EN CHILE, Santiago de Chile: UNIVERSIDAD DE CHILE, Tesis Doctoral, 2016. [6] Jesús Esteban, «LibreMercado,» 05 10 2020. [En línea]. Available: https://www.libremercado.com/2020-10-05/australia-coronavirus-economia-pib-milagro- crecimiento-6665283/. [Último acceso: 30 06 2023]. [7] Blanca Petit Miranda, «Potential of Solar Photovoltaic and Wind technologies for industrial water treatment in mining operations in Ecuador and Chile.,» Trabajo Fin de Máster. Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla, Sevilla, 2020. [8] Changming Ling, Yifei Wang, Chunhua Min y Yuwen Zhang , «Economic evaluation of reverse osmosis desalination system,», Frontiers in Energy, volume 12, 2018, pages 297– 304. [9] «https://estacionindustria.com,» 01 10 2020. [En línea]. Available: https://estacionindustria.com/chile-anuncian-catastro-de-inversiones-en-la-mineria-a-2029- por-us-74-047-millones/3744/. [Último acceso: 11 02 2023]. [10] L. García-Rodríguez y A. M. Delgado-Torres, «Off-grid SeaWater Reverse Osmosis (SWRO) desalination driven by hybrid tidal range/solar PV systems: Sensitivity analysis and criteria for preliminary design». Sustainable Energy Technologies and Assessments, vol. 53, 2022, 102425. [11] «diariorenovables,» 27 10 2016. [En línea]. 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[Accessed 31 07 2023]. [25] Agustín Delgado Torres. Profesor Titular de la Universidad de La Laguna. Comunicación personal junio, 2023. 99 ANEXOS ANEXO A: Modelado matemático de la central mareomotriz de doble cuenca: llenado y vaciado de las cuencas El modelo matemático viene descrito en la referencia [2] (TFM de Marta Guillén de la Oliva): En la central mareomotriz de doble cuenca, el parámetro del que depende la potencia producida y la cantidad de energía generada por la turbina es la diferencia de altura entre ambas cuencas, por lo que se deberá controlar los niveles de éstas en todo momento. Siendo HHigh (m) el nivel de la cuenca superior, HLow (m) el nivel de la cuenca inferior y H (m) la diferencia entre ambos niveles. Existen una diferencia de altura mínima para el funcionamiento de la turbina que deberá tenerse en cuenta a la hora de programar el funcionamiento de ésta. Se define como HSt (m) a la diferencia de altura mínima para que la turbina arranque, desde una posible parada de esta, y comience a generar energía; y como Hmin (m) a la diferencia de altura mínima de operación, es decir, con la turbina en funcionamiento, al alcanzar ese valor, la turbina se detendrá. La diferencia de altura mínima para el arranque de la turbina es mayor que la mínima de operación (HSt > Hmin). Los niveles de las cuencas son variables con el tiempo dado el traspaso de agua ininterrumpido de la cuenca superior a la inferior y el llenado y vaciado de las mismas con respecto al mar a través de las compuertas. De este modo, puede definirse la variación en cada momento de dichos niveles mediante las siguientes ecuaciones, que corresponden a los balances de materia dividido por la correspondiente área: Siendo AHigh (m²) el área de la cuenca superior, ALow (m²) el área de la cuenca inferior, nt el número de turbinas funcionando en la central, Qflow (m³/s) el caudal volumétrico de agua que pasa por la turbina, Hin (m) la cantidad de agua, medida en altura, que entra desde el mar a la cuenca superior y Hout (m) la cantidad de agua, medida en altura, que sale de la cuenca inferior al mar. Estos dos últimos parámetros (Hin y Hout) aparecerán en la ecuación dependiendo de los niveles instantáneos del mar y de cada cuenca de la siguiente manera: 100 100 ANEXOS Qflow (m³/s) representa el caudal volumétrico de agua que pasa por una turbina, y es determinado según el modelo de turbina instalada y dependiendo de la diferencia de altura entre las dos cuencas (H). Ahora, se necesita saber cuánto es el valor de esas alturas que se deben a la recuperación de altura en la cuenca superior por el llenado con el mar, y el drenaje en la inferior a través de sus respectivas compuertas, y para ello se resuelve un problema de mecánica de fluidos. Ha de tenerse en cuenta que en cada intervalo de tiempo se deberá actualizar los datos de altura a ambos lados del dique con los que resolvemos las ecuaciones. En primer lugar, se estudia cómo se produce el llenado de la cuenca superior, es decir, la entrada de agua desde el mar, con ayuda de la siguiente figura. Fig. 105 Esquema del llenado de la cuenca superior de la central mareomotriz. Como puede observarse en la Figura 105, para que la cuenca superior se llene con el agua proveniente del mar, el nivel del mar debe ser superior al nivel de la cuenca superior. Para conocer la cantidad de agua que entra, se estudian los dos puntos que se han marcado en la figura. Se resuelve el problema planteado mediante las siguientes ecuaciones: p0i representa la presión de remanso, presión total, que es la suma de la presión estática y la presión dinámica, calculándose a partir de la siguiente ecuación: 101 101 ANEXOS A partir de estas ecuaciones se despeja el valor de la velocidad a la que pasa el agua por las compuertas desde el lado del mar al lado de la cuenca superior: Para este trabajo consideraremos nulas las pérdidas producidas en el paso por la compuerta, por lo que k = 0. Además, las compuertas se consideran totalmente abiertas o cerradas. En ningún caso estarán en una posición intermedia. Las variables se definen como: 𝑣𝑖𝑛(𝑚/𝑠): 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎𝑠 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑟𝑡𝑎𝑠. 𝑄𝑖𝑛(𝑚3/𝑠): 𝑐𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎𝑠 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑟𝑡𝑎𝑠. 𝐴𝑖𝑛(𝑚2): Á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑠𝑜, á𝑟𝑒𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑟𝑡𝑎𝑠. 𝑉𝑖𝑛(𝑚3): 𝑐𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎𝑠 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑟𝑡𝑎𝑠 𝑒𝑛 𝑢𝑛 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑣𝑎𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜. Finalmente, la ecuación con la que se representará el cálculo del incremento de altura en la cuenca superior debida a la entrada de agua desde el mar a ésta será la siguiente: Del mismo modo que en el caso de la cuenca superior, como se ve en la Figura 106, para el vaciado de la cuenca inferior, el nivel del mar debe ser menor que el nivel de esta cuenca, según muestra la siguiente figura. 102 102 ANEXOS Fig. 106 Esquema del vaciado de la cuenca inferior de la central mareomotriz. Se procede de la misma forma para calcular la cantidad de agua que pasa de un lado a otro del dique y la evolución de la altura de la cuenca inferior. Se despeja de estas ecuaciones para obtener la ecuación que resuelve la velocidad de salida del agua por las compuertas desde la cuenca inferior al mar: Para el drenaje, las pérdidas en el paso por las compuertas también se consideran nulas, por lo que k = 0. Las variables se definen de la siguiente forma: 𝑣𝑜𝑢𝑡(𝑚/𝑠): 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎𝑠 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑟𝑡𝑎𝑠. 𝑄𝑜𝑢𝑡 (𝑚3/𝑠): 𝑐𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑒 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎𝑠 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑟𝑡𝑎𝑠. 𝐴𝑜𝑢𝑡 (𝑚2): Á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑠𝑜, á𝑟𝑒𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑟𝑡𝑎𝑠. 𝑉𝑜𝑢𝑡 (𝑚3): 𝑐𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑒 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎𝑠 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑟𝑡𝑎𝑠 𝑒𝑛 𝑢𝑛 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑣𝑎𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜. 103 103 ANEXOS Al igual que en el caso del llenado de la cuenca superior, la ecuación con la que se representará el cálculo del decremento de altura de la cuenca inferior debida al drenaje de agua desde ésta al mar será la mostrada a continuación: Conocidas las áreas de paso por las compuertas, las dimensiones de las cuencas, el nivel de la marea a cada instante y las restricciones y condiciones que tiene el modelo de funcionamiento de la central, podremos conocer en todo momento los niveles de las cuencas. Con esto y el modelo de la turbina, será posible conocer la producción de la turbina a lo largo del periodo en estudio. 104 104 ANEXOS ANEXO B: Otras formas de energía marina, energía de las olas. Basado en la referencia [2] (TFM de Marta Guillén de la Oliva): El 70% de nuestro planeta está cubierto por agua, formando océanos y mares. En ellos se puede encontrar un gran potencial para generar energía de forma limpia e inagotable. Las características y el comportamiento de las aguas oceánicas se deben a su temperatura y salinidad. Existen diversas formas de generar energía a través del mar y los océanos, según sus diferentes maneras de almacenar energía. La demanda actual de energía primaria para la actividad humana equivale a 15,18 millones de MW. Se destacan los siguientes potenciales energéticos asociados a las distintas energías provenientes de los mares y océanos: ❖ Gradientes térmicos: 40 000 millones de MW. ❖ Gradientes salinos: 1 400 millones de MW. ❖ Corrientes marinas: 5 millones de MW. ❖ Mareas: 3 millones de MW. ❖ Olas: 2,5 millones de MW. Sobre la energía que podemos extraer de las olas, Se produce principalmente por la acción del viento. La altura de las olas depende de la velocidad, duración y permanencia de la dirección de éste, siendo de mayor altura cuanto mayor sea la permanencia. Como puede observarse en la siguiente figura, las olas se caracterizan por: ❖ Cresta: parte superior de la ola. ❖ Valle: seno entre dos olas consecutivas. ❖ Longitud de onda (λ): distancia horizontal entre dos crestas consecutivas. ❖ Altura (H): diferencia vertical entre cresta y valle. Fig. 107 Características de una ola 105 105 ANEXOS La energía de las olas es enorme comparada con el consumo actual en el mundo, aun contando únicamente con la fracción explotable. Pero su aprovechamiento se encuentra limitado a las zonas costeras y sitios cercanos. Estudios estiman un potencial mundial de 2 TW y una energía generable de 17500 TWh/año. El límite explotable se encuentra entre un 10 y 25%, por lo que este tipo de energía puede contribuir de manera significativa en la cobertura de la energía demandada. Pero la energía que una ola posee depende de diferentes factores, por lo que no es una solución tan perfecta como se presenta a simple vista. Existen distintos dispositivos a través de los cuales poder captar la energía que posee la ola y convertirla en energía eléctrica. Son los siguientes: ❖ Viga articulada: es la primera patente de la que se tiene conocimiento y en ella se muestra un dispositivo consistente en una viga articulada en su anclaje en la costa y una boya en el otro extremo en el mar. Con los movimientos de ascenso y descenso se accionaría algún tipo de pistón para posteriormente generar electricidad. ❖ Boya Masuda: consiste en una cámara flotante semisumergida que permite que, con el ascenso y descenso del nivel del agua en el interior debido a las olas, exista una corriente de aire entrando y saliendo de dicha cámara por distintas válvulas. Al subir el nivel del agua el aire debe salir de la cámara por una de las válvulas haciendo que pase previamente por una turbina accionándola y generando electricidad mediante un generador conectado a ella. Cuando el nivel del agua desciende el aire entra por otra válvula haciendo un recorrido distinto sin ponerse en contacto con la turbina. ❖ Balsa de Cockerell: se trata de un conjunto de flotadores unidos entre sí mediante una articulación que acciona un pistón con el movimiento relativo que se produce entre estos flotadores. Estos actúan sobre un generador eléctrico produciendo electricidad. ❖ Pato de Salter: la sección transversal de este dispositivo tiene forma de leva excéntrica y funciona teniendo sumergida dentro del agua la parte circular y fuera del agua las palas. De este modo, las olas hacen que las palas se muevan oscilando respecto al eje. Este movimiento acciona una serie de bombas hidráulicas que mueve un generador eléctrico y produce electricidad. ❖ Rectificador de Russel: mediante este dispositivo se consigue transformar el movimiento de las olas es un flujo lineal de agua accionando una turbina. Consiste en un tanque situado en zonas de poca profundidad paralelo al frente de ola. Existen dos niveles con una compuerta cada uno de ellos. La compuerta del nivel superior se abre al chocar la cresta de la ola y permite el paso del agua, pero no que se escape de nuevo. El agua se almacena en el nivel superior y por gravedad cae al depósito del nivel inferior pasando por una turbina. Cuando se produce el valle de la ola, por diferencia de presiones se abre la compuerta del nivel inferior y permite drenar el agua de él. La turbina se encuentra conectada a un generador eléctrico produciendo electricidad. ❖ Sistema Pelamis: se trata de un conjunto de secciones cilíndricas que se encuentran parcialmente sumergidas en el mar unidas entre ellas por una bisagra. La ola hace que estos cilindros se muevan creando un movimiento relativo entre las secciones que activa un sistema de bombeo hidráulico, el cual mueve un generador eléctrico que produce electricidad. Este dispositivo está diseñado atendiendo más a la resistencia a las condiciones marinas que a la eficiencia de la conversión de energía, dado que, de toda la energía disponible en una ola, solo convierte una porción. 112 112 ANEXOS Fig. 113 Esquema de una central de ciclo de múltiple efecto con dos cuencas [2] Cuando la diferencia de altura sea lo suficientemente grande, esta configuración (doble cuenca) permite que la producción de energía se produzca de manera ininterrumpida, aunque, cómo ya se ha explicado anteriormente, la potencia producida no será constante, ya que depende de la diferencia de altura, y, a su vez, ésta depende del tiempo [2]. A continuación, se muestra el funcionamiento de la central mareomotriz de Derby, Australia, en un día tipo de la primera quincena de enero de 2018, así, se muestra un gráfico para comprender el modo de operación de las centrales de doble cuenca [2]. La siguiente figura representa la evolución el nivel de las cuencas y del mar a lo largo de un día, se incluye a su vez la potencia producida por la turbina que depende de la diferencia de altura que haya entre las dos cuencas para cada instante. 113 113 ANEXOS Fig. 114 Variación del nivel de agua y potencia máxima de la primera quincena de enero [2] Se debe tener en cuenta que la generación de energía es ininterrumpida, esto implica que el paso de agua de la cuenca superior a la cuenca inferior es continuo, además, el nivel de la cuenca superior siempre debe ser superior que el de la cuenca inferior [2]. Observando la evolución del nivel de la cuenca superior (marrón), se puede ver cómo, tras la apertura de las compuertas (marcador naranja), al ser superior el nivel del mar. La cuenca se llena hasta que el nivel de ésta y el mar vuelvan a coincidir durante la bajada de la marea, es en ese instante cuando se cierra la compuerta (marcador morado) [2]. Una vez cerradas las compuertas, al seguir pasando agua de la cuenca superior a la inferior, el nivel disminuye hasta que el nivel del mar coincide de nuevo con el nivel de la cuenca superior. Esta vez subiendo la marea, en este momento se vuelven a abrir las compuertas para que la cuenca superior vuelva a tener el máximo nivel que le permite la marea en ese instante [2]. Ahora, si se observa la evolución del nivel de la cuenca inferior (verde), tras el cierre de las compuertas debido a que es superior el nivel del mar, al ser ininterrumpido el paso de agua proveniente de la cuenca superior, el nivel aumenta. Esto ocurre hasta el momento en el que el nivel coincide de nuevo con el nivel de mar cuando la marea está bajando. Es en este instante cuando las compuertas se abren y la cuenca drena agua hasta llegar al mínimo nivel que la marea le permite [2]. Cuando la marea sube y los niveles coincidan otra vez, se cierrarán las compuertas a la espera de la siguiente bajada para volver a abrir [2]. 114 114 ANEXOS Puede observarse que la potencia generada por una sola turbina varía según la diferencia de altura entre las dos cuencas, será mayor cuando la diferencia de altura sea mayor y menor cuando los niveles son más próximos entre sí. Es decir, la diferencia de altura sea menor, gráficamente (marcadores rojos), se generan las menores potencias cuando se abre alguna compuerta, ya sea de la cuenca inferior o superior, y las mayores potencias cuando se cierra alguna compuerta [2]. 115 115 ANEXOS ANEXO D: Campo fotovoltaico Se redactarán conceptos abordados en el TFG de José Luis Pérez González [1] y de Blanca Petit Miranda [20], alumnos de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería, Universidad de Sevilla. D.1. Radiación solar Un panel fotovoltaico utiliza la radiación solar para producir energía eléctrica, la radiación solar electromagnética es la energía producida por el sol gracias a reacciones nucleares de fusión en su núcleo, se fusionan átomos de hidrógenos para formar helio [1]. La forma a la que llega esta radiación al panel no es siempre igual, existen 3 formas diferentes – ver figura siguiente -: • Radiación directa: proviene directamente del sol, es la que mayor energía aporta. • Radiación difusa: proviene de reflexiones y refracciones que se dan en la atmósfera, nubes u otros elementos ambientales. • Radiación reflejada: proviene de la reflexión del suelo, nieve o agua, es decir, reflexiones del entorno. Fig. 115 Tipos de radiación solar [1] Se definen a continuación 2 conceptos importantes [1]: • Irradiancia solar: es la potencia de radiación solar por unidad de área, se suele medir en W/m2. • Irradiación solar: es la energía de radiación solar por unidad de área, se suele medir en kWh/m2. Estos conceptos serán especialmente útiles para la presentación de resultados en el capítulo siguiente. 116 116 ANEXOS D.2. Célula fotoeléctrica y efecto fotovoltaico La célula fotoeléctrica o celda solar es el dispositivo capaza de convertir la radiación solar en energía eléctrica, un panel o módulo fotovoltaico está formado por muchas células [1] – ver figura siguiente -. Fig. 116 Célula fotovoltaica o celda solar [1] El fenómeno detrás del funcionamiento de la célula es el efecto fotovoltaico, por el cual, se puede convertir luz en energía eléctrica, esto se consigue mediante elementos semiconductores que hacen que los electrones y huecos en su estructura comiencen a moverse al incidir la luz, cuando un electrón encuentra un hueco se inserta y libera energía si el electrón y el hueco se encuentran separados en distintas zonas mediante un campo eléctrico, la separación se puede realizar con unión PN, ésta sería la unión de un semiconductor tipo P (dopado con portadores de carga positiva, huecos) y tipo N (dopado con portadores de carga negativa, electrones) [1] – ver figura a continuación -. Fig. 117 Semiconductores tipo N y tipo P [1] Entonces, una celda solar está fabricada con materiales semiconductores, son típicas las celdas de silicio. Un material semiconductor es aquel que puede funcionar como aislante o conductor de corriente eléctrica dependiendo de diversos factores como la estructura atómica o el campo eléctrico o magnético aplicado. 117 117 ANEXOS D.2.1. Tipos de celdas fotovoltaicas A su vez, dependiendo de cómo esté fabricada la celda existen diversos tipos, silicio cristalino o multiunión (todavía muy recientes y en proceso de mayor investigación) – ver figura siguiente -. Como ya se ha mencionado anteriormente, las más típicas son las de silicio, por lo que se entrará en detalle en sus subdivisiones, las cuáles depende de la estructura atómica [1]: • Monocristalino: se construye la celda con silicio más puro y esto provoca un aumento de eficiencia, mucho mayor que el policristalino, es aproximadamente un 25%. • Policristalino: se construye la celda mediante enfriamiento artificial de una celda policristalina, al enfriarse el silicio, se generan cristales independientes en distintas zonas. Primero se realiza este proceso en bloques de silicio para después cortarse en placas. Son muy empleados debido a su bajo coste y eficiencia, aunque es menor que en los monocristalinos, la eficiencia es de un 16-19%. Fig. 118 Células de silico monocristalino y policristalino [1] 118 118 ANEXOS D.3. Instalaciones fotovoltaicas Existen 2 grupos principales de instalaciones fotovoltaicas [20] – ver figuras 119-120 -: • Aisladas de la red: para cubrir las necesidades de electricidad de lugares fuera de la red. Fig. 119 Ejemplo de instalación aislada de la red [20] • De conexión a red: proporcionan energía eléctrica disponible para la venta. Fig. 120 Esquema unifilar instalación conectada a la red [20] 119 119 ANEXOS D.3.1 Componentes de una instalación fotovoltaica Los componentes básicos de una instalación fotovoltaica son [20]: • Generador fotovoltaico: asociación de módulos en serie o paralelo, un módulo es una agrupación de células fotovoltaicas. • Célula fotovoltaica: dispositivo que transforma la radiación solar en energía eléctrica mediante el efecto fotovoltaico, ya se ha definido previamiente. • Reguladores de tensión: dispositivo que evitan la sobrecarga de baterías. • Inversor: convertidor de corriente continua en alterna (CC/CA). • Baterías: dispositivo capaz de almacenar energía. D.3.2. Parámetros necesarios para conocer las especificaciones de celdas fotovoltaicas Respecto a las especificaciones de las celdas que forman la instalación, se han de tener en cuenta los siguientes parámetros [20] – ver figura a continuación -: • Icc: intensidad de cortocircuito, es la que genera la celda al someterse a una tensión de valor cero. • Vca: tensión de circuito abierto, para esta tensión la celda no produce. • Pmp: potencia pico, máxima potencia que puede suministrar una celda, corresponde al punto de la curva I-V donde el producto de intensidad por tensión es máximo, en la siguiente figura se muestra dicha curva. • Ipmp: intensidad a máxima potencia, es la que la celda produce a máxima potencia bajo unas condiciones de radiación y temperatura, se usa como corriente nominal. • Vpmp: tensión a máxima potencia, es la que la celda produce a máxima potencia bajo unas condiciones de radiación y temperatura, se usa como tensión nominal. 120 120 ANEXOS Fig. 121 Curva I-V [20]