CALOR PARA APLICACIONES INDUSTRIALES...
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CALOR PARA APLICACIONES INDUSTRIALES Sectores y procesos donde se puede utilizar energía solar 30%-50% de la energía térmica que se necesita en el comercio y la industria está debajo de los 250C. DIEC-UNS - 1er cuat. 2019 FAE - Clase 16 1
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CALOR PARA APLICACIONES INDUSTRIALES
Sectores y procesos donde se puede utilizar energía solar
30%-50% de la energía térmica que se necesita en el comercio y la industria está debajo de los 250C.
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Tipos de colectores necesarios según temperatura
Hasta unos 60°C
La solución más económica son los colectores planos con absorbedores selectivos (podrían llegar a 90°C)
Tecnologías disponibles para el rango entre 80 y 120°C
Colectores planos con doble vidrio antirreflejo
Colectores herméticos rellenos con gas inerte
CPC con factor de concentración cercano a 2
Tecnologías disponibles para el rango entre 150 y 250°C
Concentrador de tipo parabólico.
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CALOR PARA APLICACIONES INDUSTRIALES
Eficiencias en el rango entre 80 y 120°C
Con 3 vidrios anti-reflejo (3 AR) tiene mayores pérdidas ópticas pero menores pérdidas térmicas. Mayor eficiencia en el rango de interés.
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ENFRIAMIENTO SOLAR
Ciclo de compresión
En verano la radiación solar es mayor y los colectores operan con mayor eficiencia.
Puede emplearse en el evaporador de un ciclo de refrigeración.
Se requiere energía extra para el compresor.
Provista por el sistema térmico solar
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ENFRIAMIENTO SOLAR
Ciclo de absorción
Se diferencia del anterior por la forma de realizar la compresión.
Evita el compresor. La presurización se realiza disolviendo el refrigerante en un líquido (absorbente). Se eleva la presión del líquido con una bomba (menor energía)
Absorbentes/refrigerantes utilizados
Bromuro litio/agua
Agua/amoníaco
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MATERIAL DEL CAPÍTULO 5 PARA CONCENTRACIÓN SOLAR
Principal
Kaltschmitt, M., W. Streicher y A. Wiese. Solar thermal power plants. Capítulo 5 del libro Renewable Energy Technology , Economics and Environment.
Páginas 171 a 228
Adicional para consulta:
Romero-Alvarez M. y E. Zarza Concentrating solar thermal power. Capítulo 21 del libro Handbook of energy efficiency and renewable energy.
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CONCENTRACIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR
Para obtener temperaturas más altas que las logradas con colectores planos es necesario utilizar concentradores.
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CONCENTRACIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR
Tipos de concentradores (C<4)
a) Receptor tubular con reflector difuso
b) Receptor tubular con reflector cuspidal
c) Receptor plano con reflector plano
d) Concentrador de secciones múltiples
e) Concentrador parabólico compuesto (CPC)
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CONCENTRACIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR
Tipos de concentradores (C~100-5000) a) Reflector parabólico lineal (continuo)
b) Reflector de Fresnel (segmentado)
c) Parabolide de revolución (continuo)
d) Paraboloide tipo Fresnel (segmentado)
c)
d)
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CONCENTRACIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR
Partes del colector de concentración
Receptor
Elemento donde se absorbe la radiación y se convierte en energía térmica. Incluye el absorbedor, las cubiertas (en caso que existan) y la aislación.
Concentrador o sistema óptico
Dirige la radiación solar al receptor.
Apertura
Espacio a través del cual la radiación llega al concentrador.
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CONCENTRACIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR
Índice de concentración
La definición más utilizada relaciona el área de apertura con el área del receptor:
También puede utilizarse la relación de intensidades de radiación en los mismos elementos, pero generalmente hay variaciones importantes en la intensidad de radiación sobre diferentes puntos del receptor.
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CONCENTRACIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR
Índice de concentración (cont.)
Límite teórico
La radiación no puede concentrarse en un receptor arbitrariamente pequeño porque su temperatura no puede superar a la del Sol.
Las concentraciones máximas resultan
Ángulo de aceptación solar máximo (ideal):
Define el campo angular completo de los rayos solares que van a ser enfocados por el concentrador, i.e. los rayos solares incidentes en el colector alcanzan el absorbedor sin tener que moverlo.
Entonces las concentraciones máximas teóricas resultan
En la práctica el índice de concentración alcanzable se reduce porque el ángulo de aceptación real aumenta
Errores de seguimiento, reflexiones, orientación imperfecta, aberración de los espejos, difracción atmosférica, etc.
max, 2D 213C max, 3D 45300C
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CONCENTRACIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR
Eficiencia del colector
Se sigue el mismo procedimiento que para colectores planos (pérdidas ópticas y pérdidas térmicas)
Las pérdidas térmicas se reducen porque la superficie del absorbedor es menor. Sin embargo el efecto de las no linealidades es mayor porque la temperatura es más alta.
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Absorbedor no selectivo Absorbedor selectivo
CONCENTRACIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR
Clasificación de los concentradores
No formadores de imagen
No producen una imagen definida del sol sobre el absorbedor.
Distribuyen la radiación de todas las partes del disco solar en todas las partes del absorbedor.
Índices de concentración inferiores a 10.
Formadores de imagen
Producen una imagen del sol sobre el absorbedor.
Alcanzas concentraciones elevadas.
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CONCENTRACIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR
Concentradores no formadores de imagen
Pueden funcionar por temporada o anualmente con mínimos requisitos de seguimiento (evitando mecanismos asociados).
Toda la radiación incidente en el ángulo de aceptación es reflejada en el absorbedor, inclusive la difusa.
El más común es el concentrador parabólico compuesto (CPC).
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CONCENTRACIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR
Concentradores no formadores de imagen (cont.)
Concentrador parabólico compuesto (CPC).
Los lados son parábolas que se extienden hasta ser paralelos al eje del CPC.
El absorbedor se ubica en el segmento entre los focos de ambas parábolas.
Toda la radiación incidente en la apertura con ángulos comprendidos entre ±θc (respecto al eje) llegarán al absorbedor por reflexión especular (reflector perfecto).
El índice de concentración (ideal) es
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Concentradores no formadores de imagen (cont.)
Concentrador parabólico compuesto (cont.)
La parte superior del CPC contribuye poco a la radiación que llega al absorbedor y se puede acortar para reducir el tamaño del espejo (costo) sin sacrificar el desempeño del colector.
La truncación afecta poco el área de apertura pero reduce la altura significativamente.
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CONCENTRACIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR
Concentradores formadores de imagen
Concentradores parabólicos lineales
Están muy estudiados tanto analítica como experimentalmente.
Son utilizados para aplicaciones que requieren relaciones de concentración intermedias y temperaturas entre 100 y 500°C.
Para comprender cómo funcionan es necesario describir sus propiedades ópticas y las imágenes que forman.
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CONCENTRACIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR
Concentradores formadores de imagen (cont.)
Concentradores parabólicos lineales (cont.)
Se asume un concentrador simétrico y radiación incidente normal al plano de apertura.
El ángulo de borde φr es el máximo ángulo de incidencia sobre el receptor y se relaciona con la apertura y el foco.
La relación f/a define el brillo de la imagen sobre absorbedor.
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4 /r
f a
CONCENTRACIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR
Concentradores formadores de imagen (cont.)
Concentradores parabólicos lineales (cont.)
Se puede calcular el tamaño del receptor para interceptar toda la imagen del Sol.
El diámetro de un absorbedor cilíndrico debería ser D, en tanto que para uno plano o semicircular debería ser W.
Incluye dispersión del haz (δ).
sen / 2
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aD
sen / 2
sen cos / 2
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CONCENTRACIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR
Concentradores formadores de imagen (cont.)
Concentradores de tipo paraboloide y de torre
Índices de concentración máximos
Paraboloide con absorbedor plano
De torre con absorbedor plano
El factor de corrección suele resultar entre 0.3 y 0.5
2
max 2
sen cos / 21
4sen / 2
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CONCENTRACIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR
Centrales eléctricas de concentración (CSP)
Principio de funcionamiento básico
Convierten la radiación solar en energía térmica que se transfiere a un fluido.
La energía térmica se convierte en energía mecánica en una turbina (motor térmico) y luego en energía eléctrica con un generador acoplado al eje.
La eficiencia de conversión está limitada por el principio de Carnot: para alcanzar alta eficiencia se necesitan altas temperaturas (concentración).
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CENTRALES ELÉCTRICAS DE CONCENTRACIÓN
Tipos de centrales utilizadas
Enfoque lineal
Concentrador parabólico lineal (linear-trough)
Fresnel
Enfoque puntual
Plato parabólico con motor Stirling (dish/Stirling)
Central de torre y heliostatos
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ENFOQUE LINEAL
Concentradores parabólicos lineales (linear-trough)
El concentrador tiene forma de “canaleta” parabólica (parabolic-trough) para reflejar la radiación sobre el tubo absorbedor ubicado en la línea focal de la parábola. Realizan seguimiento en 1 eje.
El fluido que circula por el interior del tubo (HTF) se calienta, convirtiendo la energía solar en energía térmica. Se puede utilizar directamente en procesos o en un ciclo Rankine para generar electricidad con una turbina de vapor.
La temperatura del HTF ronda los 400°C (aceites) pudiendo llegar a 500°C con nuevos fluidos.
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CONCENTRADORES PARABÓLICOS LINEALES
Colectores
Largos
Las unidades, compuestas por una cantidad de módulos más pequeños, superan los 100 m de longitud.
Varios tipos de estructuras diseñadas para tener buena rigidez, evitando la torsión, y así tener buen rendimiento óptico aún con vientos moderados.
El área de apertura del colector varía entre 400 y 800 m2.
La alineación de los colectores es vital para mantener los errores de seguimiento pequeños. Muy importante asegurar una buena calidad durante el montaje
Espejos curvos construidos en vidrio con bajo contenido de hierro con fondo plateado (reflectividad promedio del 94%). También pueden ser de hojas metálicas, láminas poliméricas de plata o aluminio sobre un sustrato rígido.
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CONCENTRADORES PARABÓLICOS LINEALES
Absorbedor
Tubo de acero inoxidable encerrado por un tubo de vidrio al que se le practica vacío.
Se estabiliza el recubrimiento selectivo hasta 450 o 500C.
Absorción superior al 95% y emisividad inferior al 14% para 400C.
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CONCENTRADORES PARABÓLICOS LINEALES
Fluido caloportador (HTF)
Aceites sintéticos
Apto para almacenamiento.
Estabilidad térmica limitada a 400°C, limita el rendimiento del ciclo térmico.
Sales disueltas
Menores costos, mayor capacidad térmica (almacenamiento) y mayor temperatura de trabajo (hasta 575°C).
Mayor viscosidad y alta temperatura de fusión. Consumo de energía para evitar la solidificación (cristaliza a 125°C).
Vapor
Alta temperatura de trabajo. No requiere intercambiadores (puede inyectarse a la turbina directamente). Plantas más simples. Difícil almacenar.
Evaporación en los tubos, altas presiones (50 a 100 bar), dificulta el control.
Gas (CO2, aire o N2)
Alta temperatura de vapor (> 500°C). Alta presión. Necesita otro medio de almacenamiento. Transferencia de calor pobre en los tubos. Difícil control.
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CONCENTRADORES PARABÓLICOS LINEALES
Campo de colectores
Esta compuesto por varias filas, y cada una de ellas por varios colectores en serie. Cada fila tiene unos 600 m de longitud.
Separación entre filas para evitar sombreado y bloqueo.
Normalmente la separación es de unas tres veces la apertura.
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CONCENTRADORES PARABÓLICOS LINEALES
Campo de colectores (cont.)
El costo de O&M de un planta de este tipo es de aproximadamente el 8% del costo total de la electricidad producida.
El lavado se realiza durante la noche y se gastan unos 0.7 l/m2 de col.
La experiencia en España indica que en las dos primeras semanas luego de un lavado, la reflectividad decae 0.0025% por día. En 10 días la reflectividad cae a 0.9 (0.93 es la nominal) y deben limpiarse.
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CONCENTRADORES PARABÓLICOS LINEALES
Plantas demostrativas (en operación)
SEGS (Kramer Junction, desierto de Mojave, California)
354MWe, 2x106 m2 (apertura), 6x106 m2 (tierra), 9 plantas en total)
SEGS III-VII
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CONCENTRADORES PARABÓLICOS LINEALES
Plantas comerciales en operación
Nevada Solar One (desierto de Nevada, California)
64MWe, 1.4 millones de m2 (tierra)
760 colectores cilindro-parabólicos (76 km lineales) con 219.000 espejos, fluido 400°C.
http://www.acciona-energia.com/
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CONCENTRADORES PARABÓLICOS LINEALES
Plantas comerciales en operación (cont.)
Solana (Arizona)
280 MW, 777 hectáreas, 3232 colectores
Almacenamiento (en aceite)
Autonomía de 6 hs a potencia nominal
http://www.abengoasolar.com
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CONCENTRADORES PARABÓLICOS LINEALES
Características generales de las plantas
En la figura se muestra una planta que utiliza aceite como HTF y puede dividirse en tres subsistemas
Campo solar
Almacenamiento (opcional)
Bloque de potencia (conversión termoeléctrica)
Apoyo con combustibles convencionales (opcional, no mostrado en la figura)
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CONCENTRADORES PARABÓLICOS LINEALES
Características generales de las plantas (cont.)
Requiere agua para el condensador (problema en zonas desérticas).
En plantas pequeñas (100kW-10MW) podría utilizarse aire
Eficiencias globales del orden del 20%
Arrancan cuando la radiación está en el rango de 100-300 W/m2.
Durante los primeros minutos el aceite se recircula por el campo solar hasta alcanzar la temperatura nominal.
Luego el HTF se envía al almacenador a al bloque de potencia.
Verano: el calor producido es suficiente para producir electricidad a potencia nominal y almacenar el excedente.
Invierno: como normalmente la orientación es N-S, la producción de calor es mucho menor que en verano y el excedente no es habitual (el almacenamiento se utiliza poco).
El éxito de los proyectos iniciales convirtió a esta tecnología en la más económica debido a su bajo riesgo.
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