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Portada
Trabajo Fin de Grado
Grado en Ingeniería de la Energía
Estado del Arte de Discos Parabólicos. Opciones de
Almacenamiento en Receptor Solar
Autor: Francisco Jesús López Díaz
Tutor: Francisco Javier Pino Lucena
Dep. Ingeniería Energética
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla
Sevilla, 2016
iii
Trabajo Fin de Grado
Grado en Ingeniería de la Energía
Estado del Arte de Discos Parabólicos.
Opciones de Almacenamiento en Receptor
Solar
Autor:
Francisco Jesús López Díaz
Tutor:
Francisco Javier Pino Lucena
Profesor Contratado Doctor
Dep. Ingeniería Energética
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla
Sevilla, 2016
v
Trabajo Fin de Grado: Estado del Arte de Discos Parabólicos. Opciones de Almacenamiento en
Receptor Solar
Autor: Francisco Jesús López Díaz
Tutor: Francisco Javier Pino Lucena
El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes
miembros:
Presidente:
Vocales:
Secretario:
Acuerdan otorgarle la calificación de:
Sevilla, 2016
ix
Agradecimientos
A lo largo de mi corta vida, he aprendido muchas cosas y he madurado hasta llegar convertirme en la
persona que hoy soy. Me gustaría agradecer a todo aquel que en algún momento de mi vida me ha
enseñado cualquier cosa. Todos los conocimientos que he adquirido, que ahora acompañan este
documento existen gracias a dichas personas, profesores, compañeros que se convierten en amigos,
familia, etc… no existen palabras suficientes para mostrar mi gratitud.
En especial me gustaría agradecer a mis padres, quienes siempre me apoyaron en todo, y más
concretamente, a mi padre, que siempre me ha animado a estudiar y a llegar tan lejos como pudiese
en todos los ámbitos de mi vida. Por ello, y mucho más, a todos, gracias por estar siempre ahí.
Sevilla, 2016
xi
Resumen
Los recursos son uno de los puntos más importantes en nuestra sociedad. Dentro de los diferentes
recursos, cabe destacar el recurso energético, que se encuentra en diferentes formas en la naturaleza,
entra las cuáles cabe destacar el recurso solar. Además, en nuestra sociedad empieza a haber problemas
de abastecimiento de recursos convencionales, debido a que son finitos, y el ratio de consumo es
mucho mayor que el ratio de regeneración. Por ello, la energía solar es una fuente importante que debe
ser explotada.
Existen diferentes tecnologías para ello, siendo algunas muy destacadas, pero que por desgracia, aún
no tienen la importancia que deberían.
El objetivo de este Trabajo es establecer una visión actual sobre una de las tecnologías de
concentración solar más importantes: Disco Parabólico o Disco Stirling, nombre debido al frecuente
uso de dicho motor en el concentrador.
Se estudiarán diferentes aspectos de esta tecnología, como el desarrollo histórico, los diferentes
componentes del sistema, fabricantes, rangos de utilización, además de otros datos relevantes.
Asimismo, se realizará un estudio en más profundidad de su componente más importante, el motor
Stirling.
Un aspecto novedoso del presente Trabajo es el análisis de la posibilidad de almacenamiento e
hibridación para el disco parabólico, incluyendo un estudio sobre posibles materiales que podrían ser
utilizados para realizar el almacenamiento en el sistema.
xiii
Abstract
The resources are one of the most important points in our society. Among the different resources
stands out the energy resource, found in different forms in the nature, where solar energy is one of the
most important. In addition, our society is starting to have problems of supplying of fossils fuels,
because they are finites, and the rate of consumption is bigger than the rate of regeneration. Therefore,
solar energy is an important source that should be exploited.
There are different technologies for it, with some of them very outstanding, but they still do not have
the importance that they deserve.
The target of this Document is to reveal the current vision about one of the technologies of concentrate
solar power more important: Parabolic Dish or Stirling Dish, name obtained by the frequency use of
this engine in the concentrator.
The study will consist in different aspects of this technology, such as the historical development, the
components of the system, manufacturers, and other important data. Furthermore, it will include a
deeper study in his most important component, the Stirling engine.
One of the most relevant aspect of this Final Work is the analysis of the possibility of storage and
hybridization in the parabolic dish, including a study about new materials that could be used for storage
purpose.
xv
Índice
Agradecimientos ix
Resumen xi
Abstract xiii
Índice xv
ÍNDICE DE FIGURAS xviii
Notación xx
1 Introducción 1 Justificación del proyecto 1
Descripción del recurso solar 2
Historia 4
1.3.1 En busca de una fuente inagotable 4
1.3.2 Disco Parabólico 4
Retos actuales 8
2 Descripción de la tecnología disco parabólico 12 Principio de funcionamiento 12
Componentes 13
2.2.1 Concentrador solar 13
2.2.2 Receptor 18
2.2.2.1 Receptores de Reflujo 19
2.2.2.2 Receptores de Tubos de Iluminación Directa (DIR) 21
2.2.2.3 Otros receptores 21
2.2.3 Unidad de conversión de potencia 22
2.2.4 Seguimiento solar en dos ejes 23
2.2.5 Otros componentes 25
Datos importantes de funcionamiento 25
3 Motor Stirling 28 Ciclo Stirling. Historia 28
Ciclo teórico 29
Ciclo real 31
Ventajas y Desventajas 32
xvi
3.4.1 Desventajas 32
3.4.2 Ventajas 32
Fabricantes 33
3.5.1 SOLO conjunto a Schlaich Bergermann und Partner (SBP) 33
3.5.2 GenoaStirling S.R.L. 34
3.5.3 Ripasso Energy 37
3.5.4 Infinia 38
3.5.5 Cleanergy 39
3.5.6 Comparativa 40
4 Hibridación y Almacenamiento 43 Tecnologías existentes 43
4.1.1 Almacenamiento 44
4.1.1.1 Almacenamiento con cambio de fase 44
4.1.1.2 Almacenamiento mediante sistemas termoquímicos 45
4.1.1.3 Materiales de almacenamiento 46
Hibridación 51
5 Conclusiones 54
BIBLIOGRAFÍA 57
PÁGINAS WEB 58
IMÁGENES 59
xviii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1-1 Radiación global anual en superficie horizontal en Europa 2
Figura 1-2 El sol, nuestra estrella más cercana 3
Figura 1-3 Disco Parabólico Vanguard, de la asociación Advanco de 25 kW 5
Figura 1-4 Disco Parabólico de la asociación McDonnell Douglas Aerospace 5
Figura 1-5 Prototipo de planta en el Sandia’s National Solar Thermal Test Facility 6
Figura 1-6 Modelo SunCatcherTM 6
Figura 1-7 Disco EURODISH instalado en la Plataforma Solar de Almería 7
Figura 1-8 DISTAL II en la Plataforma Solar de Almería 8
Figura 1-9 Producción de Energía Primaria, EU-27, 2009 8
Figura 1-10 Influencia de la Irradiancia a Tª constante 9
Figura 1-11 Influencia de la temperatura sobre la curva característica de una célula sobre la que
incide una Irradiancia constante 10
Figura 2-1 Funcionamiento simplificado de la tecnología de Disco Parabólico 12
Figura 2-2 Principales componentes del Disco Parabólico 13
Figura 2-3 Alzado de un Disco Parabólico con soporte de membrana 14
Figura 2-4 Cuatro tipos diferentes de concentrador 15
Figura 2-5 Concentrador solar SAIC en Golden, Colorado 17
Figura 2-6 Imagen conceptual del HCPVT 17
Figura 2-7 Comparativa entre diferentes concentradores 18
Figura 2-8 Esquema y foto de la primera generación de receptores “pool boiler” 20
Figura 2-9 Esquema de funcionamiento de un receptor de tubo de calor “heat pipe” 20
Figura 2-10 Receptor usado en el proyecto EURODISH y nuevo diseño de receptor
cóncavo 21
Figura 2-11 Receptor híbrido de tubo de calor “heat pipe” de sodio con un quemador 22
Figura 2-12 Receptor y unidad de conversión de potencia (motor Stirling) con sus
componentes 23
Figura 2-13 Esquema del funcionamiento del método de rastreo elevación-acimutal 24
Figura 2-14 Seguidor de la empresa Titan Tracker caracterizado por llevar dos colectores en un
solo soporte 24
Figura 2-15 Variación de la potencia de salida con la DNI 26
Figura 3-1 Diseño 3D de un motor Stirling 29
Figura 3-2 Esquema de funcionamiento del regenerador en un ciclo Stirling 30
Figura 3-3 Diagramas Temperatura-Entropía y Presión-Volumen del ciclo Stirling 30
Figura 3-4 Curva real de un motor Stirling 31
Figura 3-5 Motor SOLO Stirling 161 diseñado por la empresa SOLO en conjunto con Schlaich
Bergermann und Partner (SBP) 33
Figura 3-6 Características del motor SOLO Stirling 161 34
Figura 3-7 Especificaciones del motor GENOA01 de la empresa Genoastirling S.R.L. 35
Figura 3-8 Especificaciones del motor GENOA03 de la empresa Genoastirling S.R.L. 36
Figura 3-9 Característica de motor Ripasso Stirling Hybrid, de la empresa Ripasso Energy 37
Figura 3-10 Especificaciones del disco parabólico Infinia, desarrollado por dicha empresa con la
colaboración de otras empresas 38
Figura 3-11 Resumen de características del disco parabólico Infinia, incluyendo todas las
empresas colaboradoras 39
Figura 3-12 Especificaciones técnicas del Sunbox, disco parabólico de la compañía
Cleanergy 40
Figura 3-13 Comparativa entre diferentes motores Stirling 41
Figura 4-1 Esquema de funcionamiento del almacenamiento con cambio de fase 44
Figura 4-2 Esquema del disco parabólico con almacenamiento termoquímico mediante
reformado de metano y dióxido de carbono 45
xx
Notación
CSP Concentrate Solar Power (Energía Solar Concentrada)
I,G Irradiancia
H Irradiación
We Vatios Eléctricos
Pa Pascales
e número e
LCOE Levelized Cost of Electricity
DNI Direct normal irradiance
sen Función seno
tg Función tangente
arctg Función arco tangente
Sen
PCM
Función seno
Phase Change Material
1
1 INTRODUCCIÓN
ste capítulo introductorio servirá para obtener una primera visión acerca del disco parabólico.
En primer lugar, se explicará el porqué de este Trabajo Fin de Grado, continuando con una
descripción del recurso solar, de cómo nuestro sol nos aporta energía y en qué cantidades.
Continuará con una descripción histórica de la tecnología, y finalizará con una revisión de la
importancia actual y las expectativas de futuro.
Justificación del proyecto
La energía es uno de los puntos más importantes en nuestra sociedad. Nos permite movernos,
comunicarnos, realizar una gran cantidad de tareas, etc… Por ello, es un campo muy importante
dentro de la ingeniería, que busca usar dicha energía en nuestro favor para así alcanzar una vida
más cómoda y próspera.
El origen de la mayoría de energía que se encuentra en el planeta Tierra es nuestra estrella más
cercana, el sol. Prácticamente todas las fuentes de energía que existen en la tierra se han creado
gracias al sol. Por ejemplo, el viento existe gracias a la energía procedente del sol, aunque esta
energía sufre muchas modificaciones hasta llegar a convertirse en la energía cinética que lleva el
viento. Es por ello, que nuestra mayor fuente de energía debe ser aprovechada.
El primer principio de la termodinámica nos dice que la energía ni se crea ni se destruye, sino que
se transforma. Es por ello, que las tecnologías de conversión son muy importantes para su
aprovechamiento. Aquí es donde entra la ingeniería.
Existen diferentes tecnologías para el aprovechamiento de la energía solar, como por ejemplo, la
tecnología fotovoltaica o las tecnologías de concentración (CSP). Dentro de estas últimas, existe
una que será el centro de nuestro estudio: Disco Parabólico.
E
Eres energía y la energía no puede ser creada o
destruida. La energía simplemente cambia de
forma.
- Kazuo Ishiguro-
2
Por todo lo anteriormente expuesto, considero necesario realizar un estudio que lleve a un
conocimiento mayor sobre el estado actual de esta tecnología.
Descripción del recurso solar
Nuestra estrella más cercana, el Sol, nos proporciona constantemente energía. Dicha energía se
transforma a partir de una reacción termonuclear en la que el hidrógeno existente en el Sol se
transforma en helio, liberando una gran cantidad de energía (parte de esta masa se convierte en
energía, como demostró Albert Einstein con su famosa ecuación 𝐸 = 𝑚𝑐2) y así mantenerse en
equilibrio. Dicha energía liberada viaja por el espacio en forma de onda electromagnética y una
parte de ella llega directamente a la Tierra.
Aunque dicha energía es emitida de forma simétrica aproximadamente por la estrella, no se
distribuye por igual en la Tierra. Dicha energía depende de varios factores, como la hora, la fecha,
el clima y la latitud, principalmente, aunque también existen otros. Esto se ejemplifica en la
siguiente imagen, donde podemos ver la radiación global anual en superficie horizontal en
Europa:
Figura 1-1 Radiación global anual en superficie horizontal en Europa. Extraído de: Institute for
Energy and Transport (IET) (2004).
3
Asimismo, la energía solar se estudia según los siguientes parámetros:
Irradiancia (I,G) → Potencia de la radiación que incide sobre una superficie y se estudia
con la siguiente división:
o Irradiancia directa → Procede directamente del disco solar
o Irradiancia difusa → Procedente de otro lugar diferente al disco solar
o Irradiancia global → Es la suma de las dos anteriores sobre una misma superficie
Irradiación (H)→ Energía de la radiación que incide sobre una superficie en un periodo
de tiempo
A la hora de ver cuál es el emplazamiento más óptimo para el aprovechamiento solar, es muy
importante observar la Irradiancia, teniendo en cuenta para qué vamos a aprovechar esta energía.
En nuestro caso, la tecnología de Disco Parabólico se usa para plantas de potencia, por lo que lo
más conveniente sería escoger un emplazamiento donde el total de la energía solar anual sea
mayor.
Figura 1-2 El sol, nuestra estrella más cercana. Extraído de: Google imágenes (2016).
4
Historia
1.3.1 En busca de una fuente inagotable
Se dice que Arquímedes (Siracusa, actual Italia, h. 287 a.C. - id., 212 a.C.) fue el primero en
utilizar la energía solar de forma concentrada, no obstante, no fue el primero en usar la energía
solar para beneficio propio. La energía solar ha sido utilizada desde tiempos inmemoriales, de
diversas formas, aunque no con la misma finalidad que se busca en el presente documento. La
usamos constantemente en nuestra vida diaria, por ejemplo como foco de luz y a menudo, para
calentarnos en días fríos.
Pero, ¿por qué concentrar los rayos del sol? La respuesta está en la temperatura. A partir de la
concentración se consiguen temperaturas mayores, lo cual nos permite realizar acciones muy
diferentes que si no concentráramos, además de que a la hora de usar dicha energía en un ciclo
para transformarla, nos permite obtener rendimientos mayores debido a esa temperatura más alta.
La energía solar a gran escala no ha tenido relevancia histórica hasta hace relativamente poco.
Así pues, dicha energía no ha tenido apenas importancia durante el transcurso de las dos primeras
revoluciones industriales pasadas. El excesivo consumo, las evidencias existentes sobre la
disminución de los recursos fósiles y la posible escasez futura de estos, han sido las causas
principales por los que el recurso solar está empezando a ser explotado. Las tecnologías que
permiten su explotación aún no son muy maduras, aunque algunas han madurado más que otras,
y se encuentran en constante estudio por diversas entidades y universidades de gran importancia.
El principal uso que se busca en la energía solar, es la de transformarla en energía eléctrica, para
los que existen dos corrientes tecnológicas claramente diferenciadas: fotovoltaica y
concentración. Este estudio se centrará en la corriente de concentración.
Dentro de la corriente de concentración, existen 4 variantes tecnológicas principales. Dichas
tecnologías son las siguientes:
Canal Cilindro parabólico
Concentrador lineal de Fresnel
Receptor central
Disco parabólico o Disco Stirling
Así pues, la primera planta comercial para la generación de energía solar concentrada en el
mundo, la SEGS I, fue construida en California, en 1984 usando la tecnología cilindro parabólico,
consiguiendo una generación de 14 MWe. Dicha tecnología ha sido la que ha sufrido mayor
expansión desde entonces, relegando al resto de tecnologías a un segundo puesto, pese a ello, la
tecnología de receptor central está empezando a tener auge y cada vez existen más plantas de este
tipo.
1.3.2 Disco Parabólico
Los inicios de la tecnología de Disco Parabólico se remontan a 1800 cuando varias compañías
demostraron el potencial de los sistemas basados en el ciclo Rankine de vapor y el ciclo Stirling.
A finales de los 70 y principios de los 80, el ciclo de Rankine y el ciclo Stirling fueron
desarrollados para tecnologías solares. A partir de aquí, el desarrollo de esta tecnología comenzó
a obtener forma:
En Estados Unidos, la asociación Advanco desarrolló entre 1982 y 1985 un disco de 10.5 m de
diámetro, Vanguard, que se muestra en la imagen inferior, fue colocado en California. Fue
5
probado durante 18 meses, y obtuvo una eficiencia de conversión de energía del 29.4%, aunque
tuvo bastantes problemas, por lo que necesitó mucho mantenimiento.
Figura 1-3 Disco Parabólico Vanguard, de la asociación Advanco de 25 kW. Extraído de: Google
imágenes (2016).
A mediados de 1980, la asociación McDonnell Douglas Aerospace (MDA) produjo 8 prototipos
para comercializar como el que se muestra a continuación, aunque dicha empresa no llegó a buen
puerto debido a la poca importancia de este tipo de energía en el mercado.
Figura 1-4 Disco Parabólico de la asociación McDonnell Douglas Aerospace. Extraído de:
Google imágenes (2016).
A principios de los 90, la compañía Cummins Engine trató de comercializar Discos Parabólicos
que necesitasen menos mantenimiento, usando para ello un motor de pistón libre, pero en 1996 la
compañía abandonó sus actividades en lo referido al desarrollo del motor de pistón libre para este
propósito.
En 1993, la sociedad Science Applications International (SAIC) y Stirling and Thermal Motors
(STM) desarrollaron un disco de 20 kWe con un motor Stirling, que fue un éxito al ser presentado
6
en Golden, Colorado. La compañía Arizona Public Service (APS) se asoció con este equipo para
construir un nuevo prototipo. Juntos crearon lo que se denomina la fase 3, discos con una
reducción del coste gracias a la incorporación de un colector híbrido directamente iluminado.
En Mayo de 2005 se instaló un prototipo de planta solar de Discos Stirling en el Sandia’s National
Solar Thermal Test Facility (NSTTF) para producir 150 KWe usando 6 unidades, con 82 espejos
cada una y usando hidrógeno como fluido caloportador, tal y como son mostrados a continuación.
Figura 1-5 Prototipo de planta en el Sandia’s National Solar Thermal Test Facility. Extraído de:
Sandia National Laboratories (2008).
Desde 2005, buscan mejorar el diseño y la operación de estos, produciendo el modelo
SunCatcherTM, cuyo diseño ha mejorado óptica y en peso, debido a la reducción de espejos, que
han sido cambiados por 40 espejos de mayor precisión.
Figura 1-6 Modelo SunCatcherTM. Extraído de: Sandia National Laboratories (2009)
7
En 2009, Stirling Energy Systems (SES) construyó la primera planta de demostración usando 60
discos de este modelo en Arizona, de 25 KWe cada unidad. En 2011, la compañía alcanzó la
quiebra, así que la planta se dio de baja.
Asimismo, en Australia, en 1981 se fue construida una planta con 14 discos parabólicos por el
Energy Research Center (ERC) de la Universidad de Canberra. Esta planta funcionó durante
varios años y fue transformada a una planta fotovoltaica por Solar Systems.
Por otro lado, en Europa, los desarrollos los han llevado a cabo empresas alemanas, y cuyos
ensayos han sido llevados a cabo en la Plataforma Solar de Almería (PSA), en España. Los
prototipos anteriores fueron mejorados gracias al proyecto europeo EURODISH, llevado a cabo
entre los años 1998 y 2001. Por otro lado, Alemania creó el proyecto ENVIRODISH (2002-2005),
que realizó mejoras a los discos EURODISH y los puso a punto para su entrada en el mercado
construyéndose tres unidades que fueron instaladas en Odeillo (Francia), Würzung (Alemania) y
Sevilla (España). Estos discos están caracterizados por una reducción del precio, un uso de una
tecnología nueva de moldes y material composite en lugar de la membrana tensionada, una mejora
del motor Stirling y el desarrollo de un sistema de monitorización y control a través de internet.
Figura 1-7 Disco EURODISH instalado en la Plataforma Solar de Almería. Extraído de:
Plataforma Solar de Almería
Otro de los diseños presentados en Europa es el que muestra la siguiente imagen, el DISTAL II,
probado en Almería, España. Tres discos Stirling fueron construidos en la Plataforma Solar de
Almería en un proyecto cooperativo entre Alemania y España. Dichos disco estuvieron
funcionando hasta 2003, por lo que acumularon más de 10000 horas de funcionamiento. Entre
sus principales características podemos encontrar un diámetro de concentrador de 8.5 metros, con
un área reflectante de 57 m2. El motor utilizado es el SOLO V 160, diseñado por la empresa SOLO
(que más tarde pasó a Cleanergy), con dos cilindros y usando como gas de trabajo el Helio. Los
concentradores fueron construidos usando una tecnología de membrana de metal y una
innovadora técnica de soldadura láser.
8
Figura 1-8 DISTAL II en la Plataforma Solar de Almería. Extraído de: Schlaich Bergermann
Partner
Retos actuales
Como se ha visto hasta ahora, la tecnología de disco parabólico no es una tecnología
especialmente desarrollada, a pesar de su longevidad.
El sector energético es uno de los sectores más competitivos que existen, tanto a nivel técnico
como económico y político. Es por ello, que debe abrirse paso a través de una gran cantidad de
competidores, tanto en lo referido a energías renovables como a combustibles fósiles.
Actualmente, los combustibles fósiles dominan el mercado sin duda alguna como se observa en
la imagen:
Figura 1-9 Producción de Energía Primaria, EU-27, 2009. Extraído de: Eurostat Yearbook 2012:
Energy (2013).
9
Es por ello que esta tecnología tiene abrirse camino primero entre las energías de carácter no
renovable, y tras eso, entre las energías renovables, ya que existen otras tecnologías solares
(cilindro parabólico, fotovoltaica y torre solar) que están teniendo una recepción mucho mayor,
en parte debida a unos costes más competitivos y a una serie de subvenciones dedicadas a estas
últimas durante los años 2005 a 2008 aproximadamente, principalmente en España.
Para ello, debe conseguirse una mejora en la parte técnica para conseguir aumentar el rendimiento
y una reducción de costes, que en gran medida se deben a la estructura, al motor y al
mantenimiento de este último. Asimismo, los costes del motor Stirling, que es generalmente el
más usado, son altos debido a la dificultad en su fabricación, ya que precisa de mucha precisión,
y a la poca cantidad de proveedores de estos.
El principal competidor de esta tecnología es la energía fotovoltaica. Cada una de estas
tecnologías presenta una serie de ventajas y desventajas que rápidamente permiten comparar cada
una de ellas. En lo referente a la concentración, la tecnología fotovoltaica no la incluye, por lo
que se necesitan áreas mayores para alcanzar la misma potencia. Por otro lado, la tecnología
fotovoltaica no necesita de un motor, ya que la conversión eléctrica se produce directamente en
la célula fotovoltaica, eliminando así posibles problemas de operación y mantenimiento. Aun así,
es importante remarcar que la tecnología fotovoltaica necesita inversores para poder transformar
el voltaje y la corriente de forma que nos sea útil. La tecnología de disco parabólico por otro lado
incluye un motor, que será estudiado más adelante, pero hay que remarcar que a menudo tiene
problemas de operación y mantenimiento. En lo referente al seguimiento, en la tecnología
fotovoltaica se puede simplificar un poco más, ya que esta generalmente está montada en Strings,
por lo que con un solo motor se pueden mover varios a la vez. Además, puede tener tanto
seguimiento en un eje como en dos, aunque es bastante común que no incluyan este sistema (sobre
todo en Gran Bretaña), para así eliminar posibles problemas de mantenimiento.
Otro de los problemas de la tecnología fotovoltaica en comparación con la tecnología de disco
parabólico es la temperatura. Generalmente, cuanta mayor irradiación exista, más potencia se
podrá producir, como se muestra en la Figura 1-10, donde está representada el voltaje y la
intensidad en función de la irradiación, pero ello también suele conllevar un aumento de la
temperatura. En el caso de un panel fotovoltaico, cuando la temperatura de este aumenta, la
eficiencia del mismo (el punto de máxima potencia) disminuye, por lo se debe buscar un equilibrio
entre irradiación y temperatura. Este hecho se muestra en la Figura 1-11, donde se observa el
cambio del punto de máxima potencia con respecto a la temperatura.
Figura 1-10 Influencia de la Irradiancia a Tª constante. Extraído de: Teoría y Problemas
“Instalaciones Fotovoltaicas”
10
Figura 1-11 Influencia de la temperatura sobre la curva característica de una célula sobre la que
incide una Irradiancia constante. Extraído de: Teoría y Problemas “Instalaciones Fotovoltaicas”
En el caso de la tecnología de disco parabólico, cuanta más temperatura, mayor rendimiento del
ciclo y más potencia es capaz de extraer. Es por ello, que quizás cada tecnología sea más
conveniente según sea un entorno cálido o no.
A todo este hay que unir la fuerza del mercado en el sector fotovoltaico, ya que existen fabricantes
de todo tipo, tanto para grandes plantas como para pequeñas instalaciones, lo que permite mayor
flexibilidad.
A pesar de todo esto, es una tecnología que aún tiene una larga vida, tanto de desarrollo como de
producción, ya que posee unas características que la hacen muy atractiva, como la modularidad y
el mayor rendimiento de todas las tecnologías solares.
12
2 DESCRIPCIÓN DE LA TECNOLOGÍA DISCO
PARABÓLICO
a tecnología de Disco Parabólico es la más antigua de las tecnologías de captación solar.
Durante las próximas páginas, se explicará el funcionamiento de esta tecnología, incluyendo
sus componentes, así como otros datos relevantes, tales como tamaños, temperaturas de
funcionamiento, fluidos caloportadores usados, etc…
Principio de funcionamiento
La tecnología de Disco Parabólico consiste en un módulo relativamente pequeño que transforma
la energía solar en energía eléctrica. Se trata de un concentrador de espejos, que concentra los
rayos del sol en un punto que alcanza una alta temperatura. Dicho punto es un receptor que
traspasa la energía solar acumulada en forma de calor a un motor (usualmente un motor Stirling),
cuya finalidad es la de transformar la energía solar en energía eléctrica.
Para cumplir esta finalidad, el Disco Parabólico debe llevar incluido tecnología de seguimiento
de dos ejes, que detectará la posición del sol en cada momento y colocará el disco en la posición
óptima para la mayor captación de energía solar.
Figura 2-1 Funcionamiento simplificado de la tecnología de Disco Parabólico. Extraído de:
Google Imágenes (2016)
L
Tanto si piensas que puedes, como si piensas
que no puedes, estás en lo cierto.
- Henry Ford -
13
Entre las características más importantes del Disco Parabólico, se encuentran la modularidad, la
alta eficiencia en comparación al resto de tecnologías de concentración solar, que alcanza
aproximadamente el 30%, doblando así al resto de tecnologías y la capacidad de hibridación, ya
que el motor puede ser también alimentado por energía de carácter no renovable, como
combustibles fósiles, para su uso continuo, por ejemplo, durante la noche.
Componentes
Los principales componentes de esta tecnología son los siguientes:
Concentrador Solar
Receptor (Intercambiador)
Unidad de Conversión de Potencia
Seguimiento Solar en Dos Ejes
Junto a los principales componentes, se muestran otros en la siguiente figura:
Figura 2-2 Principales componentes del Disco Parabólico. Extraído de: Google imágenes (2016).
2.2.1 Concentrador solar
El concentrador solar consiste básicamente en un conjunto de reflectores colocados de forma
parabólica donde los rayos del sol se reflejan en dirección al receptor. La parábola es una forma
geométrica que se caracteriza porque todos los rayos paralelos al eje que alcanzan la parábola son
reflejados a un mismo punto llamado foco, y donde, en nuestro caso, colocaremos el receptor.
Los reflectores o espejos son superficies reflectantes de metal, vidrio o plástico. Las superficies
más duraderas hasta ahora han sido espejos de vidrio aunque, a fin de reducir costes, se han
utilizado películas de polímeros, obteniéndose resultados bastante limitados. Asimismo, es
recomendable usar espejos con baja cantidad de hierro (Fe), para así aumentar la reflectividad.
Normalmente no se usa un único espejo debido a la dificultad constructiva, si no que se usan
varios espejos planos o ligeramente curvos con los que se consiguen formas prácticamente
parabólicas, reduciendo en gran medida los costes. Se consiguen reflectividades de en torno al
90-94% en función del contenido en hierro y del grosor de los espejos.
Debido a que las longitudes focales son cortas, los espejos necesarios tienen un espesor de
aproximadamente 1 mm, ya que así se consiguen las curvaturas requeridas.
14
Para aumentar la proximidad con la forma parabólica, se desarrolló un sistema de membranas que
permiten adaptar la forma de los reflectores, permitiendo cierta flexibilidad de operación. Dicho
dispositivo es mostrado a continuación:
Figura 2-3 Alzado de un Disco Parabólico con soporte de membrana. Extraído de: A Compendium
of Solar Dish/Stirling Technology
El coeficiente de concentración es definido como el flujo solar medio que atraviesa la apertura
del receptor dividido por la irradiación solar normal del ambiente y viene determinado por el
diseño óptico y la precisión del concentrador. El flujo de energía solar reflejada que pasa a través
del receptor suele ser mayor del 85%.
Asimismo, el tamaño del concentrador está determinado por la potencia de salida al nivel máximo
de irradiación (1000 W/m2) y la eficiencia de conversión. Por tanto, el tamaño vendrá definido
por el motor que sea instalado.
Los discos más interesantes desde el punto de vista óptico son los de membrana tensionada,
aunque su coste es excesivo para el mercado actual. Por este motivo, se están usando estructuras
más baratas con película superficial, que aunque ofrecen menos rendimiento, son más
competitivas económicamente.
Este componente muestra problemas como la dificultad de adherencia de las películas reflectantes
a la estructura, una notable degradación en la superficie, la forma parabólica y un peso excesivo
en la estructura, el cual se está intentando reducir.
La posición de los espejos también es muy importante para el correcto funcionamiento del
sistema. En orden de reducir costes, se han creado diferentes tipologías de concentrador, en busca
del más ventajoso, tanto a nivel técnico como a nivel económico. Entre los tipos de concentradores
más usados, se encuentran los mostrados en la siguiente imagen:
15
Figura 2-4 Cuatro tipos diferentes de concentrador. Extraído de: Proyecto de Generación Energía
con Disco Parabólico (2010).
Algunos de los concentradores más importantes siguen alguna de las tipologías mostradas
anteriormente. A continuación, se mostrarán algunos de ellos:
Disco Parabólico Vanguard
Figura 1-3 Disco Parabólico Vanguard, de la asociación Advanco de 25 kW. Extraído de: Google
imágenes (2016).
Este concentrador se caracteriza por estar formado de pequeños espejos cuadrados. Asimismo, se
puede observar que el concentrador está divido en cuatro partes, entre las cuáles está apoyado el
receptor.
16
Modelo SunCatcherTM
En el modelo SunCatcherTM, los espejos están situados de forma radial, en dos
circunferencias diferentes. Asimismo, el receptor está apoyado en la base que sostiene
todo el sistema, además de incluir una pequeña estructura triangular para reducir costes.
Figura 1-6 Modelo SunCatcherTM. Extraído de: Sandia National Laboratories (2009)
EURODISH
Este disco parabólico, creado gracias a un proyecto Europeo (de ahí su nombre) lleva
incorporados espejos curvos, que hacen casi de parabólica perfecta. Además, gracias al
uso de una nueva tecnología de moldes y material composite mejora su eficiencia sin
necesidad de usar una membrana tensionada. Además, incluye un sistema de
monitorización y control por internet. El concentrador es un SBP system.
Figura 1-7 Disco EURODISH instalado en la Plataforma Solar de Almería. Extraído de:
Plataforma Solar de Almería
17
Colector solar SAIC
Este concentrador solar se caracteriza por estar formado por espejos circulares que se
agrupan intentando formar una parabólica. Gracias al ajuste parabólico y al pequeño
tamaño del receptor se han conseguido altas eficiencias de hasta el 29%. La imagen
mostrada anteriormente muestra un disco situado en Golden, Colorado.
Figura 2-5 Concentrador solar SAIC en Golden, Colorado. Extraído de: National
Renewable Energy Laboratory
Nuevos diseños
Un nuevo desarrollo de disco Stirling está siendo desarrollado por un conjunto de
empresas financiadas por una comisión Suiza, el cuál combina un concentrador solar de
tipo parabólico con un sistema fotovoltaico enfriado, el HCPVT (High Concentration
PhotoVoltaic System). Como se observa en la imagen, el concentrador estaría formado
por varios espejos circulares, de un diseño parecido al anterior:
Figura 2-6 Imagen conceptual del HCPVT. Extraído de: International Business Machine
(IBM)
18
El sistema está constituido por el concentrador con forma parabólica, que envía la energía
solar al receptor, como todo disco parabólico. La innovación de este sistema se encuentra
en el receptor, que está formado por células fotovoltaicas de 1x1 centímetros, cada cuál
es capaz de producir entre 25 y 50 vatios de media en una típica región soleada.
El receptor completo está constituido por 500 chips, que permiten una potencia total de
unos 25 Kilovatios montados en una estructura de capas, que serán refrigeradas. El
sistema de refrigeración es capaz de mantener los chips a buenas temperaturas en rangos
de concentración de entre 2000 y 5000 veces.
Así, conocemos los principales concentradores de la tecnología de disco parabólico. Para
comprender mejor las diferencias entre algunos de ellos, se muestra a continuación una tabla con
los datos más relevantes
Figura 2-7 Comparativa entre diferentes concentradores. Extraído de: Sistema Disco Parabólico.
Capítulo 1
2.2.2 Receptor
El receptor es el encargado de transmitir la energía al motor. En primer lugar, absorbe la energía
que le llega del concentrador, alcanzando así una alta temperatura. En segundo lugar la energía
absorbida es transmitida al motor, donde será convertida a energía eléctrica.
Es importante aclarar que aunque el paraboloide del concentrador sea perfecto, todos los rayos
del sol no llegan de forma paralela al eje del paraboloide, por lo que tampoco lo harán al receptor.
De esta forma, la irradiación no se encuentra en un solo punto, sino que está distribuida en una
pequeña zona, aunque sí es cierto que la máxima concentración de flujo estará en el centro,
decreciendo esta exponencialmente con el radio.
Se usan receptores de cavidad, donde la radiación entra por una pequeña apertura, incidiendo así
sobre el absorbedor. Los receptores de cavidad reducen las pérdidas convectivas y homogenizan
el flujo radiante incidente sobre el absorbedor, además de reducir su valor máximo. A cambio, se
19
pierde una parte de la irradiación, ya que esta no entra en el receptor, por lo que este receptor es
más conveniente a altas temperaturas, mientras que el externo lo es a temperaturas menores.
Aunque generalmente el motor usado es un motor Stirling, no siempre se usa este, si no que se
pueden usar otros que utilicen el ciclo Rankine o Brayton, donde cada cual, tiene sus diferentes
problemas y características. Por ejemplo, en el ciclo Stirling, se debe usar un receptor que
transfiera la energía solar concentrada de forma eficiente a un gas a alta presión en régimen
turbulento, que suele ser hidrógeno (H) o helio (He), mientras que en el Brayton, la transferencia
se realiza a presiones relativamente bajas a un flujo laminar.
Además, a veces se colocan reformadores químicos u otros elementos que necesitan de un gran
aporte de calor en el receptor.
Otro dato curioso en el caso de los receptores de cavidad, es que no usan un vidrio en la abertura
que cierre la cavidad, pese a que termodinámicamente sería conveniente. Esto es debido a que las
altas temperaturas a las que estaría sometido durante el día y el cambio de temperatura con
respecto a la noche, hacen que se resquebraje por fatiga en poco tiempo.
Existen dos tipos de receptores principalmente usados en el Disco Parabólico:
Receptores de Reflujo (Indirect Receivers)
o Receptor “Pool Boiler”
o Receptor de tubo de claro “Heat Pipe”
Receptores de Tubos de Iluminación Directa (Direct-Illumination Receivers, DIR)
2.2.2.1 Receptores de Reflujo
Los receptores de reflujo se caracterizan por usar un fluido intermedio para realizar la
transferencia de energía. El fluido utilizado suele ser un metal líquido, que mayoritariamente, es
el sodio (Na), consiguiendo una distribución de energía uniforme en el motor Stirling, lo cual se
traduce en un mejor funcionamiento, pero con mayores pérdidas.
El funcionamiento del sistema se basa en la evaporación del metal líquido cuando pasa por el
receptor gracias a la energía obtenida por la concentración de los rayos del sol. Así pues, sube
hasta un intercambiador de calor, se condensa al transferirle su energía al fluido de trabajo del
motor, y vuelve a caer por gravedad a un depósito, donde más tarde volverá al receptor por
capilaridad.
Las principales ventajas de este tipo de receptor son el gran coeficiente de transferencia de calor
debido al uso de metales líquidos, ya que permiten transferencias de hasta 800 W/cm2, lo que se
traduce en receptores más pequeños, la independencia del diseño entre receptor y motor, la
facilidad de la hibridación gracias al fluido intermediario y transferencia de energía más uniforme,
que permite trabajar con temperaturas cercanas a las de los límites de los materiales.
A pesar de esto, este tipo de receptor también muestra otra serie de desventajas, entre las que
destaca la corrosión, generalmente producida por el sodio, debida a elementos metálicos
transferidos a la disolución de sodio y a otros elementos que han retenido oxígeno en su estructura.
Por ello, se ha de ser muy cauteloso, ya que pueden aparecer capas de óxido, reduciendo la
transferencia de calor o, en caso extremo, producir un fallo crítico en el sistema, dejándolo
inutilizable.
20
Existen dos tipos de receptores de reflujo:
Receptor “Pool Boiler” → Este tipo de receptor se caracteriza por tener siempre una parte
del metal líquido en contacto con el absorbedor, produciéndose así siempre la
evaporación de una parte del metal líquido, que se desplaza hacia el intercambiador del
motor. La primera generación de estos receptores es mostrada a continuación, que
muestra la forma, lugar del fluido y la superficie del receptor:
Figura 2-8 Esquema y foto de la primera generación de receptores “pool boiler”. Extraído de: On-
Sun Test Results from Second-Generation and Advanced-Concepts Alkali-Metal Pool-Boiler
Receivers
Se puede observar la apertura, la importancia del aislamiento y el lugar donde la energía
pasa del fluido caloportador al motor.
Receptor de tubo de calor “Heat Pipe” → En este tipo de receptor, el líquido metálico
asciende por capilaridad por uno de los turbos del absorbedor, y al igual que antes, se
evapora y va al intercambiador del motor, volviendo a producirse el ciclo de
condensación y evaporación. Por este motivo, la cantidad de metal líquido necesario es
mucho menor.
Asimismo, la principal ventaja de este tipo de receptor se debe a que la masa a calentar
es mucho menor, por lo que la respuesta será mucho más rápida en los periodos
transitorios y habrá menores pérdidas térmicas. Las desventajas en comparación al
receptor “pool boiler” es que en días nublados hay un mayor número de ciclos térmicos
en el motor y una mayor variación de potencia en la salida.
En la siguiente imagen se muestra el esquema de funcionamiento de este receptor:
Figura 2-9 Esquema de funcionamiento de un receptor de tubo de calor “heat pipe”. Extraído de:
Solar Dish Engine
21
2.2.2.2 Receptores de Tubos de Iluminación Directa (DIR)
Estos receptores aportan directamente la energía solar captada al fluido usado por el motor. El
funcionamiento se basa en hacer pasar el fluido de trabajo, que suele ser helio, hidrógeno o aire a
alta presión (5-20 MPa) por un haz de tubos, que recibe directamente el flujo solar concentrado.
Debido a que la temperatura de trabajo suele ser muy alta, el uso de recubrimientos selectivos se
ve dificultado. Otro inconveniente a tener en cuenta es la falta de uniformidad del flujo, con lo
que hay zonas con temperaturas muy dispares en los tubos. Las zonas donde se encuentran los
picos de temperatura limitan la temperatura máxima, ya que podría sobrepasarse la máxima
temperatura admitida por los materiales.
En la siguiente figura se muestra el receptor usado en el proyecto EURODISH, conjuntamente
con un nuevo diseño de receptor cóncavo, que usa una aleación de Níquel (Ni) y Cromo (Cr) con
un diámetro de tubería de 3 mm y 0.5 mm de grosor. Este tipo de receptores no van montados
dentro de cavidades debido a su forma.
Figura 2-10 Receptor usado en el proyecto EURODISH y nuevo diseño de receptor cóncavo.
Extraído de: Concave Receiver for Stirling Dish and Manufacturing Method Therefor
2.2.2.3 Otros receptores
Existen otros tipos de receptores, tanto para el ciclo Stirling como para otros ciclos. Uno de los
más interesantes es el receptor híbrido, que integra un quemador de gas que permite al motor
Stirling seguir actuando aunque los rayos del sol no alcancen bien el concentrador por culpa de
nubes y evita transitorios debidos al paso de una serie de nubes. Además, permite así por tanto,
usar el motor de noche, aunque por supuesto, esta energía no es de carácter renovable.
22
Figura 2-11 Receptor híbrido de tubo de calor “heat pipe” de sodio con un quemador. Extraído
de: Dish/Stirling Hybrid-Receiver
También existen receptores para Discos Parabólicos con ciclo Brayton, aunque estos están menos
desarrollados que los nombrados anteriormente. Esto se debe a que el diseño de dicho receptor es
complicado, ya que la baja presión usada en el ciclo, disminuye el coeficiente de transferencia,
además de la necesidad de reducir la caída de presión en el receptor. Hasta ahora, el receptor de
este tipo más exitoso ha sido el “Absorbedor volumétrico”, donde la radiación solar concentrada
absorbida en una matriz porosa. Gracias a esto, el coeficiente de transferencia se ve mejorado en
gran medida que si se usase un intercambiador convencional, obteniéndose una eficiencia del
receptor de un 80%. Este desarrollo ha sido probado, pero sólo en periodos cortos de tiempo,
sobre 10 horas, debido a la disponibilidad del motor Brayton.
2.2.3 Unidad de conversión de potencia
La unidad de conversión de potencia es el elemento encargado de transformar la energía recogida
por el receptor en un tipo de energía que nos resulte útil, generalmente en energía mecánica que
poco después es transformada a energía eléctrica gracias a un generador o alternador. Aunque no
tiene porqué ser energía eléctrica, suele ser lo más común debido a su facilidad de transporte y la
gran versatilidad de uso.
Se ha experimentado con gran cantidad de ciclos termodinámicos en busca del ciclo que mejor se
adapte a esta tecnología, siendo hasta ahora los más ventajosos el ciclo Stirling y el ciclo Brayton,
tanto abierto como cerrado, aunque el ciclo Stirling ha demostrado ser el más eficiente.
El motor Stirling es un motor de combustión externa que presenta grandes ventajas, como su alta
durabilidad debida a la inexistencia de combustión, por lo que sus componentes (pistones,
cojinetes, etc.) apenas sufren durante el funcionamiento. Por esta misma razón, no produce apenas
ruido ni vibraciones. Su funcionamiento no depende de cómo se genere el calor necesario, pero
sí depende de cómo se realice el aporte de dicho calor.
23
Es un motor muy similar a los convencionales, ya que comprime el fluido de trabajo cuando aún
está frío, este se calienta durante la compresión y se expande en una turbina o un pistón,
produciendo energía mecánica en el eje de esta. Esta turbina está conectada a un alternador o a
un generador que transforma la energía mecánica en energía eléctrica.
Así pues, más adelante, se dedica un capítulo completo a analizar en detalle los motores Stirling,
donde será explicado con mucho más lujo de detalles.
La siguiente imagen muestra los puntos más importantes de un motor Stirling, junto con el
receptor:
Figura 2-12 Receptor y unidad de conversión de potencia (motor Stirling) con sus componentes.
Extraído de: Solartron Energy Systems Inc.
Como se ha dicho anteriormente, también se usa el ciclo Brayton como motor en los discos
parabólicos, aunque está mucho menos extendido que el Stirling. El motor Brayton, motor de
combustión interna, utiliza el calor solar como combustible, calentado el fluido de trabajo, y
haciéndolo pasar por una turbina, generando así energía mecánica. El calor residual que hay en la
salida de la turbina es usado para precalentar el aire del compresor, permitiendo así alcanzar altas
eficiencias. Esto es llamado regeneración, y como se verá en el capítulo 4, es una característica
que también incluyen los motores Stirling, y es lo que permite altas eficiencias en esta tecnología.
2.2.4 Seguimiento solar en dos ejes
Para que el disco parabólico funcione bien, debe ajustar su eje para que los rayos del sol sean
paralelos a este, ya que no sería eficiente de no ser así. Para conseguir esto, se debe instalar un
seguidor solar en dos ejes. Para ello, existen 3 sistemas actualmente:
24
Seguimiento con elevación-acimutal → Para este tipo de seguimiento, hay que tener en
cuenta dos planos: uno paralelo a la tierra (acimut) y otro perpendicular a ella (altitud).
El disco puede girar en cualquiera de estos dos sentidos usando servomotores (o sea,
izquierda y derecha, y arriba y abajo). Para el ajuste, la velocidad de rotación varía a lo
largo del día, que viene dada por un algoritmo computacional.
Método de rastreo polar → El disco gira alrededor de un eje paralelo al eje de rotación de
la tierra gracias a un seguimiento en coordenadas polares. Por ello, el movimiento de un
eje es muy lento (sólo variaciones estacionales) y el del otro es a velocidad constante.
Debido a que las cargas estarán sobre una sola columna, este sistema se usa solo en discos
pequeños.
Seguimiento con elevación-acimutal mejorado → El sistema es el mismo que el descrito
en primer lugar, pero integra un sensor en cada eje que permite corregir los pequeños
fallos que pueda tener el algoritmo computacional.
Figura 2-13 Esquema del funcionamiento del método de rastreo elevación-acimutal. Extraído de:
Google imágenes (2016).
Mientras que el método de rastreo polar presenta como ventaja una estructura más sencilla, que
además permite recoger más radiación, el método de elevación-acimutal permite un mayor
control, ya que con una sola unidad de control, se pueden controlar varios discos.
Figura 2-14 Seguidor de la empresa Titan Tracker caracterizado por llevar dos colectores en un
solo soporte. Extraído de: Titan Tracker (2010).
25
2.2.5 Otros componentes
Aunque los componentes descritos anteriormente son los más característicos, existen otros
componentes en el dispositivo no menos importante:
Sistema de refrigeración → Dadas las altas temperaturas a las que estará sometido el
dispositivo, el motor Stirling necesita evacuar el calor residual de forma eficiente para
que así sus componentes no se vean mermados por este. Normalmente usan un radiador
para ello, por lo que no necesitan consumo de energía para extraer este calor.
Medida y control → Es muy importante controlar nuestro sistema para así obtener
resultados óptimos. El principal sistema de control ha sido descrito anteriormente, el
seguimiento en dos ejes, pero pueden existir otros, como un control sobre la curvatura del
colector, o la temperatura del motor. Asimismo, la medida de la irradiación, temperatura,
eficiencia y otros factores, que serán obtenidos mediante sensores, son muy importantes,
ya que todo ello nos suministra información sobre el disco para poder realizar cualquier
tipo de estudio sobre este (principalmente un análisis de viabilidad económica).
Alternador → Es el dispositivo encargado de transformar la energía mecánica en energía
eléctrica. En el caso de los motores Stirling, los generadores suelen ser de inducción, con
una alta eficiencia, aunque necesitan de inversores para poder llevar esta corriente a la
red eléctrica. Asimismo, esta característica da más flexibilidad a la operación debido a
que los generadores pueden funcionar en un régimen de giro variable.
Datos importantes de funcionamiento
En orden de tener una referencia acerca de esta tecnología, la tabla que se muestra a continuación
muestra algunos de los criterios de diseño que se suelen realizar a la hora de diseñar un disco
parabólico:
Temperatura ambiente Entre -10 y 50ºC
Humedad Hasta el 100%
Velocidad del viento en operación Entre 15 y 20 m/s
Velocidad de viento máxima 45 m/s
Máxima potencia de salida Cuando DNI es aproximadamente 1000 W/m2
Presión en el motor 0-15MPa
Temperatura más alta en el fluido de trabajo 500-700ºC
Conexión a red Línea de 230/400 V
Eficiencia 30 % (máximos de 40%)
Ratio de concentración 1000-3000
Temperatura en el receptor 750- 1000 ºC
Debido a la baja inercia térmica, el disco parabólico reacciona muy rápidamente ante cambios en
el aporte de energía solar, por lo que su operación es de gran importancia. A continuación se
muestra una gráfica en la que queda patente lo rápido que se ve afectada la potencia de salida
cuando la DNI (Direct Normal Irradiance) varía:
26
Figura 2-15 Variación de la potencia de salida con la DNI. Extraído de: Concentrating solar
power technology. Principles, developments and applications.
28
3 MOTOR STIRLING
as siguientes líneas están dedicadas a explicar el corazón de la tecnología de Disco Parabólico: el
motor Stirling. Veremos su modo de funcionamiento, tanto del ciclo teórico como del ciclo real,
las formas y materiales constructivos, incluyendo sus problemas de fabricación, ya que es un motor
difícil de construir y se verán cuáles son sus ventajas y desventajas.
Ciclo Stirling. Historia
Sin duda, uno de los aspectos más característicos del disco parabólico es su capacidad de
transformar energía solar en energía mecánica, que a su vez se transforma en eléctrica en el propio
módulo. El encargado de esta transformación, como ya se comentó escuetamente en el capítulo
2, es generalmente el motor Stirling.
Durante la revolución industrial, se buscaban desarrollos de máquinas de vapor con potencias
cada vez mayores, pero para ello, se necesitaban calderas de alta presión, que podían explotar con
facilidad. Por ello, el reverendo escocés Robert Stirling inventó en 1816 un motor simple y
eficiente, si la comparamos con la máquina de vapor: el motor Stirling. Para ello, creó el
economizador (conocido hoy en día como regenerador), que es un dispositivo capaz de almacenar
energía en una parte del ciclo, y cederlo en otra parte.
El motor tuvo una gran influencia hasta principios de 1900, cuando se inventaron los motores de
combustión interna y los motores eléctricos, momento en el que pasó a tener un papel secundario.
Más adelante, hacia 1935, se realizó un desarrolló del motor Stirling enfocado a dispositivos de
baja potencia (radios y otros dispositivos eléctricos), debido al poco ruido y vibraciones que
produce, por lo que el uso del motor Stirling cambió drásticamente. Pero repitiéndose la historia,
un nuevo invento, la pila, produjo el relevo a un segundo plano de este motor.
Ya en la década de los 60, la crisis del petróleo produjo grandes problemas económicos y sociales,
por lo que varias empresas optaron por desarrollar nuevas y viejas tecnologías, entre las que se
L
Yo no sé cómo es el alma, pero si es que existe,
los motores deben tener una porque se quejan,
se desesperan, se rebelan y se comportan como
niños a los que se forma, día a día.
- Enzo Ferrari -
29
encontraba el motor Stirling. Sin duda, General Motors y la NASA fuero los más importantes en
los avances de este motor, al usarlo en generadores eléctricos y automóviles híbridos.
En este momento, existen muchos desarrollos alrededor del mundo enfocados en sistemas
terrestres y marítimos para producir energía.
Figura 3-1 Diseño 3D de un motor Stirling. Extraído de: Avances en el Desarrollo y Construcción
de Máquinas de Ciclo Stirling (2009)
Este motor Stirling está construido en base al ciclo Stirling, caracterizado por tener el mismo
rendimiento que el ciclo de Carnot, o sea, el rendimiento máximo, aunque como se verá a
continuación, a la hora de llevarlo a la práctica, este rendimiento se verá mermado en gran medida.
Ciclo teórico
El ciclo Stirling es un ciclo cerrado, ya que existe una cantidad fija de fluido en su interior. Si esta
variase por cualquier motivo, el ciclo no funcionaría correctamente. Asimismo, el ciclo está
constituido por dos isotermas (temperatura constante) y dos isocoras (volumen constante), aunque
el funcionamiento de este será descrito un poco más adelante.
30
Además, el ciclo incluye un elemento muy importante: el regenerador, que es un elemento de
alta masa térmica, generalmente poroso y de alta conductividad, que permite almacenar energía
de forma temporal. El regenerador es un elemento que podría describirse como se muestra a
continuación:
Figura 3-2 Esquema de funcionamiento del regenerador en un ciclo Stirling. Extraído de:
Termodinámica. Séptima edición (2012).
Como se muestra en la imagen, el regenerador es un elemento que recoge energía del ciclo en una de
las fases de este, para volver a aportársela más adelante en otra fase. Más concretamente la recoge en
la isocora en la que la presión se ve reducida y se la entrega a la isocora en la que aumenta la presión.
Así pues, el ciclo tiene cuatro procesos reversibles en su totalidad, que se muestran en la imagen:
Figura 3-3 Diagramas Temperatura-Entropía y Presión-Volumen del ciclo Stirling. Extraído de:
Termodinámica. Séptima edición (2012).
De esta forma, el proceso 1-2 es un proceso de expansión a temperatura constante (𝑇𝐻), lo cual se
consigue a través del aporte de calor de una fuente externa. En el proceso 2-3 entra en juego el
regenerador, que extrae energía del fluido de trabajo a volumen constante y lo almacena, por lo que la
temperatura y la presión decaen. El proceso 3-4 es el opuesto al proceso 1-2, ya que se trata de una
compresión a temperatura constante (𝑇𝐿), por lo que es necesaria la extracción de energía. Por último
31
en el proceso 4-1 el fluido absorbe la energía del regenerador que ganó en el proceso 2-3, todo ello a
volumen constante, aumentando así la temperatura y la presión.
Como se puede observar, es fácil determinar que todos los proceso del ciclo son reversibles y que
existen dos temperaturas claramente diferenciadas: temperatura del foco caliente (𝑇𝐻) y temperatura
del foco frío (𝑇𝐿). Es por ello que se trata de un ciclo dual al ciclo de Carnot, obteniéndose el mismo
rendimiento que este, o sea, el máximo rendimiento teórico posible para esas temperaturas:
𝜂𝑆𝑡𝑖𝑟𝑙𝑖𝑛𝑔 = 𝜂𝐶𝑎𝑟𝑛𝑜𝑡 = 1 −𝑇𝐿
𝑇𝐻
Ciclo real
A priori, el ciclo Stirling parece un ciclo ideal para cualquier tipo de desempeño, debido a su alto
rendimiento. Pero a la hora de llevarlo a la práctica, surgen una serie de problemas:
A la hora de llevar el motor a la realidad, es necesario que los procesos de extracción (3-4) y
adicción (1-2) de calor ocurran en periodos muy cortos de tiempo para que la potencia del motor
sea razonable, lo que implica la irreversibilidad de estos, mermando así el rendimiento. Como es
un motor de ciclo cerrado, el flujo se calienta y se enfría de forma muy rápida, por lo que existen
grandes flujos de temperatura a través de las paredes. Por ello, suelen ser necesarios
intercambiadores de calor para generar zonas de gran área de transferencia
A esto hay que sumar las pérdidas de flujo, debidas a que existe una pérdida de carga del fluido
al pasar a través del motor, unas pérdidas en el regenerador, además de una pequeña fuga de calor
longitudinal. Asimismo, existen fugas del fluido en función del buen sellado del pistón,
conducción en las paredes del cilindro, la fricción mecánica y otras pérdidas de calor fuera del
ciclo (pérdidas convección y conducción en el receptor, además de que no todos los rayos
incidentes en el disco alcanzan el receptor).
A continuación, se observa una curva de un ciclo Stirling real, donde se ve la curva P-V mucho
más suavizada:
Figura 3-4 Curva real de un motor Stirling. Extraído de: Departamento de Física Aplicada III,
Universidad de Sevilla (2012).
32
Como se puede comprobar gracias a la imagen anterior, en la aplicación real, no existen los
procesos totalmente isotermos ni totalmente isocoros (aunque estos últimos suceden de forma
rápida, por lo que prácticamente lo son). Asimismo, la cantidad de trabajo realizada por el motor
viene determinada por el área que encierra la curva del diagrama Presión-Volumen como enuncia
el primer principio de la termodinámica:
𝑊 = − ∮ 𝑃 𝑑𝑉
Por tanto, el trabajo realizado en el ciclo teórico es mayor que en el ciclo real, al tener esta sus
curvas más suavizadas.
Ventajas y Desventajas
Anteriormente se ha descrito el ciclo real del motor Stirling. Aunque en él se representen algunas
desventajas con respecto al ciclo de real, hay que enfatizar que es algo que le ocurre a todos los
motores, ya que generalmente, el ciclo teórico dista mucho del ciclo real. Aun así, el principal
problema del motor Stirling cuando se usa en un disco parabólico no es otro que el de operación
y mantenimiento.
3.4.1 Desventajas
Es un motor de construcción difícil, pues es necesaria una gran precisión, además de que no es
una industria muy extendida, por lo que en muchos casos, resulta difícil encontrar proveedores.
Como el motor Stirling trabaja en caliente, necesita un tiempo hasta que alcanza sus temperaturas
óptimas de funcionamiento, lo que dificulta el control de la velocidad. Asimismo, la disipación
de calor es complicada, ya que se necesitan radiadores de gran área, incrementando el coste y
eliminando la posibilidad de realizar un diseño compacto.
El motor Stirling suele trabajar a grandes presiones para obtener un mejor rendimiento y mayor
potencia, por lo que suele tener problemas de operación y mantenimiento. Esto se ve reflejado en
la experiencia, ya que por ejemplo durante el estudio de los discos Vanguard (mostrados en el
capítulo 1.3.2), que estuvieron probándose durante 18 meses, hubo varias paradas técnicas
debidas a fallos en el motor. Por ejemplo, fallo de la válvula de retención, fallo en la bomba de
aceite, repetidos fallos en la circuitería además de vibraciones y ruido excesivo. Aunque en
muchos aspectos ha sido mejorado, a día de hoy sigue siendo una tecnología que requiere de buen
mantenimiento, ya que sigue siendo problemática.
Entonces, ¿por qué usar este motor? Aunque todo lo descrito anteriormente parezca desalentador,
veremos que el motor Stirling también brilla por tener una buena cantidad de ventajas, que lo
convierten sin duda en la mejor opción para el aprovechamiento de la energía solar a través de un
disco parabólico.
3.4.2 Ventajas
El uso del motor Stirling para la tecnología de disco parabólico está totalmente justificado debido
a sus grandes ventajas, que son mencionadas a continuación:
Elevado rendimiento, siendo el teórico el rendimiento de Carnot, o sea, el máximo
posible.
33
Al contrario que los motores de combustión interna, tiene muy pocos elementos móviles,
lo que reduce las pérdidas por fricción.
Bajo nivel de ruido y vibraciones.
Al ser un motor de combustión externa, la fuente de la que proceda el calor necesario
para su funcionamiento puede ser cualquiera, sin restricciones.
Son motores muy flexibles
Se puede usar hibridación, muy interesante en el caso solar, ya que el motor podría seguir
funcionando por la noche o durante un periodo de nubes, además de que permitiría gran
estabilidad en la operación.
Al ser un ciclo cerrado, se pueden conseguir niveles de emisiones muy bajos.
Suelen tener una larga vida útil.
Escalable, sirve tanto para potencias pequeñas como para potencias grandes.
Bajo riesgo de explosión, prácticamente nulo, al no contener un fluido inflamable en el
interior.
En comparación a la mayoría de motores, el motor Stirling presenta grandes ventajas, sobre todo
en lo que respecta al rendimiento. Es muy buen motor especialmente para usos estáticos, ya que
para usos móviles, como coches por ejemplo, el ciclo Otto o Diesel desarrollan mayor potencia,
pero con menor rendimiento.
Fabricantes
3.5.1 SOLO conjunto a Schlaich Bergermann und Partner (SBP)
En esta sección, se nombrarán diferentes fabricantes de motores Stirling, así como algunos de sus
modelos con sus características. Además, en algunos modelos, los fabricantes aportan el previo,
lo que nos puede dar una idea general del coste de este tipo de sistemas.
Empezaremos con uno de los más importantes y más conocidos, del motor Stirling SOLO Stirling
161 diseñado por la empresa SOLO en conjunto con Schlaich Bergermann und Partner (SBP) y
usado en el disco EURODISH (Figura 1-7, página 7). El motor y sus características son mostrados
en las siguientes figuras:
Figura 3-5 Motor SOLO Stirling 161 diseñado por la empresa SOLO en conjunto con Schlaich
Bergermann und Partner (SBP). Extraído de: Eurodish – Stirling System Description
Es importante resaltar que es un motor que ha sido probado durante varios años, por lo que en
muchas ocasiones se apuesta por él. En la siguiente imagen se muestran sus características
técnicas, además de mostrar las principales partes de un motor Stirling:
34
Figura 3-6 Características del motor SOLO Stirling 161. Extraído de: Solo Stirling 161.
Este motor puede venir acompañado de un quemador que permite su operación de forma
continuada gracias al sistema FLOX. Además, el nivel de emisiones es muy reducido, y todo ello
sin usar un catalizador. Como se observa, el número de horas de funcionamiento es de entre 5000
y 8000 horas, usando el Helio como fluido caloportador. El rango de potencias tanto eléctrico
como térmico permite al sistema adaptarse a diferentes situaciones, con una eficiencia más que
aceptable. Con el dato del peso nos podemos hacer una idea de lo resistente que tiene que ser la
estructura (y por tanto pesada también) para soportar el sistema completo y que además le permita
a este flexibilidad.
3.5.2 GenoaStirling S.R.L.
Ahora nos trasladaremos a la empresa Genoastirling S.R.L, empresa Italiana creada en
colaboración con la universidad de Génova. Esta empresa nos presenta dos motores de Stirling,
uno de tipo alfa (dos pistones y sin desplazador) y otro de tipo beta (pistón y desplazador en el
mismo cilindro). Cabe destacar que entre la información aportada, se encuentra el precio, aunque
35
en este precio no entran el resto de componentes necesarios para un correcto funcionamiento,
como pueden ser el sistema de control, sensores o sistemas de refrigeración si fueran necesarios.
A continuación se muestra el modelo GENOA01:
Figura 3-7 Especificaciones del motor GENOA01 de la empresa Genoastirling S.R.L. Extraído
de: Technical Scheme GENOA01
Este motor es más pequeño que el mostrado anteriormente con una potencia eléctrica de 1 KW,
aunque también es un sistema más pequeño y mucho menos pesado. En su página web
(http://www.genoastirling.com/eng/engine-available.php), podemos encontrar su precio, que es
de 16.000 €, por lo que podemos hacernos una idea del precio aproximado del sistema. Además
podemos encontrar precios de otros sistemas, como un sistema de refrigeración, que está tasado
36
en 1.350 €, una unidad de control, tasada en 1.300 € o un sensor de presión, que tiene un precio
aproximado de 350 €, entre otros elementos.
En este caso, el fluido de trabajo escogido es el aire (79% Nitrógeno, 21% Oxígeno) y una presión
que alcanza los 30 bares en un sistema de un solo cilindro. El sistema es refrigerado mediante
agua, lo que incrementa su coste en operación. Además, podemos observar que la mayor parte de
los elementos están constituidos por aluminio, probablemente debido a que es un metal resistente
y de poco peso.
Otro de los motores de la empresa es el GENOA03, cuyas características son mostradas en la
siguiente imagen:
Figura 3-8 Especificaciones del motor GENOA03 de la empresa Genoastirling S.R.L. Extraído
de: Technical Scheme GENOA01
Este diseño es muy similar al anterior con la importante diferencia de introducir un segundo
cilindro para generar más potencia, alcanzando esta los 3 KW. Los materiales usados son los
mismos, y el peso se ve incrementado en 30 Kg más, llegando a los 150 Kg. La introducción de
este segundo pistón incrementa el precio del motor, llegando a ser de 20.000 € en este caso.
37
3.5.3 Ripasso Energy
Ripasso Energy es una empresa Sueca que tiene instalados más de 3GW en Suecia. Tiene una
serie de acuerdos exclusivos con Saab Kockums
Esta compañía tiene otro diseño de motor Stirling, y se trata de un diseño híbrido que incluye un
quemador para las horas en las que no se puede aprovechar la energía solar. Las características,
así como una imagen de este, son mostradas a continuación:
Figura 3-9 Característica de motor Ripasso Stirling Hybrid, de la empresa Ripasso Energy.
Extraído de: Ripasso Energy
Se puede observar que la conversión de electricidad en el caso solar y en el caso de combustibles
fósiles es muy parecida, en torno al 35%. Gracias al quemador incorporado, se puede aprovechar
el sistema al máximo, y podemos observar que la degradación del motor no empieza a ser notable
hasta más de los 25 años de uso. En la imagen, se observa que el sistema está construido con el
sistema de seguimiento de TitanTracker (Figura 2-14) o un sistema del mismo tipo, lo que permite
dos discos en una sola estructura.
38
3.5.4 Infinia
La antigua compañía Infinia (ahora perteneciente a Qnergy) se encuentra desarrollando un disco
parabólico completo, incluyendo el motor Stirling. A continuación se muestran las características
completas del disco, incluyendo el concentrador, así como el funcionamiento del sistema
completo:
Figura 3-10 Especificaciones del disco parabólico Infinia, desarrollado por dicha empresa con la
colaboración de otras empresas. Extraído de: PowerDish by Infinia
39
Como se puede observar, la potencia de salida en corriente alterna es de aproximadamente 3.2
kW con una eficiencia del 24% en la conversión. El fluido de trabajo es el Helio, y el disco tiene
un diámetro de 4.7 metros, lo cual no lo hace especialmente grande. El peso total del sistema es
de unos 860 Kg, por lo que necesita de una buena estructura para sostenerse. Además, necesita
un sistema de refrigeración, aunque este ya viene integrado en el sistema. A continuación se
muestra la eficiencia global y por partes aproximada:
Figura 3-11 Resumen de características del disco parabólico Infinia, incluyendo todas las
empresas colaboradoras. Extraído de: Infinia Corporation. Concentrating Solar Power
Technology Workshops (2007)
El motor es de unos 3 kW, con una eficiencia del 34% y posee la ventaja de poder ser alimentado
por un quemador, además de su posible uso en otros mercados. El concentrador cuenta con una
eficiencia del 86% aproximadamente, por lo que la eficiencia total del sistema ronda el 24%.
3.5.5 Cleanergy
La compañía Cleanergy tiene un sistema completo de disco parabólico, el sistema llamado
Sunbox, diseñado para formar parte de grandes plantes solares. Es un sistema con un ciclo de vida
superior a 25 años y que alcanza rendimientos de entre el 25 y el 30%. Son discos de gran tamaño,
con un área de 55 m2, lo que implica un diámetro aproximado de 9 metros. Cada unidad tiene una
potencia de entre 13 kW, aunque se está realizando el diseño de una unidad de 11 kW. Tiene un
sistema de refrigeración por aire, aunque no indica si es un sistema pasivo o activo. El motor
Stirling es un motor tipo alfa que trabaja con hidrógeno como fluido caloportador. Los datos son
mostrados esquemáticamente en la siguiente imagen:
40
Figura 3-12 Especificaciones técnicas del Sunbox, disco parabólico de la compañía Cleanergy.
Extraído de: Sunbox For Solar Parks
3.5.6 Comparativa
Hasta ahora hemos visto algunos de los modelos más importantes del mercado, además de
comprobar qué empresas los fabrican y los distribuyen. Aunque la cantidad de dichas empresas
sea bastante limitada, se puede observar que hay donde escoger, ya que hay variedad de tamaños
y potencias, permitiéndonos así un poco de libertad de diseño. Además, estos sólo son algunos de
los modelos en el mercado, existen otros modelos, pero para encontrar sus características hay que
ponerse en contacto con la empresa distribuidora, que en algunos casos, puede realizar diseños a
medida.
A continuación se muestra una tabla que compara varios modelos vistos hasta ahora, además de
introducir alguno nuevo, que incluye sus especificaciones:
41
Figura 3-13 Comparativa entre diferentes motores Stirling. Extraído de: Sistema Disco
Parabólico. Capítulo 1
Como se puede comprobar, en cada disco el motor funciona de forma diferente, aunque se trate
del mismo, como se puede comprobar con el SOLO 161, que según el disco, varía su régimen de
giro e incluso el fluido de trabajo.
43
4 HIBRIDACIÓN Y ALMACENAMIENTO
lmacenar la energía de forma eficiente y en cantidades suficientemente significativas es uno
de los principales retos de nuestro siglo. Hasta ahora se han desarrollado muchos métodos,
pero en su mayoría costosos y poco eficientes, como son las baterías. Existen otros métodos
a mayor escala como es el almacenamiento térmico mediante sales fundidas o centrales de
bombeo, a las cuáles se les atribuye el nombre de “baterías de la red”. En cualquier caso, la
tecnología solar no está exenta de la búsqueda de almacenamiento, que será el objeto de estudio
en las próximas páginas.
Tecnologías existentes
Sin duda, el almacenamiento térmico es una de las fuertes bazas de la tecnología solar. Sin
embargo, hasta ahora sólo ha sido aplicado con relativa importancia en tecnologías diferentes al
disco parabólico, lo cual no quiere decir que este no tenga potencial suficiente para aplicarlas
también. Así mismo, en el caso del disco parabólico existe otra alternativa: la hibridación.
El almacenamiento térmico, debe darse en el receptor, funcionando de tal forma que una parte de
la energía térmica recibida se use para la producción energía mecánica (para convertirla en
electricidad finalmente) y otra parte esa energía se almacene para poder aportarla como
combustible más tarde al motor. La problemática surge al tener que extraer esa energía del
receptor y ver cómo almacenarla.
Por otro lado, la hibridación da gran versatilidad al sistema, aunque perdería en parte su carácter
renovable. La hibridación consiste en usar más de una fuente externa de energía, aunque no a la
vez. Por ejemplo, durante el día, se alimentaría al motor Stirling con energía solar y durante la
noche o períodos nubosos se podría quemar gas natural para producir la fuente de calor externa
necesaria para su correcto funcionamiento.
Debido a su gran importancia, a continuación se estudiarán los prototipos y pruebas realizados
hasta ahora.
A
Intenta no volverte un hombre de éxito, sino
volverte un hombre de valor.
- Albert Einstein -
44
4.1.1 Almacenamiento
4.1.1.1 Almacenamiento con cambio de fase
Según un estudio realizado por el Sandia National Laboratories (Dish Stirling advanced latent
storage feasibility), uno de las posibles formas de implementar el almacenamiento en el disco
parabólico es el uso de un fluido cambiando de fase. En este sistema, se aprovechará el calor
latente del fluido (cambio de fase) para almacenar energía.
El estudio se basa en la obtención de un disco parabólico con costes competitivos en el mercado
eléctrico. Para ello, se usará un sistema de almacenamiento, justificando su uso mediante la
reducción del LCOE (coste de la energía producida), intentando reducir por un lado los costes de
inversión (como la estructura, por ejemplo) y aumentando el rendimiento por otro (el uso de
almacenamiento permite usar durante más horas el motor Stirling, lo que se traduce como un
incremente en las ganancias).
Para reducir pérdidas y costes, el sistema de almacenamiento se intentará integrar lo máximo
posible en el disco, situándolo entre el motor y el receptor, a la espalda del disco, eliminando así
juntas flexibles o rotativas, creadas por el sistema de seguimiento solar. El esquema de
componentes por tanto será tal y como muestra la siguiente imagen:
Figura 4-1 Esquema de funcionamiento del almacenamiento con cambio de fase. Extraído de:
Dish Stirling advanced latent storage feasibility (2014).
La energía térmica es transportada a través de una tubería estrecha, de forma prácticamente
isoterma, tanto desde el receptor al sistema de almacenamiento como de este al motor (una tubería
diferente para cada caso). Este sistema crea un efecto diodo que reduce las pérdidas al alimentar
el motor con el sistema de almacenamiento.
Para el almacenamiento, de una capacidad de 6 horas aproximadamente (1 m3), se usará un
material metálico con cambio de fase, que ha sido estudiado también por el Sandia National
Laboratories (Metallic phase change material thermal storage for dish Stirling), que dieron como
resultado al CaSi (Calcio Sílico) como mejor candidato para ello, aunque posiblemente mejorable.
Tras estudiar el funcionamiento a través de un modelo, se llega a la conclusión de que es una
tecnología que requiere de mayor inversión, pero con un LCOE más bajo y que el material usado
para el almacenamiento es clave para reducir el LCOE.
45
4.1.1.2 Almacenamiento mediante sistemas termoquímicos
Un estudio realizado por la escuela de ingenieros de la universidad de Sun Yat-Sen
(Thermochemical storage performances of methane reforming with carbon dioxide in tubular and
semi-cavity reactors heated by a solar dish system) en el que se pretende usar el disco parabólico
para reformar metano a partir de CO2 (Dióxido de carbono) y crear gas de síntesis, que puede ser
almacenado para su uso posterior. Aunque este estudio se aleja en parte de lo visto hasta ahora,
es una aplicación del disco parabólico que ofrece almacenamiento.
El sistema se basa en el uso de CH4 (Metano) y CO2 para la creación de gas de síntesis, quedando
un sistema como el que aparece en la figura:
Figura 4-2 Esquema del disco parabólico con almacenamiento termoquímico mediante reformado
de metano y dióxido de carbono. Extraído de: Thermochemical storage performance of methane
reforming with carbon dioxide tubular reactor in a solar dish system (2015).
Este diseño se basa en la reacción química del reformado de metano, que es producida gracias al
reactor. Esta reacción, como se muestra a continuación, es endotérmica, por lo que necesita de
energía externa:
𝐶𝐻4 + 𝐶𝑂2 ↔ 2𝐶𝑂 + 2𝐻2 ∆𝐻298𝐾 = 247 𝑘𝐽 ∙ 𝑚𝑜𝑙−1
Aunque esta reacción es la principal y cumple que la relación 𝐶𝑂
𝐻= 1, existe otra reacción que
también se produce, ya que la primera se debe producir muy rápido para conseguirse. La otra
reacción es:
𝐶𝑂2 + 𝐻2 ↔ 𝐶𝑂 + 𝐻2𝑂 ∆𝐻298𝐾 = 41 𝑘𝐽 ∙ 𝑚𝑜𝑙−1
Como se observa en esta reacción, en lugar de producirse hidrógeno, se produce vapor de agua,
lo cual nos causa un descenso de la eficiencia, ya que no es un elemento deseado.
Aunque el sistema puede parecer interesante a priori, hay que destacar que su principal problema
es la falta de un catalizador eficiente y que mantenga la reacción durante tiempo suficiente. Los
catalizadores usados actualmente han mejorado, pero se están realizan varios estudios en busca
de un catalizador que proporcione una mayor eficiencia, durabilidad y estabilidad a la reacción.
46
4.1.1.3 Materiales de almacenamiento
Como se ha visto hasta ahora, el almacenamiento es totalmente posible en la tecnología de disco
parabólico y aportaría una serie de ventajas a este. En este sentido, uno de los elementos más
importantes es el material que se utilice en el almacenamiento.
Aunque anteriormente se han nombrado algunos materiales de almacenamiento, en este trabajo
se considerarán otros posibles materiales compatibles, aunque no han sido probados, por lo que
no se les puede dar como válidos. Los materiales que se describen a continuación son materiales
que a priori cumplen las características necesarias para usarse como materiales de
almacenamiento. Empezaremos con una serie de posibles sales inorgánicas con potencial para
convertirse en materiales de almacenamiento o PCM (Phase change material):
Material Temperatura de
fusión (°C)
Calor de fusión
(kJ/Kg)
Densidad (g/cm3)
Sólido Líquido
LiOH 462 873 1,46 n.a.
PbCl2 501 78,7 5,6 n.a.
SrI2 527 57 4,55 4,085
LiBr 550 203 3,46 2,528
Ca(NO3)2 560 145 2,113 n.a.
Ba(NO3)2 594 209 3,23 n.a.
Sr(NO3)2 608 221 2,11 n.a.
LiCl 610 441 2,07 1,502
CsI 629 96 4,51 3,197
MgI2 633 93 4,43 3,05
CsBr 638 105 4,44 3,133
CsCl 645 121 3,7808 2,79
RbI 646 104 3,55 2,904
SrBr2 650 41 4,175 3,7
NaI 661 158 3,67 n.a.
FeCl2 677 337,9 3,16 n.a.
KI 681 145 3,12 n.a.
Na2MoO4 688 109 3,78 n.a.
LiH 688 2678 0,82 0,58
RbBr 692 141 3,35 2,715
CsF 693 143 4,115 3,649
Na2WO4 696 107 3,12 n.a.
Li2MoO4 703 281 3,78 n.a.
MgBr2 711 214 3,72 2,62
MgCl2 714 454 2,32 1,68
RbCl 719 198 2,8 2,248
Ba2 726 68 5,15 4,26
Li2CO3 732 509 2,11 n.a.
KBr 734 215 2,75 2,127
47
CaBr2 736 145 3,35 n.a.
Li2WO4 740 157 4,179 n.a.
NaBr 749 255 3,2 2,342
KCl 771 353 1,98 1,527
CaCl2 772 253 2,15 2,085
RbF 774 248 3,557 2,87
CaI2 783 142 3,956 3,443
Na2CrO4 794 146 2,73 n.a.
NaCl 802 482 2,16 1,556
PbF2 824 60 8,445 n.a.
LiF 845 1044 2,64 1,81
LiBO2 845 504,7 2,223 n.a.
Na2CO3 854 275,7 2,533 1,972
BaBr2 857 108 4,78 3,991
KF 858 498 2,37 1,91
Li2SO4 858 84 2,22 2,003
ZnF2 872 400 4,95 n.a.
SrCl2 875 103 3 2,727
Na2SO4 884 165 2,68 n.a.
K2CO3 897 253,8 2,29 n.a.
En la tabla, los materiales que más destacan son el LiH y el LiF, gracias a su elevado calor latente.
Además, en uno de ellos la temperatura de fusión es de 688 ºC y en el otro es de 845 ºC, lo que
nos permite una gran variedad de rangos a la hora de escoger potencia para el disco y añadirle
almacenamiento.
A continuación, nos centraremos en compuestos de sales inorgánicas como materiales con
potencial para convertirse en PCM:
Componentes Composición Temperatura
de fusión (°C)
Calor de
fusión (kJ/Kg)
KF/LiF/NaF 59/29/12 a 463 442
LiF/LiCl 73,6/26,4 485 403
KF/LiCl 50/50 487 344
K2CO3/Li2CO3 53/47 a 488 342
K2CO3/Li2CO3 53,4/46,6 a 488 391
KF/LiF/NaF 67/33 a 493 458
LiVO3/Li2MoO4/LiF 53/29/18 493 297
Na2CO3/Li2CO3 59/44 a 496 370
K2CO3/Li2CO3 72/28 a 498 263
K2CO3/Li2CO3 71,5/28,5 a 498 316
48
Na2CO3/Li2CO3 55,7/44,3 498 393
K2CO3/Li2CO3 65/35 a 505 344
Na2MoO4/NaBr/NaF 55/43/2 a 506 241
ZrF4/NaF 79,9/2,1 a 510 255
K2CO3/KCl/NaF 62/21/17 a 520 274
KF/KCl/K2CO3 23/40/37 a 528 283
K2CO3/KCl/KF 37/40/23 a 528 283
LiF/NaF/CaF2/BaMoO4/BaF2 36,1/34/18,5/8,1/3,3 536 653
Li2SO4/Li2MoO4/CaMoO4 59,8/36,7/3,5 a 538 406
Na2CO3/Li2CO3/K2CO3 60/20/20 a 550 283
K2CO3/Li2CO3/Na2CO3 62/22/16 a 550 288
KBr/KF 60/40 a 576 315
KF/KCl 55/45 605 407
NaF/LiF/CaF2 38,3/35,2/26,5 615 363
LiF/NaF/CaF2 52/35/13 615 640
KBr/K2MoO4 65/35 a 625 90,5
Li/NaF/MgF2 46/44/10 632 858
NaBr/NaF 73/27 642 360
LiF/NaF 60/40 652 816
NaCl/NaF 66,5/33,5 675 572
Li2SO4/CaSO4/CaMoO4 82/11,44/6,56 a 980 207
LiF/NaF/MgF2 62/19/19 693 690
Na2CO3/K2CO3 52,2/47,8 a 710 176
K2CO3/Na2CO3 50/50 a 710 163
K2CO3/Na2CO3 51/49 a 710 163
LiF/MgF2 70/3 728 520
NaF/CaF2/MgF2 65/23/12 743 568
LiF/MgF2 67/33 746 947
LiF/KF/MgF2 74/13/13 749 860
LiF/CeF3 80/20 756 500
LiF/CaF2 81,5/19,5 769 820
KF/CaF2 85/15 780 440
KF/MgF2 85/15 790 520
NaF/MgF2/KF 64/20/16 804 650
NaF/MgF2/KF 62,5/22,5/15 809 543
NaF/CaF2 68/32 810 600
NaF/MgF2 75/25 832 627
49
Las sales no son el único material con potencial para convertirse en PCM, también existen otros
materiales como son las composiciones eutécticas inorgánicas o materiales metálicos. A
continuación, se muestra una relación con las posibles composiciones eutécticas inorgánicas que
a priori podrían convertirse en materiales de almacenamiento:
Componentes Composición Temperatura de
fusión (°C)
Calor de
fusión (kJ/Kg)
CaCl2/NaCl/KCl/NaF 47,6/41,3/8,1/2,9 460 231
NaCl/CaCl2/KCl 47,4/41,6/8,8/2,2 460 245
CaCl2/NaCl/KCl 50/42,75/7,25 465 245
MgCl2/KCl 64/36 a 470 388
KCl/NaCl/MgCl2/BaCl2 52,3/20,7/18,2/8,7 475 248
KCl/NaCl/CaCl2/BaCl2 47,3/22,7/16,9/13,1 478 208
KCl/NaCl/CaCl2/BaCl2 42,7/25,8/22,2/9,3 479 217
LiCl/LiF/MgF2 69,5/26,5/4 484 157
MgCl2/CaCl2/KCl 48/27/25 a 487 342
CaCl2/NaF/CaF2 50/48,5/1,5 490 264
CaCl2/NaCl 52,3-55/45-47,2 490-500 233-239
CaCl2/NaCl 52,8/47,2 500 239
CaCl2/NaCl 67/33 a 500 281
CaCl2/NaCl/KCl 66/29/5 a 504 279
SrCl2/NaCl/KCl 68/19/13 a 504 223
K2CO3/KCl/NaF 62/21/17 a 520 274
Na2MoO4/NaBr/NaCl 55/40/5 524 215
KCl/K2CO3/KF 40/37/23 a 528 283
SrCl2/MgCl2 63/37 a 353 293
BaCl2/KCl/NaCl 53/28/19 a 535 239
BaCl2/CaCl2/KCl 47/29/24 a 551 219
NaCl/NiCl2 52/48 573 558
LiCl/MgF2 94,5/5,5 573 131
KF/KCl 55/45 605 407
NaCl/Na2MoO4/NaBr 38,5/38,5/23 612 168
CaCl/CaSO4/CaMoO4 38,5/11/4 673 224
LiF/MgF2/KF 64/30/6 710 782
LiF/CaF2 80,5/19,5 767 790
De estos posibles materiales, cabe destacar el LiF/MgF2/KF y el LiF/CaF2, pues tienen el mayor
calor de fusión, aunque la temperatura de fusión también es alta.
50
Como se comentó anteriormente, algunos metales también tienen un punto de fusión ideal para
usarlos en almacenamiento térmico. A continuación, se detallará una lista con una serie de
aleaciones metálicas con potencial para convertirse en materiales de almacenamiento:
Componentes Composición Temperatura de fusión
(°C)
Calor de fusión (kJ/Kg)
Mg/Cu/Ca 52/25/23 453 184
Al/Mg 63,35/34,65 497 285
Al/Cu/Mg 60,8/33,2/6 506 365
Al/Cu/Si/Mg 64,6/28,5/5,2/2,2 507 374
Al/Cu/Mg/Zn 54/22/18/6 520 305
Al/Cu/Si/Mg 68,5/26,5/5 525 364
Al/Cu/Sb 64,3/34/1,7 545 331
Al/Cu 66,82/33,08 548 372
Al/Si/Mg 83,14/11,7/5,16 555 485
Al/Si 87,76/12,24 557 498
Cu/Al/Si 49,1/46,3/4,6 571 406
Al/Cu/Si 65/30/5 571 422
Al/Si/Sb 86,4/9,6/4,2 575 471
Si/Al 86/12 576 460
Si/Al 80/20 585 460
Zn/Cu/Mg 49/45/6 703 176
Cu/P 91/9 715 134
Cu/Zn/P 69/17/14 720 368
Cu/Zn/Si 74/19/7 765 125
Cu/Si/Mg 56/27/17 770 420
Mg/Ca 84/16 790 272
Mg/Si/Zn 47/38/15 800 314
Cu/Si 80/20 803 197
Cu/P/Si 83/10/7 840 92
Si/Mg/Ca 49/30/21 865 305
De las aleaciones metálicas cabe destacar el Al/Si y el Al/Si/Mg, que son los elementos con mayor
calor de fusión, además de estar a una temperatura intermedia, lo que permitiría su uso en una
gran variedad de aplicaciones.
Por último, y continuando con los materiales metálicos se incluirá una relación con posibles
aleaciones eutécticas metálicas, aunque en el rango de temperaturas que se busca, no existe una
gran variedad de estas. Así pues, la tabla siguiente muestra varias aleaciones eutécticas metálicas
así como sus propiedades:
51
Componentes Composición Temperatura
de fusión (°C)
Calor de fusión (kJ/Kg)
Al/Si/Sb 86,4/9,4/4,2 471 471
Al/Mg 65,35/34,65 497 285
Al/Cu/Mg 60,8/33,2/6 506 365
Al/Mg/Si/Cu 64,1/28/5,2/2,
2
507 374
Al/Cu/Si 68,5/26,5/5,0 525 364
Al/Cu/Sb 64,3/34/1,7 545 331
Al/Cu 66,92/33,08 548 372
Al/si/Mg 83,14/11,7/5,1
6
555 485
Al/Si 87,76/12,24 557 498
Cu/Al/Si 49,1/46,3/4,6 571 406
El rango de temperaturas de estos materiales no es muy grande, por lo que no nos da versatilidad.
Sin embargo, con todos los materiales expuestos anteriormente, varios de ellos podrían encajar
perfectamente en la mayoría de diseños, aunque como se expuso anteriormente, no son materiales
probados, sólo materiales con el potencial para convertirse en PCM.
Cabe destacar que algunas sales inorgánicas tienen un alto calor de fusión, lo que permitiría mayor
almacenamiento con menor cantidad de material, lo que podría permitir un ahorro tanto en la
compra del material de almacenamiento, como en el bombeo del mismo y del espacio necesario
para almacenarlo.
Hibridación
Como se describió en el capítulo 3, una de las ventajas del motor Stirling es que no importa de
dónde provenga la fuente de calor necesaria para su funcionamiento. Por ello, en nuestro sistema
de disco parabólico podemos implantar tecnología híbrida.
La hibridación consiste la posibilidad de alimentar al motor con otra fuente de calor alternativa a
la solar. Generalmente, esta fuente de calor alternativa suele ser calor producido por la quema de
algún combustible fósil, como pueda ser gas natural, diésel o gasolina.
Para este propósito, es necesario aumentar el número de componentes del disco, aumentado
también su peso y coste, pero dándole un mayor número de horas de funcionamiento al motor
Stirling. Será necesario incluir un depósito para el almacenamiento del combustible y un
quemador para producir la combustión necesaria. A todo esto hay que tenerle en cuenta la
temperatura máxima soportada por los componentes.
La posibilidad de hibridación ha sido probada en algunos proyectos, como el de Laing y Reusch
en 1998, pero a pesar de ello, la hibridación aún sigue en una fase de experimentación. A día de
hoy, los costes siguen sin compensar la introducción de la hibridación en disco parabólico, por lo
que hasta que la eficiencia aumente en el sistema y los costes se vean reducidos, es probable que
esta tecnología no se vea desarrollada.
52
La hibridación aporta una nueva serie de ventajas a los sistemas, detalladas a continuación:
Estabilidad en la producción→ Permite estabilizar los transitorios
Mejora de la gestión
Elevada flexibilidad en el sistema→ Lo que permite adaptar la producción a la demanda
El tiempo de amortización de equipos se ve claramente disminuido
Otro caso interesante es el de hibridación en conjunto con otra energía renovable, lo que nos
permite un sistema con las ventajas anteriormente descrito sin perder su carácter renovable. En el
caso del disco parabólico, esta meta podría alcanzarse gracias al uso de biomasa, ya que se podría
usar un quemador específico para esta e inyectar calor en el motor Stirling para su posterior
transformación en energía eléctrica.
Existen diversos proyectos que estudian y practican esta posibilidad, tanto en España como en el
mundo. Algunos de ellos son listados más abajo:
Proyecto desarrollado por Abantia, Comsa Emte y CTAER
Este proyecto está siendo desarrollado en Les Borges Blanques, en Lleida y cuenta con
una planta de 22.5 kW. En el desarrollo inicial se establecerán las características básicas
y de ingeniería para realizar una central termoeléctrica híbrida que incluya energía solar
y biomasa y que, en una segunda etapa solo haya que construirla para ver medir su
funcionamiento y evaluarla. De esta forma, las empresas podrían hacer de ella un
producto comercial.
Proyecto desarrollado por Solarlite y Sialsol
Estas dos empresas, que trabajan en colaboración, están desarrollando una central
termosolar que cuenta con dos características que la diferencian del resto de instalaciones
comerciales actuales. Por una parte, la central de generación será una central con
generación directa de vapor, que por otro lado se complemente con una planta de
biomasa. Para realizar el proyecto, se está aprovechando una central abandonada de
biomasa localizada en la provincia de Badajoz. La novedad en esta tecnología está en la
caldera para la combustión de biomasa, permitiendo además operar en paralelo (la planta
solar crea vapor y la caldera a través de la quema de biomasa también) o en serie, donde
el vapor que sale de la planta solar sería introducido en la caldera, aumentando la presión
y temperatura de este para así aumentar el rendimiento de la planta.
Aunque estas tecnologías no estén especialmente desarrolladas para disco parabólico, se podrían
aprovechar algunos de los avances en estos campos para introducirlos en un sistema de disco
parabólico.
54
5 CONCLUSIONES
lo largo de este documento, se ha analizado la tecnología de disco parabólico,
mayoritariamente desde el punto de vista técnico, pero también desde el punto de vista
económico en algunos puntos. Llegado este punto, se realizará un análisis de toda esta
información, puesta por supuesto en el contexto actual que sufre la energía.
En primer lugar, es importante mencionar que aunque es la tecnología solar más antigua, no es la
más desarrollada. Aunque técnicamente no hay grandes inconvenientes para llevar a la práctica
su uso, los costes no suelen justificar su uso. Esto es producido en gran medida por la dificultad
de fabricar los espejos así como de encontrar fabricantes de motores Stirling.
A todo esto, hay que sumarle la competencia con otras tecnologías solares más desarrolladas,
como es la tecnología de cilindro parabólico (que ha sido desarrollada en gran medida gracias a
subvenciones públicas).
Esto no quiere decir que el disco parabólico no tenga gran potencial. Probablemente, en un futuro
no muy lejano, donde los combustibles fósiles serán cada vez más escasos y la tecnología solar
esté mucho más a la orden del día, el disco parabólico jugará un papel muy importante.
El elemento más importante de esta tecnología, el motor Stirling, presenta una gran serie de
ventajas respecto a otros motores, además de presentar un alto rendimiento. Durante el Capítulo
3, se vio su funcionamiento, tanto teórico como real, adjuntándose una serie de fabricantes, todos
ellos especializados en crear motores Stirling para discos parabólicos. Además, se pudo
comprobar el precio de algunos de ellos, aunque estos eran de potencias menores y cómo de
avanzados están estos motores.
La hibridación y el almacenamiento podrían ser la clave que cambie la clara desventaja que hay
actualmente entre el disco parabólico y otras tecnologías solares. La hibridación está siendo
desarrollada por varias empresas y tiene especial interés cuando se realiza en conjunto a otra
energía renovable, en su caso, la biomasa. Además, el almacenamiento permitiría un claro ahorro
de energía y un mayor aprovechamiento del sistema.
A
No importa tu pasado si estás dispuesto a
construir futuro.
- Brian Tracy -
55
Aunque almacenar energía térmica no es un proceso sencillo, en el capítulo 4 se estudiaron gran
cantidad de materiales con potencial para convertirse en PCM, lo que nos permitiría gran
versatilidad en el sistema, pues su rango de potencias podría aumentar en gran medida. Entre estos
materiales, cabe destacar especialmente las sales inorgánicas, pues algunas de ellas tienen un gran
calor de fusión, lo que permitiría una mayor cantidad de almacenamiento en poco espacio.
Aunque este documento está enfocado principalmente a la conversión de energía solar a energía
eléctrica mediante el disco parabólico, se ha visto en algunos puntos que no sólo puede ser su
función. También sirve para crear gas de síntesis (Capítulo 4.1.1.2), por ejemplo, por lo que no
es una tecnología limitada.
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