3. LA ENERGÍA TERMOSOLAR
3.4. TIPOS DE TECNOLOGÍAS TERMOSOLARES DE CONCENTRACIÓN
3.4.1. Colectores cilindro-parabólicos (CCP)
Los colectores de este tipo de tecnología se componen de una superficie cilindro-parabólica que refleja la radiación solar directa concentrándola sobre un tubo absorbente colocado en la línea focal de la parábola. A través de dicho tubo circula aceite sintético como fluido calorífero. Al calentarse este aceite se transforma la energía solar de la radiación en energía térmica (en forma de calor latente o sensible). Por último, el aceite caliente se dirige a unos intercambiadores de calor para producir vapor sobrecalentado. La energía de dicho vapor se convierte en electricidad mediante el accionamiento de una turbina de vapor acoplada a un generador. Como ya se ha dicho, los CCP sólo captan la radiación directa, por lo que están dotados de un sistema de seguimiento solar en un eje paralelo a la línea focal.
Figura 12. Colector cilindroparabólico. Fuente: (IDAE, 2011)
De las cuatro tecnologías termosolares actuales, las plantas con CCP son las que cuentan con mayor experiencia comercial. Además, son las más implementadas y desarrolladas. Esto se debe en gran parte, a las nueve plantas SEGS (Solar Electricity Generating Systems) que operan actualmente en California y que fueron construidas en la década de los 80. Dichas plantas sirvieron de impulso y hoy en día la tecnología CCP es la más madura y sigue liderando la generación de electricidad a nivel mundial. Sin embargo, ha empezado a compartir el protagonismo con la tecnología de receptor central, que se ha planteado como una alternativa fiable a los problemas que ha tenido la tecnología CCP. Entre estos problemas, destaca la limitación de temperatura que impone el aceite sintético empleado como fluido calorífero. Esto perjudica al rendimiento al limitar la temperatura de operación. Sin embargo, ya se están desarrollando nuevos fluidos y parece que el problema está cerca de remediarse.
3.4.2. Sistemas de receptor central (RC)
Estos sistemas se componen de un campo de espejos denominados heliostatos, que poseen seguimiento solar en dos ejes. Dichos heliostatos concentran la radiación solar en un receptor situado en una torre a cierta altura. Existen diferentes tipos de receptores, destacando los exteriores, los de cavidad y los volumétricos. Los dos primeros emplean agua o sales fundidas como fluido calorífero y el último utiliza aire.
Las centrales con tecnología RC surgieron en los años 80 y su implantación tuvo un carácter experimental. A partir de ese momento y a raíz de las plantas que empezaron a operar a principios del siglo XXI surgieron tres líneas de desarrollo según el fluido caloportador, que son las vigentes en la actualidad:
Vapor saturado:
Las plantas con agua como fluido caloportador fueron las más implementadas en las últimas décadas. Sin embargo, cada vez tienen más importancia los proyectos con sales fundidas como fluido calorífero.
Hoy en día, siguen siendo una de las principales opciones y esto se debe en parte a la SOLAR ONE, que demostró durante los años 80 la viabilidad de las instalaciones de torre.
Las PS10 y PS20 siguen un esquema en el que el vapor de agua saturado sale del receptor y se introduce directamente en la turbina, o bien en un sistema de almacenamiento.
3. LA ENERGÍA TERMOSOLAR
La elección de ese esquema se debe a la experiencia previa, en la que las instalaciones sobrecalentaban el vapor directamente en el receptor. Esto provocaba problemas de estabilidad y control y dificultades para soportar los transitorios del recurso solar.
Actualmente, se encuentra en desarrollo un nuevo sistema de almacenamiento en doble tanque con sales fundidas.
Sales como fluido caloportador y medio de almacenamiento:
Este concepto fue utilizado con éxito en algunas plantas y uno de sus mayores exponentes es la SOLAR TWO, actualmente en funcionamiento. Los tanques de sales fundidas sirven de acumuladores de calor separando la generación térmica en el receptor de la de vapor.
Figura 13. Esquema de una central de receptor central con sales fundidas como fluido caloportador. Fuente: Google images
Aire con receptor volumétrico abierto o cerrado y un medio sólido como medio de almacenamiento:
Las instalaciones con receptor de aire no han logrado acercarse a la escala comercial por el momento. Sin embargo, son las que muestran un mayor potencial debido a las altas temperaturas alcanzadas. La viabilidad del aire como fluido caloportador en este tipo de tecnología ha sido demostrada por el desarrollo de los receptores volumétricos. En ciertos prototipos ya se han superado los 1000 °C.
Actualmente, existen dos caminos de investigación principalmente: • Receptor volumétrico con aire atmosférico:
El aire a presión atmosférica se calienta en un receptor volumétrico hasta el orden de los 700 °C. Los sistemas de almacenamiento consisten en un tanque termoclino en el que se emplearía un medio sólido, como pueden ser rocas, para llevar a cabo el almacenamiento.
• Receptor volumétrico cerrado con aire presurizado:
El aire se comprime hasta 15 bar. Las temperaturas que se alcanzan con este tipo de receptores son del orden de los 1100 °C, lo que favorece su aplicación en ciclos combinados y ciclos Brayton.
3.4.3. Sistemas de disco parabólico
Hasta ahora, este tipo de tecnología emplea motores Stirling, lo que permite reducir los costes de inversión y el precio de la electricidad producida, ya que dicha máquina térmica es la que presenta mayor rendimiento.
Figura 14. Sistema de disco parabólico. Fuente: (IDAE, 2011)
La tecnología de discos parabólicos comenzó a desarrollarse a principios de los años 70 en Estados Unidos tras la crisis del petróleo. A partir de ese momento y en los 10 años siguientes se produjo un fuerte avance, y en 1984 se alcanzó el mayor rendimiento en un proceso de conversión solar eléctrico, un 29,4 %.
Estos sistemas cuentan con la ventaja, frente a los demás tipos de tecnologías termosolares de concentración, de que pueden ser competitivos desde unidades del orden de 10 KWe, al no llevar asociado un ciclo térmico basado en una turbomáquina. Es más, el rango de potencias de los diseños llevados a cabo hasta ahora comprende desde los 3 hasta los 50 kWe.
En la actualidad, existen varios proyectos ambiciosos para el desarrollo de instalaciones basadas en este tipo de sistemas en Estados Unidos, como los Calico-Solar One, Imperial
Valley Solar-Two y Maricopa, con una potencia total instalada de 1500 MWe, generados por
más de 60000 discos parabólicos con motor Stirling
3.4.4. Receptores tipo Fresnel
Hoy en día, esta tecnología está cobrando importancia en aplicaciones solares termoeléctricas. Se caracteriza por una menor capacidad de concentración que los cilindro-
3. LA ENERGÍA TERMOSOLAR
parabólicos y menores temperaturas en el receptor, pero supone un menor coste y una mayor facilidad de operación, lo que le otorga una viabilidad alta.
Entre sus aplicaciones, la más evidente se sitúa en sistemas de baja-media temperatura, y si se utiliza para generación directa de vapor cuenta con una serie de características interesantes, como la nula utilización de componentes móviles.
Estos sistemas están constituidos por espejos planos alineados con el eje del tubo receptor, cada uno de los cuales refleja la radiación solar directa sobre él. Por encima de éste, se encuentra una estructura parabólica encargada de recoger parte del reflejo para incrementar la eficiencia, ya que los espejos Fresnel, al ser planos, tienen menor capacidad de concentración que otros sistemas en dos dimensiones, como los cilindro-parabólicos.
Figura 15. Receptor tipo Fresnel. Fuente: (IDAE, 2011)
Actualmente, existen varios proyectos importantes de esta tecnología, entre los que destacan
Puerto Errado en Murcia, de 1,4 MWe y Lidell en Australia, que cuenta con 35 MW térmicos
en hibridación con un ciclo combinado y de la que se ha derivado una central en Portugal de 6,5 MW. En Estados Unidos se ha desarrollado el proyecto Kimberlina en California con una capacidad de 5 MWe. (Abánades, Bernardos, López, González, & Muñoz, 2010)