ÍNDEX
Introducció ... 1
Objectiu a aconseguir ... 2
Material necessari per realitzar el projecte ...2
Justificació de l’elecció de la proposta ...3
Integració del projecte en el currículum escolar ...3
Desenvolupament del projecte ...4
1. Tecnologies termosolars de generació d’electricitat ... 4
1.1. Cilíndrica parabòlica ... 6
1.2. Fresnel... 7
1.3. Torre solar ...8
1.4. Disc parabòlic ...9
Anàlisi dels diferents sistemes...10
2. Hibridació ...11
3. Emmagatzematge per a sals foses ...11
4. Energia solar a Espanya ...13
5. Despeses de construcció i manteniment ...14
6. Energia solar a Valls... 15
Descripció del grup de treball ...16
Conclusió ...17
INTRODUCCIÓ
La història ens explica que Arquímedes va ser el primer a utilitzar el poder del Sol per vèncer els seus enemics. Diu la llegenda, que l’any 213 a.C., Arquímedes va fer servir miralls per incendiar els vaixells romans que assetjaven la seva ciutat, Siracusa... i sembla que se’n va sortir força bé.
De totes les formes d’energia, la solar és la més abundant: 120 trillons de megawatts de llum solar arriben constantment a la Terra. Durant un any, el Sol envia a la Terra més energia que la hi ha en les reserves de petroli, gas natural, carbó i urani juntes, i 10.000vegades de la que es consumeix...
A més es tracta d’una energia il·limitada, econòmica i ecològica. Llavors, com és que no la utilitzem més?
El Sol ens proporciona molta més energia de la que necessitem, però cal captar-la de manera eficient. Durant molts anys aquest ha estat un dels reptes tecnològics més interessants però també més complexes. Avui en dia ja disposem de diferents sistemes per captar l’energia solar que, ni que en alguns casos ho sembli, no es tracta de ciència ficció.
MATERIAL NECESSARI PER RELITZAR EL PROJECTE
Per desenvolupar el nostre projecte hem utilitzat principalment material reciclat que hem obtingut de la deixalleria: trossos de parquet (deixalleria) i xapes metàl·liques obtingudes de reciclatge (MAUGO), gràcies a l’Albert Gormaz, al qual volem agrair la seva col·laboració.
També volem donar gràcies a d’altres empreses i persones que han col·laborat de forma
desinteressada, tant oferint-nos material, com facilitant-nos informació de difícil accés. La resta d’eines i de material és de l’aula de Tecnologia.
El nostre objectiu és explicar, amb l’ajut de diferents enginys que hem construït, que avui en dia ja existeixen sistemes eficients per captar l’energia calorífica del Sol i transformar-la en electricitat, i que es tracta de l’energia renovable amb més projecció de futur gràcies a les seves prestacions.
El director tècnic Àngel Clares de l’empresa Agni Iberpower va venir a l’escola i ens va fer una
presentació sobre l’energia termosolar i va respondre molt amablement a les nostres preguntes. Volem donar les gràcies al rector de la URV Francesc Xavier Grau i a Joan Carles Virgili Director general de Agni Power, per fer-ho possible.
Objectiu a aconseguir
Valeriano Ruíz (president de l’Asociación Española de la Indústria Solar Termoeléctrica) i Guillermo Cocaña de l'empresa Cobra ens van fer arribar una mostra de les sals que s'utilitzen per fusió com a emmagatzematge de calor.
JUSTIFICACIÓ DE L’ELECCIÓ DEL PROJECTE
Quan vam començar el projecte, en buscar informació de les diferents energies renovables, ens van cridar molt l’atenció les dades de l’energia solar; ens semblava molt estrany que no poguéssim aprofitar de manera eficient tota aquesta energia. Així que vam començar a investigar i la nostra sorpresa va ser molt gran en assabentar-nos que existeixen tecnologies com ara la Torre solar que ja aprofiten l’energia solar per obtenir energia elèctrica de manera eficient... Així que vam decidir que el nostre projecte havia de servir per conèixer nosaltres aquest tipus de tecnologies i també per donar-les a conèixer a la resta de la gent, ja que suposem que igual que nosaltres abans, molta gent no n’ha sentit parlar abans i estem convençuts que l’energia solar serà l’energia del futur.
INTEGRACIÓ DEL PROJECTE EN EL CURRÍCULUM ESCOLAR
A l’hora de dissenyar el nostre projecte hem tingut en compte que havia d’anar adreçat a alumnes del cicle anterior al nostre, és a dir, alumnes de 1r o 2n d’ESO. Per això, ens hem preocupat de revisar els continguts de les diferents assignatures. Hem vist que a Tecnologia estudiaven que era l’energia, la classificació en renovables i no, com es produïa l’energia elèctrica mitjançat una turbina, els problemes de contaminació que generen els combustibles fòssils... Aquests conceptes els tornem a explicar de manera més pràctica. Per exemple, podem veure com amb una turbina connectada a un generador, aconseguim encendre un LED amb l’ajut de la vapporeto.
A Matemàtiques s’introdueixen les funcions de segon grau i aprenen a representar paràboles. Veuran la utilitat de calcular paràboles i saber-les dibuixar, ja que és la manera que localitzem el focus en casos com el del mirall parabòlic o el disc Sirling.
A Naturals es parla dels diferents éssers vius i de la importància que té per a ells el seu hàbitat i la seva conservació. També parlem del procés de fotosíntesis per explicar que és possible utilitzar eficientment la llum del Sol.
Finalment, també ho lliguem amb el currículum de Socials, en parlar de l’antiguitat amb Arquímedes.
DESENVOLUPAMENT DEL PROJECTE
Una vegada vam tenir clar quin seria el tema del nostre projecte vam cercar informació a través de diferents mitjans (internet, vídeos, revistes, articles de diari, xerrades amb experts...) i la vam sintetitzar en forma de power points.
(ANNEX IV/POWER_POINTS).
Després vam començar a dissenyar les maquetes, en el disseny vam tenir en compte diferents qüestions: que fossin didàctiques, fàcils de muntar, que es poguéssim traslladar fàcilment (desmuntables) i que el material fos, sobretot, reciclat.
(ANNEX IV/DISSENYS)
1. TECNOLOGIES TERMOSOLARS DE GENERACIÓ D'ELECTRICITAT
L'energia termosolar elèctrica basa el seu funcionament en la concentració dels rajos solars per elevar la temperatura, i aconseguir d'aquesta manera vapor que accioni una turbina que produeixi electricitat.
Amb aquesta finalitat, en una planta termosolar podem distingir dues parts molt diferenciades:
• El conjunt de sistemes que s’utilitzen per captar la radiació solar i convertir-la en energia tèrmica:
o Camp solar o col·lectors solars. Es tracta de superfícies reflectants que concentren entre 600 i 1.500 vegades la radiació del Sol en un punt. Ocupa la major part de la superfície del camp solar. (És el que dóna nom a la tecnologia emprada).
o Sistema de fluid tèrmic o tub receptor pel qual circula un fluid, normalment aigua o oli sintètic que assoleix temperatures molt elevades (entre 400 i 1.000 ºC). És un sistema complicat ja que està format per
diversos subsistemes com ara el bombeig, l’emmagatzematge a partir de sals foses, sistema de depuració, anticongelació, ...
• El conjunt de sistemes convencionals que converteixen l’energia tèrmica en
energia elèctrica:
o Generació de vapor a pressions elevades, sistema de refrigeració (procés en el qual necessitem molta aigua i per tant cal fer aquest tipus d’instal·lacions prop d’un riu...), sistema contra incendis, estació de suport de gas o biomassa, turbina de vapor, generador..
Segons l’aprofitament tèrmic es classifiquen en sistemes de concentració mitjana (de 125 º a 400 ºC) i sistemes de concentració alta (superior a 450 º). Dintre el primer grup trobem les tecnologies cilíndrica parabòlica i el sistema Fresnel, i en el segon el disc Stirling i la Torre Solar.
1.1. CILÍNDRICA PARABÒLICA
En aquest sistema, s'empren miralls de forma cilíndrica parabòlica amb seguiment solar en un eix. Pel focus de la paràbola passen uns tubs receptors d'alta eficiència tèrmica que reben els raigs concentrats del Sol (receptor
lineal). Aquests tubs contenen oli sintètic o aigua que és escalfat pels rajos solars a una temperatura entre 390 i 550 ºC i entre 100 i 200 bar de pressió.
El fluid escalfat és bombat fins als
bescanviadors de calor on es produeix vapor d’aigua que serveix per generar l’electricitat en una turbina convencional. L'oli sintètic passa després a una torre de refrigeració on es refreda per poder tornar a ser utilitzat.
És la tecnologia més estesa i madura, encara que els nous desenvolupaments se centren en trobar alternatives a l'ús d'oli sintètic com a fluid tèrmic per incrementar la seva eficiència.
LA NOSTRA MAQUETA
Hem construït una maqueta per observar la
concentració dels rajos solars en el tub receptor del cilindre parabòlic (càlcul de la paràbola i de la distància del focus). I una altra per veure el funcionament d’una planta.
A més vam fer un altre enginy per entendre que una de les maneres de reduir les pèrdues per conducció consisteix a fer el buit.
1.2. SISTEMA LINEAL FRESNEL
Una de les noves formes d'aprofitament tèrmic de l'energia solar és el concentrador lineal tipus Fresnel. Destaca per la senzillesa de la seva construcció i pel seu baix cost. Utilitza reflectors plans, que s'orienten per files cap un tub absorbidor, que és molt similar al del sistema de canal parabòlic (receptor lineal). Els miralls paral·lels enfoquen l'energia irradiada pel Sol en aquest tub,
col·locat a 8 metres per sobre dels miralls. L'aigua flueix a través d'aquest tub d'absorció, que s'escalfa a temperatures de 270 ºC a 550 ºC, 25 a 120 bar de pressió. Això produeix vapor, que es converteix en energia elèctrica en una turbina de vapor. La mida reduïda dels miralls permet que siguin menys sensibles al vent.
És el sistema que menor grau de desenvolupament presenta però pot ser una alternativa als sistemes cilíndrics parabòlics
per la seva simplicitat, menor cost i bon aprofitament del terreny.
LA NOSTRA MAQUETA
Amb aquesta experiència vam veure el funcionament del col·lector Fresnel.
Com ens va cridar molt l’atenció que els miralls fossin plans, vam dissenyar alguns enginys per veure que reflecteixen en diferents angles.
1.3. TORRE SOLAR
Està format per un camp d'heliòstats (superfícies reflectores d’uns 120 m2) que, mitjançant el seguiment solar en dos eixos, reflecteixen la radiació sobre
un receptor solar situat a la part superior d'una Torre (receptor puntual fixe), per escalfar aigua entre 600 i 1.200 ºC, d’1 a 20 bar de
pressió. Així mateix, aquest vapor pot emmagatzemar-se, o bé passar a una turbina que generarà electricitat.
Si bé el nombre d'instal·lacions de Torre central és més reduït, aquesta tecnologia és la que presenta majors possibilitats de desenvolupament tecnològic.
Dos sistemes depenent de la posició dels heliòstats: camp nord (estan col·locats en fileres i dirigit cap al receptor de la Torre) i camp circular (es disposen en forma circular, al voltant de la Torre).
LA NOSTRA MAQUETA
Per entendre el funcionament de la Torre solar
vam fer una maqueta a escala. Vam construir una Torre de 2,30 m i 40 heliòstats. A més, els vam donar als alumnes de 4t, 5è i 6è de primària uns miralls, amb els quals van enfocar cap al receptor de la Torre on hi vam col·locar una ampolla de plàstic amb una mica d'aigua i un termòmetre. Vam aconseguir augmentar la temperatura fins a arribar als 90 ºC aproximadament; així els alumnes van poder observar una part del seu funcionament.
1.4. EL DISC PARABÒLIC
Un disc parabòlic és un col·lector que rastreja el Sol en 2 eixos, concentrant la radiació solar en un receptor situat en el focus de la paràbola (receptor mòbil puntual). El receptor absorbeix l'energia convertint-la en energia tèrmica. L'energia pot ser convertida immediatament després, mitjançant un generador en energia elèctrica (Motor Stirling) o ser conduïda mitjançant canonades a una central de conversió. En aquest tipus de sistema s'utilitza com a fluid oli o vapor d'aigua. Els col·lectors parabòlics tenen, entre d’altres, les següents característiques: estan orientats directament al Sol, són els més eficients de tots els col·lectors, tenen factors de concentració al voltant de 600 a 2.000 vegades la llum del Sol i assoleixen temperatures 600 a 1.200 ºC, de 50 a 200 bar de pressió.
Motor Stirling: Es pot classificar com a motor de combustió externa o motor
d'aire calent. La calor que utilitza el motor per funcionar es produeix a l'exterior. El motor Stirling es basa en un cicle altament eficient que transforma la calor en energia mecànica, i amb un alternador, la converteix en energia elèctrica.
Aquests sistemes, inicialment concebuts per a aplicacions aïllades, estan tenint bona acollida en instal·lacions connectades a
xarxa pel seu elevat rendiment i modularitat.
LA NOSTRA MAQUETA
Hem realitzat una maqueta d’un disc solar que inclou un petit motor Stirling, i que permet observar la concentració dels raigs i emular el funcionament real d'un disc parabòlic. També una altra amb un sensor de llum
que ens permet localitzar el focus orientant el disc.
ANÀLISI DELS DIFERENTS SISTEMES
Font: Exposició Cor de María. Àngel Clares
CILINDRIC PARABÒLIC ( CCP ) RECEPTOR CENTRAL DISC PARABÒLIC FRESNEL ( CLF) POTÈNCIA 15 - 200 MW 12 - 200 MW 5 - 25 MW 15 - 200 MW TEMPERATURA D’OPERACIÓ 390 ºC 575 ºC 750 ºC 390 ºC FACTOR DE CAPACITAT ANUAL 23 - 50 % * 20 - 77 % * ~ 25 % * - EFICIÈNCIA PICO 20% 23% 30% 18%
EFICIÈNCIA NETA ANUAL 11 - 16 % * 7 - 20 % * 12 - 25 % * 13%
ESTAT COMERCIAL Disponible
comercialmente Demostración
Prototipo-demostración
Prototipo-demostración
TRET TECNOLÒGIC Bajo Medio Alto Medio
EMMAGATZEMATGE DISPONIBLE Sí Sí Sí Sí DISSENYS HÍBRIDS SÍ SÍ SÍ Sí FACTOR DE CONCENTRACIÓ 200 (normal 30-80) 200-1000 1000-4000 - COST W [€/W instal·lat] 4,0 - 6,5 4,0 - 6,5 11 2,0 - 3,0
NOTA: dades obtingudes del CIEMAT *: Dades referides al període de 1997 al 2030 Font: Exposició Cor de María. Àngel Clares
2. HIBRIDACIÓ
Es poden desenvolupar centrals termosolars amb el Sol com a principal aportació energètica, però també es poden combinar amb biomassa com a font renovable o amb gas natural (el menys contaminant dels combustibles fòssils) amb l’objectiu d'estabilitzar la producció elèctrica i aconseguir un sistema energètic el més eficient possible.
Així es pot aconseguir generació elèctrica, durant les hores en les quals no hi hagi radiació solar directa mitjançant la combustió de biomassa o mitjançant el gas natural, que a més permet, com ajustament addicional, cobrir les possibles fallades de subministrament solar, millorar el rendiment del conjunt, i ajustar la demanda energètica dels consumidors amb la producció.
3. EMMAGATZEMATGE PER A SALS FOSES
Quan el Sol se’n va o hi ha poca llum, es pot seguir produint electricitat mitjançant sistemes d'emmagatzematge de calor.
El sistema d'emmagatzematge es basa a escalfar sals aprofitant la radiació solar per poder aprofitar la temperatura emmagatzemada en les sals per produir vapor i generar electricitat en moments d'absència o alta variació solar, o quan és de nit. Aquest sistema dóna més estabilitat a una central termosolar i a la xarxa elèctrica. Si augmenta el període d’emmagatzematge podem proporcionar a la xarxa una millor estabilitat de servei mantenint durant més hores una energia neta sostenible. En el cas de Gemasolar (Sevilla) la disponibilitat de la planta pot estar per sobre de les 6.000 hores de funcionament a l'any que utilitza sals foses com a fluid de treball i emmagatzematge amb 15 hores de capacitat.
FLUID AVANTATGES SOBRE ELS OLIS DESAVANTATGES SOBRE ELS OLIS
Temperatura de vapor més alta Alta Ta de cristal·lització (>125ºC)
Sense risc de contaminació o incendi Disseny més complex del col·lector solar
SALS FOSES
Millor emmagatzematge tèrmic Majors consums
Disseny simple de la planta Falta un sistema d’emmagatzematge
tèrmic adequat
Temperatura de vapor més alta Sistema de control del camp solar més
complex. GENERACIÓ
DIRECTA DE VAPOR
Sense risc de contaminació o incendi Major pressió en el camp solar
Temperatura de vapor més alta Baixa refrigeració dels tubs absorbidors
Sense risc de contaminació o incendi Sistema de control del camp solar més
complex GAS
Millora sist. de emmagatzament tèrmic. Major pressió en el capo solar
4. ENERGIA SOLAR A ESPANYA
Hem d'aprofitar més l'energia solar ja que, per la seva situació geogràfica, Espanya és un país privilegiat, destacant el sud del país, pels seus alts valors de radiació solar.
Font: http://www.solarsom.es/page.php?id_pagina=4
El millor lloc per construir una planta termosolar elèctrica seria en un lloc pla i on hi hagi una radiació solar bastant elevada. A Espanya, el lloc ideal seria al sud del país on, a més de tenir una radiació solar elevada, hi ha grans extensions de terreny lliures.
Un altre paràmetre a considerar, són els incentius fiscals per a instal·lacions de tecnologia solar termoelèctrica, que promouen aquest tipus d'instal·lació i faciliten el seu finançament.
(Es pot consultar la informació de totes les instal·lacions termosolars d’Espanya en el document adjunt a la memòria: Termosolar_Espanya).
5. DESPESES DE CONSTRUCCIÓ I MANTENIMENT
(Font: Exposició Cor de María. Àngel Clares)Dades aproximades a una planta amb col·lectors cilíndric parabòlics, amb una acumulació equivalent a 7,5 hores amb sals foses i una capacitat de generació de 50 MW (preus aproximats de 2009).
Detall de la inversió (50MW(b))
Descripció % M€/MW (a) Subtotal del cost(a * b)
Col·lectors del camp solar 55,96% 2,300 M€ 115.000.000 €
Sistema de generació de vapor 6,08% 0,250 M€ 12.500.000 €
Sistema de transferència tèrmica 5,60% 0,230 M€ 11.500.000 €
Turbina - generador - condensador 14,60% 0,600 M€ 30.000.000 €
Sistema d’emmagatzematge tèrmic 7,30% 0,300 M€ 15.000.000 €
Balance Of Plant (BOP) i altres 10,46% 0,430 M€ 21.500.000 €
COST TOTAL DELS EQUIPAMENTS 100,00% 4,110 M€ 205.500.000 €
Altres costos no tecnològics:
• Calderes
• Construcció civil
• Tramitació del punt de connexió i construcció de la línia d’evacuació • Redacció del projecte executiu, visats i altres costos d’enginyeria • Tramitació de les diverses llicències i permisos
• Costos de desenvolupament del projecte
• Ajustos finals, període de proves i posta en marxa.
Cost aproximat: 53.000.000 €
Inversió final aproximada
Costos tecnològics 205.500.000 € Altres costos: 53.000.000 € Impostos: 40.000.000 €
7. ENERGIA SOLAR A VALLS
Dades aproximades a una planta amb col·lectors cilindro parabòlics, amb una acumulació equivalent a 7,5 hores amb sals foses i una capacitat de generació de 50 MW ubicada a Valls (Tarragona). (Càlculs realitzats amb el programa Exelergy
)
DEFINICIÓ VALORS UNITATS
kW.h/m2*any 1.670 3.000.000 m2 Camp solar 300 Ha 5.010.000.000 kW.h/any 5.010.000 MW.h/any Radiació total 5.010 GW.h/any Factor d'ocupació 33% 990.000 m2 Superfície de miralls 99 Ha
Energia incident total 1.653 GW.h/any
Pèrdues per incidència -14%
Energia capturada pels miralls 1.422 GW.h/any
Pèrdues òptiques -31%
Energia dirigida al tub absorbidor 984 GW.h/any
Pèrdues pels conductes -26%
Energia alliberada als generadors
de vapor 725 GW.h/any
Pèrdues operatives circuit vapor i
funcionals de la turbina -12%
Energia útil entrant a la turbina 640 GW.h/any
Rendiment del bloc de potència 37%
Energia elèctrica neta generada 236,870 GW.h/any
Rendiment global de la planta 14%
Hem calculat la superfície que ocuparia una instal·lació solar d’aquestes
característiques i és d’unes 300 ha. L’hem col·locat al costat del polígon ja que hi ha una àmplia zona sense cases i amb accés a aigua (7-8 m3/h i MW). També es disposaria d’un punt de connexió de xarxa.
DESCRIPCIÓ DEL GRUP DE TREBALL
Els autors del projecte són:
Yasmina Amri, Alba Fernández, Anna Gormaz, Carme Grau, August Massó, Sergi Millán, Sheila Navarro, Meritxell Pérez, Aïda Sánchez, Pol Vadrí i Mireia Victòrio
Curs: 4t ESO
Professors: Inma Abad Nebot Pere Compte Jové
Inma.abad@gmail.com comptejove@gmail.com
Centre Escolar: C/ Cor de Maria, 4
43800 Valls Tel 977.601.172 cormaria@tinet.cat
CONCLUSIÓ
L’energia solar és un recurs molt abundant, d’alta qualitat però de baixa densitat, per això, per poder-lo aprofitar correctament cal aprofitar els avantatges climàtics de cada país per obtenir energia renovables i minimitzar la utilització d’energies fòssils (reduint així els problemes que comporten) i per això cal continuar investigant.
BIBLIOGRAFIA
RUIZ, V. (2009). La electricidad solar térmica, tan lejos, tan cerca. Barcelona.
Fundación Gas Natural
www.protermosolar.com Associació espanyola de l’industria solar termoelèctrica www.estelasolar.eu Associació europea termosolar
www.solarpaces.org Agència internacional d’energia solar www.eurosolar.org Associació europea d’energies renovables
http://es.csptoday.com/node Especialitzada en energia solar termoelèctrica www.ciemat.es Centro de Investigaciones energéticas, medioambientales y
tecnológicas
www.idae.es Instituto para la diversificación y ahorro de la Energía www.psa.es Web plataforma de la solar d’Almeria
www.sandia.gov Investigació EEUU d’energia solar http://www.solarweb.net/ Forum d’energies renovables
http://www.enova-andalucia.es/ Revistes d’Andalusia d’energies renovables
amb un pes important de la termosolar
http://www.schottsolar.com/es/ Tecnologia tubs de buit per cilindrica parabòlica http://www.rioglassolar.com/ Miralls per tecnologia cilindrica parabòlica
http://www.solarmillennium.de/Tecnolog_a/Tecnolog_a_para_el_nuevo_mile nio_,lang3,3.html Tecnologia cilindrica parabòlica
http://www.ausra.com/ Tecnologia fresnel
http://www.novatec-biosol.com/ Tecnologia Fresnel. Planta a Calasparra
(Murcia)
http://www.infiniacorp.com/ Tecnologia amb disc stirling http://www.titantracker.com/ Tecnologia amb seguidors solars
http://www.sbp.de/es/html/solar/dish-stirling.html Tecnologia amb disc stirling http://www.stirlingenergy.com/ Tecnologia amb disc stirling
http://www.sener-power-process.com/ENERGIA/area-energia-sol.html
L’Empresa Sener Cobra en l’actualitat té tres plantes de tecnologia cilindrico parabòlica a Espanya Andasol1 i 2 i Alvarado 1
http://www.abengoasolar.com/ Molta informació dels diferents sistemes solars
http://www.abantia.com/ empresa que vol construir a Borges Blanques una
planta termosolar
Tots els documents paper i els documents informàtics que es troben referenciats en l’annex IV.
