XVIII Simposio Peruano de Energia Solar y del Ambiente (XVIII-SPES),Lima, 14-19.11.2011

CENTRAL TERMOSOLAR DE 50MW PARA MAJES

Pedro Bertín Flores Larico - pfloresl1956@gmail.com, pfloresl@unsa.edu.pe

Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa, Centro de Energias Renovables y Eficiencia Energetica de la UNSA.

RESUMEN. Ante los avances tecnológicos en el campo de las energías

renovables es que debemos difundir y lograr aplicar las tecnologías de las

centrales termosolares de receptor central (torre), concentradores cilindro

parabólicos y discos parabólicos.

En Alemania, EE.UU, España, etc., se instalan de 10, 20 y 50MW, lo que

está ayudando a reducir la producción de CO2, componente atmosférico que

incrementa el efecto invernadero y por lo tanto se da el cambio climático.

Para nuestros propósitos, se ha determinado a El Pedregal (Majes), que

está a 1000-1500 m.s.n.m, latitud sur 16º21´ y a una longitud de 72º11´, la

radiación global en el mes de menor radiación solar es junio con un

promedio de 4.5 KWh/m2-dia.

De acuerdo que la tecnología más madura y comercial es con

concentradores solares cilindro parabólicos, es que con esta tecnología

realizamos el trabajo.

Son sistemas de alta temperatura, el calor captado en el absorbedor es

cedido a un fluido que suele ser vapor de agua o aceites, este fluido

primario caliente se hace pasar por un sistema de almacenamiento para

luego mediante un intercambiador de calor a un sistema de generación

de vapor.

Se analiza y determina varios subsistemas:Concentración de energía solar,

transformación de radiación solar en energía térmica, almacenamiento de

energía térmica y conversión de energía térmica en eléctrica.

Palabras-clave:EnergiaSolar, Central Termosolar. Concentrador Solar

1. INTRODUCCION

La radiación solar diaria acumulada varia en Majes entre 4.5 KWh/m2-dia(Junio) y 7.5 KWh/m2-dia (Noviembre). Ante

lo anterior en la última subasta que realizo MEM, mediante OSINERMIN, se han adjudicado dos huertas solares de 20MW

cada una, uno se está instalando en el Pedregal y otro será en repartición, utilizando la transformación directa de energía

solar en electricidad, mediante paneles fotovoltaicos.

Otra tecnología que está en auge mundial es la instalación de Centrales Termosolares, mediante la concentración de la

energía solar ya sea en la tecnología de concentradores cilindro parabólicos, torre central o discos parabólicos. La

producción de CO2 es menor y ayudara a resolver el problema del efecto invernadero que nos está agobiando. Pensamos que

no debemos desaprovechar le energía solar y utilizar estas tecnologías, que la debemos implementar en todo el

departamento.

2.ENERGIA SOLAR

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Es abundante, es energía de alta calidad, variable con el tiempo, tiene distribución irregular y es de baja densidad

energética.

Mostramos en la fig. 1 la disponibilidad mundial del recurso solar.

Figura 1 Recurso solar mundial

2.1 Sistemas de concentracion solar termica

Son sistemas que hacen uso de la energía solar, primeramente concentrando la radiación solar y luego convirtiéndola en

energía térmica.

Usos: Electricidad solar, procesos de calentamiento industrial, enfriamiento por absorción, procesos químicos, etc.

2.2 Relacion de concentracion geometrica

Se define

(1)

Donde AABS=Área del receptor o absorbedor, AC= área del colector

a) b)

Figura 2 a) Relación de concentración b) Angulo de aceptancia θ

2.3 Sistema de concentracion ideal

El receptor o absorbedor convierte la radiación solar concentrada a energía térmica.

Un receptor ideal puede ser caracterizado como un cuerpo negro, la cual tiene solamente perdidas radiativas.

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La máxima eficiencia óptica teórica, cuando Tsky≤Tabs es la absortividad efectiva del receptor.

El más alto flujo concentrado solar, mejora la eficiencia óptica.

La temperatura más alta del absorbedor, las más altas perdidas radiativas hacen que la eficiencia óptica sea más baja.

A más alta emisividad efectiva ε, más baja la eficiencia óptica.

Para cada valor de la relación de concentración geométrica, hay una temperatura óptima.

Para altos valores de la relación de concentración geométrica, más alta es la temperatura óptima y la eficiencia global

Figura 3 Eficiencia y temperatura optima con Cg

2.4 Tipos sistemas de concentracion

Foco lineal (2D): Cilindro parabólico, CLFR

(2)

Foco puntual (3D): Sistemas receptor central, concentradores parabólicos combado

(3)

Figura 4 Tipos de Sistemas de Concentración

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Figura 5 Sistema de concentración real

2.5 Configuracion basica de una planta de potencia solar termica

Figura 6 Configuración de planta de potencia Figura 7 Principales sistemas de concentración

Figura 8 Sistemas de torre central Figura 9 Sistemas de concentradores cilíndrico parabólicos

2.6 Configuracion de una planta de potencia con CCP

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Figura 10 Configuración de una planta de potencia con CCP

La planta se compone del campo solar, la zona de almacenamiento y el ciclo de vapor

3 CAMPO SOLAR

Analizaremos el campo solar, con el colector:

3.1 Colector solar

Principales elementos del colector: Reflector, espejos, tubo receptor, estructura, Sistema de seguimiento, Elementos de

conexión, Sistemas de control

Figura 11 El colector solar CCP

3.2 El reflector

Componente del sistema que reflejan los rayos solares al receptor.

Existen tipos:

-Espejo de vidrio de 0.8mm

-Espejo de vidrio de 3-5mm

-Aluminio: Alanod refleja el 95%

-Polímeros con películas reflectivas, reflectech con 93% de reflectividad en el rango de la luz solar, están protegidos de

los rayos ultravioleta, espesor nominal 0.10mm, se adhiere a superficies.

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Figura 12 Reflectores de espejo de vidrio Figura 13 Reflectores de aluminio y polímeros

3.3 Estructura

Esta parte sostenida por los pilones y da el movimiento de seguimiento al sol

Figura 14 diferentes tipos de estructura

3.4 Tubo receptor

Están fabricados de superficie transparente y una superficie metálica absorbente.

Existe vacio entre el vidrio y el metal que garantiza solo perdidas radiativas, se eliminan las perdidas por convección.

Marca SCHOTT PTR-70, tubo de acero con recubrimiento selectivo, teniendo un fuelle de expansión que compensa las

distintas dilataciones del vidrio y el metal, están superpuestos.

Son de 4m de longitud a 20°C, temperatura de trabajo mayor a 300°C, diámetro exterior es de 70mm, acero DIN

1.4541, absortancia solar mayor a 95%, emitancia térmica a 400C menores a 10%.

El vidrio es borosilicato, tiene un diámetro exterior de 125mm, posee recubrimiento antireflejante, su transmitancia es

mayor de 96%. El vacio es de menor a 10-3mbar y la presión de operación es de 40 bares absolutos.

Marca SOLEL UVAC-2 Y UVAC-3, son tubos de cobre, de 4.06 m de longitud a 25°C y 4.08m a 400°C, diámetro

interior de 6.6cm.

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Figura 15 Tubo receptor SCHOTT PTR-70 Figura 16 Tubos receptores

3.5 HTF: fluido de transferencia de calor

Fluidos que circulan por el interior de los tubos pueden ser líquidos, vapor o gas.

Aceites térmicos.

a) Caloría oil para temperaturas menores de 300°C

b)Therminol VP-1 temperaturas menores de 400°C, fluido sintético de 12 a 400°C, mezcla eutéctica con 75.5% de

oxido de diphenil y 26.5% de diphenil.

c)Syltherm 800, fluido siliconico para temperaturas mayores a 400°C.

Agua/vapor. Temperaturas mayores a 400C,

Sales fundidas. 60%NaNO3 y 40%KNO3, soporta 600C.

Gases.En plataforma solar de Almeria-PSA

3.6 Mecanismo de seguimiento

Usando motor eléctrico y caja de engranajes y también usando sistemas hidráulicos.

Figura 17 Mecanismos de seguimiento

3.7 Conector de colectores

Existen las mangueras flexibles y la unión rotatoria

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Figura 18 Conectores de colectores

3.8 Configuracion del campo solar

1 SCA : Compuesto de 12 elementos de colector solar (SCE), de 150m de longitud. Como son: 1 pilón final, 1 pilón

propulsor, 10 pilones intermedios, 1 pilón compartido con SCA.

A los tubos cabeceros de frio a caliente se colocan 4 arreglos de colectores solares (SCA), en total 600m de longitud.

Figura 19 Configuración de un arreglo de SCA Figura 20 Configuración de un campo solar

Fig. 21 Configuración hidráulica de un campo solar Figura 22 Orientación del campo solar

3.9 Perdidas en el colector

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Tenemos que tener en cuenta que hay perdidas ópticas (reflexión, transmisión y absorción)

Figura 23 Perdidas ópticas Figura 24 Perdidas Geométricas (sombreado y longitud)

Figura 25 Perdidas térmicas (absorbedor al ambiente) Figura 26 Eficiencia de un campo solar

4 ZONA DE ALMACENAMIENTO DE ENERGIA

Se sobredimensiona el campo solar para almacenar energía térmica (TES), lo cual hace operar la planta en días

nublados, haciendo crecer la utilización del bloque de potencia.

Figura 27 Planta completa

Con esta tecnología crece la estabilidad de la operación, reduce la intermitencia, crece la utilización de la planta y

factor de capacidad, provee capacidad en horas punta y reduce costos de generación. TES (Almacenamiento de energía

térmica)

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Una fracción de la energía térmica producida por el campo solar en almacenada creciendo la energía interna del medio

almacenador por: calor sensible, calor latente o termoquímica.

4.1 Requerimientos tecnicos para TES

a) Alta densidad energética.

b) Buena conductividad térmica.

c) Buena transferencia de calor entre fluido de transferencia de calor y el medio almacenador.

d) Estabilidad química y mecánica.

e) Compatibilidad química entre HTF, intercambiador de calor y/o medio almacenador.

f) Reversibilidad para un gran número de ciclos de carga y descarga.

g) Bajas perdidas térmicas.

h) Facilidad de controlar

Figura 28 TES para periodos cortos Figura 29 TES: dos tanques de almacenamiento

Figura 30 Características técnicas ANDASOL Figura 31 Foto mostrando tanques

5 BLOQUE DE POTENCIA

Consiste de Caldera (campo solar), precalentadores, condensador, turbina, Bomba de condensado, bomba de agua de

alimentación.

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Figura 32 Planta de potencia Figura 33 Campo Figura 34 Condensador Figura 35 Turbina

6 COSTOS

Veremos los costos mundiales en las figuras 36, 37

Figura 36 Costos de los campos Fig. 37 Costos del campo solar

7 PROPUESTAS DE SOLUCION

Utilizaremos referencias españolas, en estos sistemas su eficiencia rondan entre 10 y los 20%.

Para una planta de 50MW, asumiendo un eficiencia de 11%, funcionamiento de 15.5horas, teniendo en cuenta que en

majes para el mes de Junio la radiación diaria acumulada es 4.5KWh/m2, entonces:

(4)

El área de colectores solares: 1 565 656m2, para un generación de 282.8GWh/anual.

Tendremos un campo solar de 2071 660m2, que consistirá de 1248m de largo por 1660m de ancho, con 400 SCA y 4800

SCE.

Para una radiación de 1000W/m2, habría una radiación incidente de 22 500 000w y una pérdida de 15 000 000W.

8 CONCLUSIONES y RECOMENDACIONES

8.1 Es posible construir centrales termosolares con concentradores cilíndrico parabolicos, con la tecnología existente.

8.2 El costo de la planta termosolar de 50MW es aproximadamente 390 000 000 de dólares y así como el costo de la sal

CaNO3 es 3 705 000 dólares

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8.3 La réplica se debería dar para las demás provincias de Arequipa, de nuestra parte alta.

9 REFERENCIAS.

Fernández Salgado José M, 2008, Compendio de Energía Solar: Fotovoltaica, Térmica y Termoeléctrica,ediciones Mundi

Prensa, Madrid.

RENAC renewable academy, Institut solare Energiesysteme, Lahmeyer international, Curso RENAC.

Silva Perez, Manuel A. Marzo 2010, Curso Concentrated Solar Termal Power Technnology Training, Leonardo Energy,.

Abstract. Given technological advances in the field of renewable energy is

that we disseminate and apply the technologies to achieve the central

receiver solar thermal power plants (tower), parabolic trough concentrator

and parabolic dishes.

In Germany, USA, Spain, etc.., Installed 10, 20 and 50MW, which is

helping to reduce CO2 production, atmospheric component that increases

the greenhouse effect and therefore climate change occurs.

For our purposes, is determined to El Pedregal (Majes), which is 1000 to

1500 m, latitude 16 º 21 'and a longitude of 72 º 11', the global radiation

in the month of lowest solar radiation is June with an average of 4.5

KWh/m2-dia.

According to the most mature technology and trade is with parabolic

trough solar concentrators, this technology is that we do the work.

These systems are high temperature, the heat captured in the absorber is

transferred to a fluid is usually water or oil vapor, the hot primary fluid

is passed through a storage system and then through a heat exchanger

generation system steam.

It analyzes and identifies several subsystems: solar concentration, solar

radiation transformation into thermal energy, thermal energy storage and

conversion of thermal energy into electricity.

Keywords: Energy solar, solar thermal. Solar concentrator.