Central termoeléctrica solar tipo Disco parabólico Stirling

Esta tecnología termosolar consiste en tener concentradas un gran número de pequeñas unidades independiente formadas por un reflector con forma de paraboloide de revolución que concentra los rayos en el receptor situado en el foco del paraboloide y que, a su vez, integra el sistema de generación eléctrica basado en un motor Stirling.

Figura 1.1 : Concentrador solar de Disco-Stirling.Fuente: http://www.el-universal.com.mx/notas/598046.html

Descripción del Sistema propuesto

El sistema propuesto es mostrado en la figura , corresponde a una pequeña sección lateral de una parábola, que dirige la radiación solar a un punto focal fijo donde se encuentra instalado un motor Stirling, dicho motor está sujeto por medio de una estructura. Para mantener la radiación solar en el punto focal fijo, se emplea un sistema de seguimiento en 2 ejes, que consta de dos mecanismo, uno de seguimiento diario, el cual desplaza el reflector sobre un soporte móvil de manera proporcional a la declinación solar y el otro de seguimiento horario, que proporciona la rotación del reflector de forma sincronizada con el movimiento del sol durante el día. Estos movimientos del reflector permiten concentrar la radiación solar en una cavidad receptora donde se calienta un gas (helio, hidrógeno o aire) a una temperatura de alrededor de 700° C., Finkelstein T. y Organ A. J., posteriormente mediante el motor Stirling se realiza la conversión de energía térmica a energía eléctrica. Los valores de los parámetros de diseño para el caso de estudio son mostrados en sección de metodología de diseño y las dimensiones resultantes de aplicar el modelo matemático y metodología son mostrados en la sección de resultados.

Configuración de la tecnología

Los sistemas Disco-Stirling son adecuados para la generación descentralizada de energía eléctrica a partir de la energía solar y generalmente tienen una capacidad de 10 a 50 kW cada uno. Su concentrador parabólico sigue al sol continuamente, reflejando los rayos paralelos entrantes sobre su zona focal. El intercambiador de calor solar situado en la zona focal del concentrador absorbe la radiación solar concentrada, calentando el medio portador de calor (helio o hidrógeno). Un motor Stirling convierte este calor en energía mecánica, que es a su vez transformada en energía eléctrica por un generador acoplado directamente al eje del motor.

Proceso de conversión de energía

Fuente: elaboración propia

Figura 1.2: Esquema funcional de sistema Disco Parabólico.http://es.wikipedia.org/wiki/Costo-beneficio

Componentes de un sistema de discos parabólicos

Los componentes de un sistema de discos parabólicos son:

Concentrador Receptor sistema de generación estructura soporte y mecanismos

Figura 1.3: Caja blanca del sistema propuesto

ConcentradorLa forma de la superficie reflexiva en un sistema de este tipo es la de un paraboloide de revolución. El tamaño del concentrador dependerá tanto de la potencia nominal como de la energía a generar en un período de tiempo para unas determinadas condiciones de radiación solar y rendimientos asociados de los elementos que constituyen el sistema.

Los discos parabólicos pueden ser construidos tanto con facetas que aproximan de forma discreta a la geometría del paraboloide o con membrana tensionada de metal aproximando así de manera continua a la geometría buscada. La superficie reflexiva se consigue a base de espejos de vidrio o de películas reflectantes. Existen distintos tipos de concentradores, sus diámetros de apertura oscilan entre los 7 m de los sistemas más antiguos y los 17 m de los desarrollos más recientes, aunque se han construido discos de tamaño mayor. Las relaciones de concentración llegan a alcanzar el valor de 1500 y 4000.

Estructura y sistema de seguimiento

Los sistemas de disco parabólico deben disponer también de una estructura soporte y un mecanismo de seguimiento al sol en dos ejes, con objeto de seguir la posición del sol en todo momento. Los dos tipos de montaje empleados son:

Seguimiento en acimut-elevación, en el que el movimiento se realiza según dos ejes, vertical y horizontal.

Seguimiento polar, en el que el movimiento en un eje es muy lento, pues sólo debe seguir las variaciones estacionales del sol, y el movimiento en el otro eje es a velocidad constante. El primer tipo de montaje es más simple desde el punto de vista constructivo mientras que el montaje polar es más fácil de controlar.

Receptor

Las dos funciones fundamentales del receptor de un sistema de discos parabólicos son: Absorber la radiación solar reflejada por el concentrador. Transferir la energía absorbida al fluido de trabajo de la máquina térmica asociada.

El receptor constituye la interfaz entre el concentrador y la máquina térmica. Los receptores empleados en los DP son receptores de cavidad (aunque el empleo de receptores externos presenta algunas ventajas para sistemas de baja temperatura), en los quela radiación concentrada entra por una apertura (situada en el foco del paraboloide) incidiendo posteriormente sobre el absorbedor. De esta forma se consigue disminuir las pérdidas radiativas y convectivas, así como homogeneizar flujo radiante incidente sobre el absorbedor y reducir su valor máximo. Maneja temperatura entre las 600° y 800°C.

Sistema generadorEl sistema generador está constituido por un ciclo termodinámico de potencia o máquina térmica y el generador propiamente dicho, que transforma la energía mecánica en electricidad. El desarrollo de los sistemas de discos parabólicos ha estado muy ligado a los motores Stirling. Las primeras aplicaciones del ciclo Stirling al aprovechamiento de la energía solar datan de 1872, siendo debidas a Ericsson.En 1984, con un sistema de disco parabólico y un motor Stirling se consiguió el que sigue siendo el mayor rendimiento de conversión solar-eléctrico (29,4%) con un sistema de25 kW eléctricos con hidrógeno como fluido de trabajo a 200 bar y una temperatura máxima del ciclo de 720 oC. El rendimiento térmico del motor Stirling fue del 41%.En la actualidad se comienza a emplear también ciclos de turbinas de gas, gracias al desarrollo de turbinas de gas de tamaño reducido y alto rendimiento.Las potencias de estos motores o turbinas suelen oscilar entre los 5 y los 25 kW, con rendimientos entre el 30% y el 40%

Motor StirlingTiene la ventaja de convertir la energía térmica en energía mecánica. Pertenece a la familia de los motores que manejan diferencia de presiones del gas, a diferencia del motor Otto y Diesel, su energía se obtiene de manera externa; lo que le hace ideal para el trabajo con energía termosolar.El motor Stirling lleva acoplado un alternador, de manera que dentro de un mismo bloque situado en el foco del disco concentrador se realiza la transformación de la energía luminosa en electricidad que se puede inyectar en la red eléctrica ó bien destinarla a consumo directo en alguna aplicación próxima al lugar de emplazamiento.

Figura 1.4: Motor Stirling montado en un concentrador solar de Disco Parabólico.Fuente: http://www.solarviews.com/span/sun

Balance energético

Los parámetros que caracterizan el concentrador son los siguientes: Área de apertura del concentrador,App

Área de apertura del receptor,Arec

Fracción del área de apertura no sombreada, E

Reflectividad de la superficie,µ Fracción de intercepción (fracción de la energía reflejada por el concentrador que entraen el receptor,

alcanzando la superficie absorbedora),ᶲ

El receptor, así como la máquina térmica o ciclo de potencia y el generador, vienen caracterizados por sus respectivos rendimientos energéticos, definidos como cocientes entre las potencias de salida y entrada a cada uno de estos componentes.

La figura muestra un diagrama de pérdidas y rendimientos del sistema de disco parabólico EuroDisch.

Figura 1.4: Pérdidas y rendimientos en el sistema de disco parabólico EuroDisch.

Ventajas, inconvenientes y aplicaciones de la tecnología

Ventajas: Eficiencia de conversión muy alta máxima de solar a eléctrica de aproximadamente un 30%.

Los sistemas disco-Stirling destacan por su implantación modular y alto rendimiento, sin consumo de agua asociado.

Operación híbrida posible.

Experiencia operacional de los primeros prototipos.

Inconvenientes: Fiabilidad tiene que mejorar

Todavía por conseguir los costes proyectados de producción en masa. Esta tecnología tiene aplicaciones independientes o pequeños sistemas aislados, la unidad mayor construida hasta la fecha es de 25 kW.