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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

vi

El Secretario del Tribunal

vii

A todo aquel que me

acompañó durante el

camino…

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

http://www.genoastirling.com/eng/engine-available.php

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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