Tesis Sobre Energia Solar

PROYECTO FIN DE CARRERA

ESTUDIO TCNICO-ECONMICO DE UNA PLANTA SOLAR DE ALTA TEMPERATURA

EN UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO

AUTOR: RODRIGO ANDJAR SAGREDO

MADRID, Septiembre 2004.

UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIERA (ICAI)

ESTUDIO TCNICO ECONMICO DE UNA PLANTA SOLAR DE ALTA TEMPERATURA EN UNA CENTRAL DE CICLO COMBINADO Autor: Andjar Sagredo, Rodrigo. Director: Montes Ponce de Len, Julio. Entidad Colaboradora: ICAI Universidad Pontificia Comillas.

RESUMEN DEL PROYECTO Los objetivos que se persiguen con la realizacin de este proyecto son:

-Evaluar un emplazamiento adecuado para el estudio.

-Analizar las distintas alternativas para el campo solar, colectores cilindro-parablicos

o tecnologa de torre solar.

-Estudiar el lugar ptimo para el aporte de la energa solar en la central de ciclo

combinado.

-Estudiar la operacin de la central.

-Obtener el ahorro de gas natural y la reduccin de emisiones.

-Analizar la viabilidad econmica.

Se parte para este proyecto de los datos de una central de ciclo combinado tipo.

En primer lugar se evalan los lugares con suficiente potencial solar para poder

instalar una central de este tipo teniendo en cuenta que con la tecnologa disponible

slo se puede aprovechar la radiacin directa y no la difusa, por lo tanto no slo es

necesario que haya el suficiente potencial solar, sino que tambin han de ser

localizaciones ridas o semiridas, con nula o muy poca nubosidad. Combinando este

criterio en la eleccin con el criterio recogido de [EEL99] en el que se dividen los

lugares geogrficos en tres:

-No utilizables, irradiacin menor de 1700 kWh/m2.

-Idneos, irradiacin mayor de 1700 kWh/m2 pero menor de 2700 kWh/m2.

-ptimos, irradiacin mayor de 2700 kWh/m2.

Se seleccionan localizaciones a lo largo de la geografa que cumplen perfectamente

ambos requisitos, entre estos lugares se encuentran zonas del sur de Espaa, y entre

estas zonas espaolas una en concreto donde se lleva trabajando tiempo con

tecnologa solar: el desierto de Tabernas en Almera donde est situada la Plataforma

Solar, debido a estas razones se elige esta zona para el estudio de la central.

Una vez evaluado el potencial solar en la zona, se plantean dos elecciones, ambas

entrelazadas, la tecnologa solar a emplear y en qu punto y de qu manera colocar la

energa solar en la central de ciclo combinado. Para resolver este problema en ambos

casos se analiza la experiencia que ha habido con centrales termosolares hasta la

fecha, llegando a la conclusin de que el lugar idneo para colocar el aporte solar en

una central de ciclo combinado es la caldera de recuperacin, a partir de aqu queda

resolver el cmo y con qu tecnologa. Se analizan caso a caso las posibilidades con

las dos tecnologas seleccionadas teniendo en cuenta dos criterios, el aumento de

potencia que se pueda conseguir y el ahorro econmico y medioambiental que

suponen el ahorro de gas natural y la reduccin de emisiones que lleva aparejado.

Este segundo criterio es el que prima ya que no merece la pena colocar turbinas de

vapor de mayor potencia que vayan a ser usadas unas pocas horas al ao, en cambio

s es muy interesante tener la misma potencia en la central que la que habra sin la

parte solar sustituyendo el combustible gas natural por el aporte solar. Este criterio

fundamental lleva a la eleccin de la tecnologa solar de receptor de torre por ofrecer

mayores temperaturas en el aporte solar y permitir colocar dicho aporte a la entrada

del sobrecalentador de alta presin permitiendo que los gases de escape de la turbina

de gas lleguen con menor energa, compensada por la recibida con el aporte, para

permitir producir la misma potencia ahorrando una mayor cantidad de combustible y

reduciendo por tanto las emisiones de CO2.

Una vez seleccionados la tecnologa solar a emplear y el lugar y cantidad del aporte

solar se dimensiona el campo solar, se configura el nmero y la situacin de los

helistatos y el tipo y situacin del receptor y la torre solar.

A continuacin se estudia la operacin de la central, teniendo en cuenta las curvas de

demanda elctrica en Espaa y el funcionamiento de la central se llega a la conclusin

de que la central trabajar en puntas en los meses de mayor irradiacin, especialmente

en los meses de verano, aunque trabajar tambin en menor medida en meses de

otoo y primavera.

Una vez configurada la central, tanto en sus caractersticas como en su

funcionamiento es la hora de sacar resultados tcnicos y econmicos, los resultados

tcnicos son satisfactorios en cuanto a la apreciable reduccin del consumo de

combustible y de emisin de gases contaminantes:

Mes Ahorro

G.N. (kg/s)

Ahorro

G.N. ()

Red.CO2

(tons/h)

Red.CO2 (tons/ao)

Horas

funcionamiento

TOTAL 1.8828 68283 18.651 3681.4 1096

No as los econmicos, ya que los dos parmetros calculados: LEC = 0.303 /kWh y

VAN con un perodo de retorno de la inversin asociado de 33.25 aos, mayor que la

vida til de la central, considerando unas primas de 0.12 /kWh a la energa solar

trmica y de 0.06 /kWh a la generada con gas natural (en ningn decreto ley hasta el

momento se considera la hibridacin) hablan de la poca viabilidad econmica del

proyecto, por lo que la conclusin es obvia, esta central de ciclo combinado hbrida

solar en estos momentos no es rentable en Espaa.

Para establecer su viabilidad econmica se plantean varias opciones:

En primer lugar subir las primas a la energa generada solarmente con esta central,

que hara que s fuese viable, en caso de elegir esta opcin para establecer la

viabilidad de la planta lo mejor sera primar a toda la energa por igual, con una prima

de 0.102 /kWh que hara que toda la inversin se recuperase en 20 aos y la planta

fuese rentable.

Otra opcin es buscar otros lugares, en pases con mayor irradiacin solar donde s

pueda ser rentable por la mayor disponibilidad de la central, as se plantea la opcin

de Marruecos por la cercana y facilidad de transporte del suministro elctrico, con

primas de 0.12 /kWh a la energa solar trmica y de 0.06 /kWh a la generada con

gas natural ya sera rentable, con un perodo de recuperacin de la inversin de 19

aos.

Finalmente otra alternativa puede ser plantearse una mayor hibridacin solar en un

futuro prximo teniendo en cuenta que el precio del gas natural va a subir de modo

sustancial para tratar as de amortizar la subida ahorrando combustible.

Autor: V B del director del proyecto: Rodrigo Andjar Sagredo Julio Montes Ponce de Len

ndice general

MEMORIA...........................................................................................................................................12 0) INTRODUCCIN...........................................................................................................................13

0-1) MOTIVACIN ..........................................................................................................................13 0-2) LA ENERGA SOLAR..............................................................................................................14

Consideraciones respecto del movimiento Solar sobre la tierra.....................................................14 9 Descripcin de la rbita terrestre en torno al Sol (Fig. 1) ................................................14 9 Posicin del Sol respecto a un observador terrestre (Fig. 3) ............................................17 9 Posicin del Sol respecto de una superficie inclinada.......................................................19

Caractersticas de la radiacin Solar ..............................................................................................20 9 Radiacin extraterrestre ....................................................................................................20 9 Radiacin en la superficie de la Tierra..............................................................................21 9 Componentes de la radiacin Solar en la superficie de la Tierra......................................22

0-3) EVALUACIN DEL RECURSO SOLAR................................................................................25 2) EMPLAZAMIENTOS ADECUADOS POR SU IRRADIACIN SOLAR. ..............................29

2-1) EMPLAZAMIENTOS ADECUADOS A NIVEL MUNDIAL. ................................................29 2-1) EMPLAZAMIENTOS ADECUADOS EN ESPAA. ..............................................................34

3) LA TECNOLOGA SOLAR. .........................................................................................................37 3-1) EXPERIENCIAS EN CENTRALES ELCTRICAS TERMOSOLARES................................37 3-2) EL CAMPO SOLAR..................................................................................................................39

9 Colectores cilindro-parablicos ........................................................................................39 9 Tecnologa de torre solar...................................................................................................42 9 Los sistemas disco-Stirling.................................................................................................44

4) LA CENTRAL DE CICLO COMBINADO..................................................................................46 4-1) INTRODUCCIN......................................................................................................................46 4-2) EL APORTE SOLAR ................................................................................................................49 4-2) ANLISIS DEL APORTE SOLAR EN LA CALDERA DE RECUPERACIN.....................53

Con la tecnologa de colectores cilindro-parablicos.....................................................................57 9 Conclusin con fluido caloportador: AGUA......................................................................67 9 Conclusin con fluido caloportador: Aceite ......................................................................70 9 Conclusin sobre colectores cilindro-parablicos ............................................................70

Con la tecnologa de receptor central de torre................................................................................71 9 Conclusin sobre receptor central de torre .......................................................................90

Conclusin final sobre el aporte.....................................................................................................91

5) DIMENSIONADO DEL CAMPO SOLAR...................................................................................92 5-1) INTRODUCCIN......................................................................................................................92 5-2) DIMENSIONADO [CSDE97] ...................................................................................................94

6) OPERACIN DE LA CENTRAL. ................................................................................................98 6-1) INTRODUCCIN......................................................................................................................98 6-2) APLICACIN AL CASO DE ESTUDIO................................................................................101

7) RESULTADOS ..............................................................................................................................104 7-1) RESULTADOS TCNICOS....................................................................................................104 7-2) RESULTADOS ECONMICOS.............................................................................................106

7-2.1) LEC ...................................................................................................................................107 9 Introduccin.....................................................................................................................107 9 Metodologa de clculo....................................................................................................108 9 Clculo del LEC...............................................................................................................111

7-2.2) VAN ..................................................................................................................................113 9 Introduccin.....................................................................................................................113 9 Metodologa para su clculo ...........................................................................................114 9 Clculo del VAN...............................................................................................................115

8) CONCLUSIN. .............................................................................................................................119

CLCULOS. ......................................................................................................................................123 1) APORTE SOLAR EN LA CALDERA DE RECUPERACIN. ...............................................124

1-1) TECNOLOGA DE COLECTORES CILINDRO-PARABLICOS. .....................................124 1-2) TECNOLOGA DE RECEPTOR CENTRAL DE TORRE, FLUIDO CALOPORTADOR:

AGUA..............................................................................................................................................129 2) DIMENSIONADO.........................................................................................................................139 3) RESULTADOS ..............................................................................................................................140

3.1) RESULTADOS TCNICOS....................................................................................................140 3-2) RESULTADOS ECONMICOS.............................................................................................143 9 LEC..................................................................................................................................143 9 VAN.................................................................................................................................144

4) CONCLUSIN ..............................................................................................................................146 BIBLIOGRAFA ...............................................................................................................................151

ndice de tablas

Tablas memoria

Tabla 1: Valores de reflectividad caractersticos.........................................................24

Tabla 2: Caractersticas centrales termosolares...........................................................39

Tabla 3: Plantas de colectores cilindro-parablicos en el mundo................................41

Tabla 4: Plantas de tecnologa de torre en el mundo. ..................................................43

Tabla 5: Datos Turbina de gas funcionando al 100%..................................................81

Tabla 6: Datos Turbina de gas funcionando al 90%....................................................82




Tabla 10: Resultados de ahorro de gas y reduccin de emisiones...............................90

Tabla 11: Resultados en el punto ptimo. ...................................................................91

Tabla 12: Datos aporte solar. .......................................................................................91

Tabla 13: Datos de diseo para el dimensionado. .......................................................96

Tabla 14: Resultados de nmero de helistatos y superficie total ocupada. ...............96

Tabla 15: Tipos de plantas en cuanto al nmero de horas de operacin. ..................100

Tabla 16: Resultados potencias mensuales................................................................104

Tabla 17: Resultados ahorro gas, reduccin emisiones y horas de funcionamiento. 105

Tabla 18: Resultados potencias y porcentaje de hibridacin.....................................105

Tabla 19: Resultados generacin energa y beneficios de esa energa. .....................106

Tabla 20: Desglose inversin campo solar. ...............................................................111

Tabla 21: Flujos de caja para el clculo del VAN. ....................................................115

Tablas clculos

Tabla 1: Resultados sobrecalentador alta presin sin aporte solar. ...........................133

Tabla 2: Resultados sobrecalentador alta presin con aporte solar. ..........................135

Tabla 3: Resultados punto de mezcla, vapor de entrada al sobrecalentador. ............136

Tabla 4: Clculo del LEC ..........................................................................................143

Tabla 5: Tabla clculo VAN......................................................................................144

Tabla 6: Resultados potencias mensuales Marruecos................................................146

Tabla 7: Resultados ahorro gas, reduccin emisiones y horas de funcionamiento caso

de Marruecos.......................................................................................................147

Tabla 8: Resultados potencias y porcentaje de hibridacin caso de Marruecos........147

Tabla 9: Resultados generacin energa y beneficios de esa energa caso de

Marruecos. ..........................................................................................................148

Tabla 10:LEC para el caso de Marruecos..................................................................148

Tabla 11:VAN para el caso de Marruecos.................................................................149

ndice de figuras

Figura 1: rbita de la Tierra alrededor del sol ............................................................15

Figura 2: Variacin de la declinacin a lo largo de la rbita terrestre.........................16

Figura 3: Posicin del sol. ...........................................................................................18

Figura 4: Posicin del Sol respecto a superficie inclinada. .........................................20

Figura 5: Espectro electromagntico. ..........................................................................21

Figura 6 :Componentes de la radiacin solar. .............................................................24

Figura 7: Zonas geogrficas idneas para la instalacin de centrales termosolares....30

Figura 8: Configuraciones ms habituales de los sistemas de concentracin solar por

reflexin utilizados en las centrales termosolares.................................................38

Figura 9: Fila de colectores cilindro-parablicos y Figura 10: Funcionamiento.........40

Figura 11: Torre central. ..............................................................................................42

Figura 12: Helistato. ..................................................................................................43

Figura 13: Configuracin tpica de disco-Stirling .......................................................45

Figura 14: Sobrecalentador de gas natural ..................................................................50

Figura 15: Caldera fsil en paralelo con sistema solar ................................................50

Figura 16: Calentador fsil de aceite. ..........................................................................51

Figura 17: Esquema caldera recuperacin en ciclo combinado...................................54

Figura 18: Restricciones en la caldera. ........................................................................55

Figura 19: Caldera recuperacin..................................................................................58

Figura 20: Esquema ciclo combinado .........................................................................59

Figura 21: Esquema aporte solar mediante colectores cilindro-parablicos con agua-

vapor como fluido caloportador en circuito de baja .............................................60

Figura 22: Esquema aporte solar mediante colectores cilindro-parablicos con agua-

vapor como fluido caloportador en circuito de media ..........................................63

Figura 23: Esquema aporte solar mediante colectores cilindro-parablicos con aceite

trmico como fluido caloportador en circuito de baja ..........................................68

Figura 24: Esquema aporte solar mediante receptor central de torre en circuito de baja

presin...................................................................................................................72

Figura 25: Esquema aporte solar mediante receptor central de torre en circuito de

media presin. .......................................................................................................75

Figura 26: Esquema aporte solar mediante receptor central de torre en circuito de alta

presin...................................................................................................................77

Figura 26: A la izquierda campo norte, a la derecha campo circundante....................92

Figura 27: A la izquierda helistato de vidrio-metal, a la derecha helistato de

membrana tensionada............................................................................................93

Figura 28: Disposicin del campo de helistatos. .......................................................96

Figura 29: Curva de demanda elctrica de India, Jordania, Egipto y Mxico.............99

Figura 30: Demanda elctrica tpica de un da laborable de verano en Espaa. .......101

Figura 31: Demanda elctrica tpica de un da laborable de invierno en Espaa. .....102

MEMORIA

0) Introduccin

0-1) Motivacin

[OPTI03] En el contexto energtico actual, con un mercado liberalizado y un

escenario medioambiental de reduccin de emisiones, se configura la necesidad de un

futuro orientado hacia la diversificacin de las distintas fuentes de energa, con un

aumento significativo en la utilizacin de energas limpias y en la eficiencia

energtica.

Esta situacin abre la libre competencia a aquellos agentes que cumpliendo los temas

medioambientales consigan reducir los costes de generacin.

En este contexto actual surge este proyecto, el estudio tcnico econmico de una

planta de ciclo combinado hbrida solar.

Una planta de ciclo combinado alimentada con gas natural y energa solar; por ser una

central de ciclo combinado tiene un rendimiento ms elevado que una central trmica

convencional, adems, reduciendo las emisiones, especialmente las de CO2 que se

reducen a la sexta parte, reducindose tambin las emisiones de NOx, con un

adecuado quemado, y las de partculas .

Estas son las ventajas que de por s tiene una central de ciclo combinado, pero en

este caso, con la hibridacin gas natural-energa solar el aporte de energa solar

supone una diversificacin de la fuente de energa empleada mediante una fuente

totalmente limpia, y puede suponer un ahorro importante en el consumo de gas

empleado, lo cual implicara un ahorro econmico ya que se consume menos gas y

una reduccin mayor de las emisiones, estas son las razones fundamentales del inters

de este estudio.

Las dificultades que se encuentran a la hora de proyectar este tipo de centrales estn

centradas en la situacin geogrfica de la central, tienen que ser lugares estratgicos

con muchas horas de sol y con muy poca nubosidad y humedad, y en su viabilidad

desde un punto de vista econmico, muy relacionado con el punto anterior ya que la

inversin que hay que hacer para este tipo de centrales slo es rentable en unas zonas

muy concretas o con unas subvenciones muy fuertes de la Administracin.

0-2) La energa solar

Caractersticas fundamentales de la radiacin solar.

[JRGU03] El Sol es la mayor fuente de energa de nuestro planeta. La fusin de

nuestra estrella produce una radiacin media de 410 26 Vatios de los cuales en la

Tierra incide algo ms de la mitad (210 17 W, 151018 kWh/ao). A partir del

conocimiento de la rbita terrestre somos capaces de conocer con exactitud para cada

instante cul ser la energa incidente en la estratosfera, parte no aleatoria del

potencial Solar puesto que es predecible con una exactitud del 100%. Al atravesar la

atmsfera dicha energa se ver afectada por la absorcin atmosfrica, las nubes y

otros fenmenos impredecibles que confieren al recurso Solar su carcter

semialeatorio.

Consideraciones respecto del movimiento Solar sobre la tierra

9 Descripcin de la rbita terrestre en torno al Sol (Fig. 1)

La rbita de la Tierra corresponde a una elipse (aunque bastante parecida a un

crculo) con el Sol situado en uno de sus focos. El plano de esta rbita se conoce

como plano de la eclptica, en recorrerla entera la Tierra emplea un ao. En la

ilustracin se ve el plano de la eclptica y los puntos de mxima y mnima distancia al

Sol.

Figura 1: rbita de la Tierra alrededor del sol

Simultneamente, la Tierra gira sobre s misma una vez al da alrededor del eje polar.

Dicho eje forma un ngulo con el plano de la elptica de 2345 con lo que el ngulo

formado por el plano del ecuador y el plano de la eclptica va variando

constantemente. A dicho ngulo se le denomina declinacin Solar () y es el responsable del aparente movimiento ascendente del Sol a lo largo del ao y de la

diferente longitud de los das. Se incluye una figura (Fig. 2) en la que se observa

cmo vara a lo largo de la rbita terrestre alcanzando un mximo en verano y un

mnimo en invierno (solsticios del 21/22 de junio y 21/22 de diciembre

respectivamente) y situndose sobre el ecuador en primavera y otoo (equinoccios del

20/21 de marzo y 21/22 de septiembre). cambia lentamente, menos de 05 en 24 horas, por lo que a escala diaria se puede tomar como constante.

Para el clculo del valor de la expresin a emplear es la siguiente:

Figura 2: Variacin de la declinacin a lo largo de la rbita terrestre.

Donde , en radianes viene dado tambin por la siguiente expresin (con dn el orden de da dentro del ao):

Esta formulacin puede simplificarse si obviando la ley de Kepler (los planetas

barren reas iguales en tiempos iguales) se toma la velocidad de la Tierra como

constante. Dicha hiptesis proporciona una exactitud suficiente segn la literatura

consultada.

++

+=

180

))3(00148,0)3(002697,0)2(000907,0)2(006758,0

)(070257,0)(399912,0006918,0()(

SenCosSenCos

SenCos

365)1(2 = nd

235

Plano de la elpticaPlano ecuatorial

Interseccin ambos planos

235

235

Verano en hemisferio norte

Equinoccio

Solsticio invierno

En este caso se expresa como:

Y la distancia del Sol a la Tierra puede calcularse por:

9 Posicin del Sol respecto a un observador terrestre (Fig. 3)

Para proyectar instalaciones solares interesa estudiar el movimiento aparente del Sol

desde un observador situado en la Tierra, recuperando el viejo concepto

antropocntrico del movimiento Solar. Como resultado aparecen dos tipos de

coordenadas para determinar unvocamente la posicin del Sol en cada instante, las

primeras derivadas de la posicin del observador en la Tierra y las segundas del

movimiento de nuestro planeta.

Dentro del primer tipo, para establecer la posicin del observador sobre el globo

terrqueo, se emplea su vertical, cenit y su direccin opuesta o nadir. Se denomina

latitud a la distancia angular desde el cenit hasta el plano ecuatorial. Tambin puede definirse como el ngulo complementario del existente entre el cenit y el polo

norte. Se mide positivamente hacia el polo norte y negativamente hacia el sur.

Adems se define como meridiano del lugar a la traza con el globo terrestre del plano

que contiene al polo norte, sur, cenit y nadir de un observador.

( )

+= 28436536045,23)( ndSen

+=

=365

360033,012

00

ndCosrr

Respecto a la posicin del Sol se localiza a partir de la distancia cenital z, definida como la distancia angular del cenit al Sol, y del acimut o ngulo entre los meridianos del observador y del Sol.

El complementario del cenit o ngulo entre Sol y el horizonte del observador, se

denomina elevacin . Adems, para incluir la evolucin temporal diaria, se introduce el concepto de tiempo solar verdadero u hora solar , 0 al medioda, negativo por la maana y positivo por la tarde y est relacionada con el tiempo oficial

del lugar con las ecuaciones recogidas ms adelante.

Figura 3: Posicin del sol.

Estas coordenadas son suficientes para definir en cualquier punto de la Tierra la

posicin del Sol y slo queda por tanto conocer las relaciones entre ellas para poder

predecir su posicin relativa a una superficie horizontal.

Cenit

Horizonte del observador

Nadir

Plano ecuatorial

Polo Norte

Polo Sur

(latitud)

Meridiano del observador

z Meridiano solar

El ngulo de salida del Sol corresponde con el instante en que zs = 90, el nmero diario de horas de Sol tambin se puede hallar sabiendo que el Sol recorre unos

15/hora.

9 Posicin del Sol respecto de una superficie inclinada Con las ecuaciones del apartado anterior es posible recoger la evolucin del Sol

referida a una superficie horizontal. Sin embargo, normalmente los captadores Solares

estn inclinados lo que obliga a introducir algunas modificaciones. Lo primero es

definir la posicin de una superficie oblicua para lo que basta con establecer su

pendiente (B) y acimut (). La pendiente es el ngulo formado por la superficie y el

plano horizontal y el acimut la distancia angular entre la proyeccin de la normal a la

superficie y el meridiano del lugar sobre el plano horizontal; esto es, el ngulo

respecto del polo sur. Se incluye un pequeo diagrama explicativo. (Fig. 4)

( )15

2sol) de horas N(

)()(cos

salidah

puestasalida

N

tagtagAr

=

==

( )( )

( )

18,229)2(04089,0)2(014615,0

)(032077,0)(001868,0000075,0min

horario huso Longitud LH Greenwich; de meridiano respecto gradosen Local Longitud LL

15-Horario) Huso sobre Adelanto(12Oficial) Tiempo(

)()()()()()(

)()()()()()()(

+

===

+=

=+==

SenCosSenCos

utos)ET(

LL-LHAOETTO

CosCosSenSenSenCos

CosCosCosSenSenSenCos

s

ss

szs

Figura 4: Posicin del Sol respecto a superficie inclinada.

Con estas definiciones, la expresin del ngulo de incidencia de la radiacin Solar () queda:

Caractersticas de la radiacin Solar

9 Radiacin extraterrestre A efectos de ingeniera solar el Sol puede considerarse como un cuerpo negro que

emite radiacin a una temperatura de 5700 Kelvin. Se define la constante Solar como

la energa por unidad de rea y tiempo que llega desde nuestra estrella. Las

mediciones ms recientes apuntan que el valor de esta constante solar antes de sufrir

la atenuacin al atravesar la atmsfera es de1367 W/m2. La variacin de distancia

entre la Tierra y el Sol provoca que este valor no sea sostenido a lo largo de todo el

d

E

S

)()()()()()()()()()()()()(

)()()()()()()()(

SenSenSenCosCosCosSenSenCosCosCosCosCos

CosSenCosSenCosSenSenCos s++

=

ao sino que cae hasta 1320 W/m2 en Junio/Julio y sube hasta 1400 en Enero y

Diciembre.

Por otro lado, la energa no se encuentra uniformemente distribuida en todo el

espectro electromagntico (Fig. 5), se puede agrupar en las siguientes regiones:

1) Visible: (0,38 < < 0,78 Mm.) que aglutina el 47% de la energa. 2) Infrarrojo ( > 0,78 Mm.) que lleva el 45 % 3) Ultravioleta ( < 0,38 Mm.) que transmite el resto (7%). Esta distribucin espectral tiene influencia en la atenuacin provocada por la

atmsfera y en la produccin de las clulas fotovoltaicas.

Figura 5: Espectro electromagntico.

9 Radiacin en la superficie de la Tierra

Al atravesar la atmsfera la radiacin incidente se ve afectada por varios fenmenos

de reflexin y atenuacin debido a la interaccin con la materia. La parte

correspondiente a la radiacin difusa (resultado de la dispersin por las molculas de

vapor de agua, aire y partculas de polvo) se estudiar en otro apartado ms adelante

junto con el mtodo ms apropiado para tratarla. En cuanto a la absorcin, en la franja

del ultravioleta y visible se debe principalmente al ozono mientras que la del

infrarrojo la realiza principalmente el vapor de agua.

La ley bsica de atenuacin es la propuesta por Beer o Lambert, con carcter

monocromtico y que por lo tanto debera aplicarse a cada longitud de onda por

separado y no a todo el espectro en su conjunto. Esta ley establece que:

Donde Go,n, es la irradiancia en la direccin normal de entrada, GL,n, es la irradiancia

de salida de un medio de espesor L y densidad y K(,s) la constante de atenuacin caracterstica. Si el medio es homogneo k slo depende de as que se puede sacar de la integral quedando:

9 Componentes de la radiacin Solar en la superficie de la Tierra La irradiancia se puede separar en tres componentes: directa (B), difusa (D) y albedo

(R), la suma de las tres constituye la radiacin global (G).

1. Directa (B): Constituye la parte de la energa luminosa del Sol que llega

directamente desde l en lnea recta. Procede desde una posicin casi puntual

del cielo, lo que unido a la direccionalidad de su propagacin hace que sea

muy sensible a la orientacin del mdulo. En condiciones normales es la ms

( ) =L

dsssk

nnL eGG 0)(,

,,0,,

( )dssk L0

)(

intensa aunque como es proporcional a la transparencia de la atmsfera puede

llegar a anularse si el cielo est muy cubierto.

2. Difusa (D): La radiacin difusa proviene de la dispersin atmosfrica de la

radiacin solar. Principalmente existen dos modelos: el de Rayleigh (que

supone que la dispersin se reparte por igual entre la que vuelve al espacio y

la que va hacia el suelo) y el de Mie. Esta segunda teora describe el efecto de

los aerosoles (partculas de varios tamaos pero siempre mayor que el de las

molculas de aire) que actan dirigiendo una proporcin de radiacin mayor

hacia el suelo, generando un haz difuso de la misma direccin que la radiacin

Solar directa que se denomina radiacin difusa circunsolar. En la Tierra esta

radiacin se ve como procedente de la corona Solar. A medida que las

partculas son mayores, este efecto se acenta. En general dependiendo del

tipo de atmsfera una aproximacin resultar ms acertada que la otra, si hay

polvo en suspensin la parte de radiacin difusa circunsolar ser ms

importante. (Fig. 6). En cualquier caso, normalmente la radiacin difusa no es

intensa pero s extensa y es ms significativa conforme ms cubierto est el

cielo.

3. Albedo: Constituye la radiacin reflejada por el suelo y objetos circundantes.

Excepto en casos en que existan superficies blancas y lisas, como nieve, su

contribucin a la irradiacin global es pequea. Puede estimarse modelando el

suelo como una superficie horizontal infinita que refleja con igual intensidad

en todas las direcciones la radiacin difusa que le llega en una proporcin

caracterizada por su reflectividad.

En la literatura consultada existen numerosas tablas de reflectividad, a modo

de ejemplo se incluyen algunos valores caractersticos:

Tabla 1: Valores de reflectividad caractersticos.

Figura 6 :Componentes de la radiacin solar.

Suelo Reflectividad

Seco 02

Hierba hmeda 03

Desierto de arena 04

Nieve 06

Componentes de la radiacin Solar: Modelo de radiacin dispersa de Rayleigh (derecha)

Y Mie (izquierda)

0-3) Evaluacin del recurso solar

Una vez descrita esta energa solar, hay que proceder a evaluar su aplicacin en pos

de dimensionar el campo de colectores solar.

Como primera aproximacin se valorar el recurso solar mediante valores medios

mensuales, por ser ms sencillo de realizar y, aunque no incorpora efectos dinmicos

y enmascara efectos de distribucin temporal, como en general conduce a

sobredimensionado es vlido y aplicable en primer trmino.

Los pasos a seguir para evaluar el recurso solar en una zona geogrfica objeto de

estudio son los siguientes:

1. Evaluacin de la radiacin extraterrestre.

2. Obtencin de la radiacin directa y difusa sobre una superficie horizontal.

3. Evaluacin de la radiacin en superficie inclinada a partir de los valores en

superficie horizontal.

A continuacin se detallar paso a paso el proceso a seguir en cada paso, una vez

obtenida la evaluacin del recurso solar, sera el momento del dimensionado.

1) Evaluacin de la radiacin extraterrestre:

Partimos del valor representativo de la irradiacin en la zona extraterrestre de la

tierra, Gsc = 1367 W/m2, que viene a ser un valor medio.

A partir de este valor obtenemos la radiacin extraterrestre para cualquier da del ao:

)}365

*360cos(*033.01{,nGG scno +=

, siendo n el da del ao. (El 2 de Enero n = 2).

En este primer apartado obtenemos tambin tres valores que luego nos servirn como

datos:

- Declinacin (ngulo del sol respecto al plano ecuatorial al medio da solar):

)365

284*360(45.23 nsen +=

- ngulo horario de salida del sol:

cos ( ws ) = -tg * tg , siendo la latitud del empazamiento.

- Nmero de horas de sol:

15)(*2 s

hwN =

2) Obtencin de la radiacin directa y difusa sobre una superficie horizontal.

Se obtiene la radiacin media mensual con la siguiente frmula:

)**180**cos*(cos*)

365*360cos(*033.01*3600*24 sensen

wsenwnGH sssco +

+=(H medida en J/m^2*da.)

Una vez conocida la radiacin media mensual se ha de tener en cuenta la nubosidad

del emplazamiento para poder obtener la radiacin directa y difusa, se obtiene el

ndice de claridad media mensual ( TK ) del siguiente modo:

0HHKT = , los valores de H se encuentran tabulados.

Ahora ya se pueden obtener la radiacin directa ( bH ) y difusa ( dH ) media mensual:

-Para ws 81.4 y .3 TK .8 :

32 *137.2*189.4*560.3391.1( TTTd KKKHH += )

-Para ws 81.4 y .3 TK .8 :

32 *821.1*427.3*022.3311.1( TTTd KKKHH += )

Una vez obtenida la componente difusa, se calcula la directa:

db HHH = Los datos obtenidos en este apartado 2 son sobre una superficie horizontal, en el

apartado siguiente se obtendr la radiacin sobre una superficie inclinada.

3) Evaluacin de la radiacin en superficie inclinada a partir de los valores en

superficie horizontal.

En primer lugar se modela la distribucin de la componente difusa de la radiacin,

tiene un trmino isotrpico, otro circunsolar, otro del horizonte y por ltimo el

componente reflejado del suelo.

El modelo que se escoge es el modelo LJK que considera las componentes difusa y

del suelo como isotrpicas.

La radiacin en superficie inclinada se obtiene a partir de la radiacin en superficie

horizontal multiplicada por un coeficiente R :

HRHT *= Dicho coeficiente se obtiene de la aplicacin de las siguientes frmulas:

2cos1*

2cos1**)1( +++= gdbd H

HRHHR

Siendo g la reflectividad del suelo, el ngulo de inclinacin del colector y

bR :

sensenwsenw

sensenwsenwR

ss

ss

b

***180

*cos*cos

*)(**180

*cos*)cos(

++

=

Siendo sw :

)*)(cos(),*cos(min{ tgtgartgtgarws = .

As finalmente se pueden obtener ya los valores de radiacin en superficie inclinada.

2) Emplazamientos adecuados por su irradiacin solar.

Una vez descrita esta energa solar y visto como se puede evaluar su potencial, es

momento ahora de analizar los lugares geogrficos donde esta tecnologa pueda ser

viable.

2-1) Emplazamientos adecuados a nivel mundial.

Los espejos concentradores parablicos, as como los heliostatos y el receptor de torre

en la tecnologa de torre solar slo pueden concentrar la radiacin directa, no

concentran la difusa.

Por lo tanto, estas centrales termosolares slo tendrn sentido y podrn ser viables en

localizaciones muy soleadas, especialmente en regiones ridas y semiridas del

mundo, donde la poca nubosidad de estas regiones no interfiere en los valores de

radiacin directa.

Aunque en la regin tropical tengamos alta radiacin solar, la alta componente difusa

y las largas estaciones de lluvia hacen que esta zona sea menos adecuada para la

instalacin de este tipo de centrales.

Las regiones en las que estas centrales pueden ser instaladas son las siguientes:

Sur de frica, zona del desierto de Kalahari.

Pases de la cuenca del Mediterrneo (incluyendo el norte de frica, Oriente Medio

y algunos lugares del sur de Europa).

Partes de la India y Pakistn.

Partes de Brasil y Chile.

Mxico y la zona suroeste de EEUU.

Y en Australia.

Estas zonas se representan en la figura 7 y se han elegido conforme al siguiente

criterio:

-Tengan una cuota de irradiacin solar anual de al menos 1700 Kwh/m2.

-Los sitios ptimos para la instalacin son aquellos que tienen valores de irradiacin

solar anual mayores de 2700 Kwh/m2.

(Criterios tomados de [EEL99])

Figura 7: Zonas geogrficas idneas para la instalacin de centrales termosolares.

Se procede a analizar estas zonas geogrficas:

Los datos de radiacin normal directa de todos los emplazamientos se obtienen de la

base de datos siguiente:

http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/

Donde con slo introducir los datos de longitud y latitud de un emplazamiento

geogrfico podemos obtener toda clase de datos solares y atmosfricos en general en

una cuadrcula de 16x16 kilmetros, aproximacin suficiente para el estudio, as

evaluaremos conforme a los criterios anteriores si los emplazamientos son adecuados,

a la hora de instalar una central de este tipo habra que tener en cuenta tambin si hay

agua cerca para el circuito de refrigeracin, pero esto no es objeto de este captulo.

1. frica, desierto del Sahara, situacin geogrfica 23 07 Latitud Norte y 15

08 Longitud Este:

Radiacin normal directa / Modelo LJK (kWh/m2/dia) Lat 23 Lon 15 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

AnnualAverage

10 Year Average 6.40 7.48 7.50 8.27 8.48 9.42 9.37 9.03 8.34 7.85 6.98 6.47 7.97

Se observa el resultado medio anual, de 7.97 kWh/m^2 dia, para poder

compararlo con los requisitos impuestos no hay ms que multiplicar por 365 das

obtenindose una irradiacin solar anual de 2909 Kwh/m2, mayor que los 1700

Kwh/m2 requeridos, y mayor que los 2700 Kwh/m2 , lo que hace que esta zona se

considere como ptima desde el punto de vista solar para la instalacin.

2. India, desierto del Rajasthan, situacin geogrfica 27 Latitud Norte y 73

Longitud Este:

Radiacin normal directa / Modelo LJK (kWh/m2/dia) Lat 27 Lon 73 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

AnnualAverage

10 Year Average 4.65 6.06 6.10 7.03 6.71 6.94 4.81 4.41 5.96 6.63 6.25 6.05 5.97

El resultado medio anual es de 5.97 kWh/m^2 dia, para poder compararlo con los

requisitos impuestos no hay ms que multiplicar por 365 das obtenindose una

irradiacin solar anual de 2179 Kwh/m2, mayor que los 1700 Kwh/m2

requeridos, lo que hace que esta zona se considere idnea desde el punto de vista

solar para la instalacin.

3. Chile, desierto de Atacama, situacin geogrfica 23 Latitud Sur y 68

Longitud Oeste:

Radiacin normal directa / Modelo LJK (kWh/m2/dia) Lat -23 Lon -68 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

AnnualAverage

10 Year Average 6.88 7.99 7.29 7.76 7.37 6.04 6.90 7.66 7.92 7.99 8.02 7.77 7.47




requeridos, y mayor tambin que 2700 Kwh/m2, lo que hace que esta zona se

considere ptima desde el punto de vista solar para la instalacin.

4. Mxico, gran desierto, situacin geogrfica 31 Latitud Norte y 113

Longitud Este:

Radiacin normal directa / Modelo LJK (kWh/m2/dia) Lat 31 Lon -113 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

AnnualAverage

10 Year Average 5.07 5.96 6.11 7.62 8.10 8.27 6.65 5.78 6.69 5.69 5.46 4.31 6.31




requeridos, lo que hace de esta zona una zona idnea para la instalacin.

5. Estados Unidos, desierto del Colorado, situacin geogrfica 32 Latitud Norte

y 115 Longitud Este:

Radiacin normal directa / Modelo LJK (kWh/m2/dia) Lat 32 Lon -115 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

AnnualAverage

10 Year Average 5.12 6.23 6.38 7.79 8.34 8.55 7.27 6.49 7.17 6.04 5.69 4.50 6.63





6. Australia, desierto Gran Victoria, situacin geogrfica 30.8 Latitud Sur y

121.3 Longitud Este:

Radiacin normal directa / Modelo LJK (kWh/m2/dia) Lat -31 Lon 121 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

AnnualAverage

10 Year Average 7.52 6.83 5.50 4.78 3.98 4.00 4.45 5.10 6.10 7.19 7.46 7.59 5.88





Despus de analizados estos seis emplazamientos geogrficos en el mundo y vista la

idoneidad de los seis, se procede a la bsqueda de un lugar adecuado en Espaa para

el emplazamiento.

2-1) Emplazamientos adecuados en Espaa.

Una vez se ha evaluado las zonas geogrficas a lo largo del planeta, y visto que en el

sur de Europa, y por tanto en Espaa, existen zonas idneas para su instalacin,

vamos a concretar sobre nuestro pas donde ubicar una planta de este tipo.

En base a experiencias anteriores de instalaciones solares en nuestro pas se plantean

dos opciones:

1. Desierto de Tabernas en Almera donde se sita la Plataforma Solar de

Almera.

2. Montes del Cierzo en la depresin del Ebro en Navarra donde est proyectado

un parque solar con energa trmica y fotovoltaica.

1. Desierto de Tabernas (Almera), situacin geogrfica: 3705 Latitud Norte y

2 21 Longitud Oeste.

Radiacin normal directa / Modelo LJK (kWh/m2/dia) Lat 37.05 Lon -2.21 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

AnnualAverage

10 Year Average 3.59 4.04 4.97 5.49 6.01 6.89 7.94 7.27 6.08 4.40 3.45 3.12 5.27

Se observa el resultado medio anual, de 5.27 kWh/m^2 dia, para poder

compararlo con los requisitos impuestos no hay ms que multiplicar por 365 das

obtenindose una irradiacin solar anual de 1923 Kwh/m2, mayor que los 1700

Kwh/m2 requeridos, siendo el desierto de Tabernas por tanto una zona idnea

para la instalacin de una central termosolar.

2. Montes del Cierzo, depresin del Ebro(Navarra), situacin geogrfica:

4213 Latitud Norte y 165 Longitud Oeste.

Radiacin normal directa / Modelo LJK (kWh/m2/dia) Lat 42.13 Lon -1.65 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

AnnualAverage

10 Year Average 2.39 3.06 3.75 3.91 4.47 4.92 5.94 5.43 4.77 3.26 2.39 2.24 3.88

En esta caso se observa que el resultado medio anual es menor que en el anterior,

siendo su valor de 3.88 kWh/m^2 dia, para poder compararlo con los requisitos

impuestos no hay ms que multiplicar por 365 das obtenindose una irradiacin solar

anual de 1416 Kwh/m2, menor que los 1700 Kwh/m2 requeridos.

Se concluye pues, en este caso que los Montes del Cierzo no sera una buena

ubicacin para la instalacin de una central termosolar.

Por lo tanto el estudio en este proyecto se realizar sobre la localizacin

geogrfica del desierto de Tabernas en Almera.

3) La tecnologa solar.

Una vez localizado el emplazamiento de la central es hora de dar cuerpo a la central.

Hay que ver como se da unin entre el campo solar y la central de ciclo combinado

propiamente dicha, para ello en este captulo se comenzar por analizar las distintas

opciones referentes a la tecnologa solar a emplear.

3-1) Experiencias en centrales elctricas termosolares.

Se empezar por hacer una breve introduccin en cuanto a las distintas opciones

llevadas a cabo en los aos de experiencia de operacin de estas centrales.

Las centrales termosolares para produccin de electricidad implican siempre diseos

de sistemas de concentracin que tratan de migrar a gran tamao, y en condiciones

reales de operacin, geometras que se aproximan a la del concentrador parablico

ideal. Habitualmente se usan concentradores solares por reflexin para alcanzar las

temperaturas requeridas en la operacin de los ciclos termodinmicos. Los tres

conceptos de concentracin solar ms utilizados son (ver dibujo en figura 8):

1. Concentradores cilindro-parablicos: Son concentradores de foco lineal con

seguimiento en un solo eje, concentraciones de la radiacin de 30 a 80 veces y

potencias por campo unitario de 30 a 80 MW.

2. Sistemas de torre o de receptor central: Consisten en un campo de helistatos

que siguen la posicin del Sol en todo momento (elevacin y acimut) y

orientan el rayo reflejado hacia el foco colocado en la parte superior de una

torre. Los rdenes de concentracin son de 200 a 1.000 y las potencias

unitarias de 10 a 200 MW.

3. Discos parablicos: Son pequeas unidades independientes con reflector

parablico habitualmente conectado a un motor Stirling situado en el foco.

Los niveles de concentracin son superiores (1.000-4.000) y las potencias

unitarias son de 5 a 25 kW.

Figura 8: Configuraciones ms habituales de los sistemas de concentracin solar por reflexin utilizados en las centrales termosolares.

A pesar del indudable potencial de las Tecnologas de Concentracin Solar (TCS) y

del xito operacional de las plantas SEGS en California, cuyos 354 MW suministran

desde hace 15 aos el 90% de la electricidad comercial de origen solar en el mundo,

la realidad muestra que todava no se ha conseguido el deseado despegue y que las

CET tengan aceptacin y un uso comercial amplio. Un estudio independiente

promovido por el Banco Mundial, confirma a las TCS como la forma ms econmica

de producir electricidad a gran escala a partir de la energa solar. Segn dicho estudio,

no obstante, el coste directo de capital de una CET en 2,5 a 3,5 veces el de una planta

trmica convencional y la electricidad que producen alcanza un precio de generacin

de 2 a 4 veces. En la siguiente tabla (tabla 2) se muestran las caractersticas ms

reseables de las CET:

Tabla 2: Caractersticas centrales termosolares

3-2) El campo solar.

Se pasa a describir a continuacin las opciones que hay en cuanto al campo solar se

refiere:

9 Colectores cilindro-parablicos

[MRAL01] Se constituyen por grupos de 400-500 m de longitud situados en paralelo

formando filas (fig. 9), con una orientacin norte-sur y realizan un seguimiento solar

este-oeste. El fluido de transferencia trmica discurre por una tubera situada en el

punto focal de los colectores.

El colector consiste en un espejo cilindro-parablico o disco-parablico que refleja la

radiacin solar recibida sobre un tubo de vidrio dispuesto a lo largo de la lnea focal

del espejo o su foco respectivamente, en cuyo interior se encuentra la superficie

absorbente en contacto con el fluido portador del calor (fig. 10). Este fluido es

calentado y bombeado a travs de una serie de intercambiadores de calor para

producir vapor sobrecalentado que alimenta una turbina convencional y genera as

energa elctrica.

[ROCA01] De las tres tecnologas actuales (Receptor Central, Colectores Cilindro

Parablicos y los Discos Stirlings), las plantas con colectores cilindro parablicos

(CCP) son las que cuentan actualmente con una mayor experiencia comercial. Las

nueve plantas SEGS (Solar Electricity Generating Systems) actualmente en operacin

en California, con sus ms de 2,5 millones de metros cuadrados de CCP, son el mejor

ejemplo del estado del arte de esta tecnologa. Con una capacidad de produccin en

rgimen comercial de 354 MWe, las plantas SEGS han acumulado una gran

experiencia en el diseo e implementacin de este tipo de CET [6]. La Tabla 3

contiene un listado de las plantas termosolares con CCP, tanto experimentales como

comerciales, que han sido implementadas en el mundo desde la dcada de los 80.

Figura 9: Fila de colectores cilindro-parablicos Figura 10: Funcionamiento

En la siguiente tabla se muestran las plantas de colectores cilindro-parablicos en el

mundo:

Tabla 3: Plantas de colectores cilindro-parablicos en el mundo.

Aunque a la vista de la tabla anterior se pueda pensar que el nico fluido caloportador

que se puede usar es el aceite, esto no es as, el agua-vapor es muy usado tambin.

En siguientes captulos se analizarn ambos fluidos con mayor detalle.

9 Tecnologa de torre solar

Los colectores de torre o centrales de colectores-reflectores de torre central consisten

en una torre central (fig 11) donde se encuentra el receptor trmico,

Figura 11: Torre central.

rodeada de una amplia superficie cubierta de grandes espejos (heliostatos, fig 12).

Los heliostatos constan de una estructura soporte y de una superficie reflectante,

asimismo, tienen incorporados unos mecanismos que permiten que la superficie

reflectante se mueva segn dos ejes de giro, de modo que pueda captar de la mejor

forma y en cada momento la radiacin solar y concentrarla en el receptor instalado en

la torre. Para mover los heliostatos, se utilizan medios electrnicos: cada espejo

recibe peridicamente las rdenes que emite un programa incorporado a un ordenador

central. El receptor tiene una serie de tubos por los que circula un fluido primario

(agua, sales fundidas, aire,..., dependiendo de la instalacin) que transmite la energa

recibida a un fluido secundario que, convertido en vapor, acciona una turbina. En

algunas instalaciones, es el propio fluido primario quien, convertido en vapor por

efecto de la radiacin solar, acciona directamente la turbina, sin necesidad del fluido

secundario. En determinadas centrales, el fluido primario transmite la energa

previamente al dispositivo de almacenamiento, y luego se sigue el ciclo

termodinmico habitual

El receptor trmico est recorrido internamente por un fluido (agua, aire, metal

liquido, sales fundidas, etc.) encargado de realizar la absorcin trmica. Existe un

posterior intercambiador-generador de vapor para continuar con el ciclo trmico

convencional.

Figura 12: Helistato.

En la siguiente tabla (tabla 4) se muestran las plantas de tecnologa de torre solar en el

mundo:

Tabla 4: Plantas de tecnologa de torre en el mundo.

9 Los sistemas disco-Stirling

Los discos parablicos han evolucionado tanto en EEUU como en Europa hacia la

construccin de unidades autnomas conectadas a motores Stirling situados en el

foco.

Los sistemas disco-Stirling han demostrado la mayor eficiencia de conversin de

radiacin solar en energa elctrica con valores mximos del 30 % y hasta un 25 % de

promedio diario en unidades de 7 a 25 kW.

Debido a la curvatura parablica del concentrador y a la baja relacin distancia

focal/dimetro (f/D =0,6), se pueden conseguir altas relaciones de concentracin por

encima de 3.000. Esto permite alcanzar muy altas temperaturas de operacin entre

650 y 800 C, dando lugar a eficiencias en el motor Stirling del orden del 30 al 40 %.

La superficie cncava del concentrador est cubierta por espejos de vidrio de segunda

superficie con su correspondiente curvatura parablica o bien por espejos delgados o

polmeros metalizados de primera superficie soportados sobre una estructura de fibra

de vidrio o de membrana pensionada (fig. 13). Los receptores para sistemas

disco/Stirling son de tipo cavidad, con una pequea apertura y su correspondiente

sistema de aislamiento. Habitualmente, se usan dos mtodos para la transferencia de

la radiacin solar al gas de trabajo:

a) Iluminar directamente un panel de tubos por el interior de los cuales circula

un gas que suele ser helio, hidrgeno o aire.

b) El concepto de tubo de calor o heat pipe, vaporizndose un metal lquido

(normalmente sodio) que luego condensa en la superficie de los tubos por los que

circula el gas de trabajo y refluye nuevamente al absorbedor.

Figura 13: Configuracin tpica de disco-Stirling

Hasta aqu se ha generalizado para cualquier central termosolar, a partir de aqu se

centrar el proyecto en estudiar una planta solar de alta temperatura en una central de

ciclo combinado.

4) La central de ciclo combinado

4-1) Introduccin

Una central de ciclo combinado consiste bsicamente en una turbina de gas conectada

a un generador, una caldera recuperadora de calor y un grupo turbina de vapor

conectado con otro generador, formando un sistema que permite producir

electricidad.

El proceso de generacin de energa elctrica en una central de ciclo combinado

comienza con la aspiracin de aire desde el exterior siendo conducido al compresor

de la turbina a gas a travs de un filtro que quita las partculas que lleva el aire, ya que

podran ser dainas a altas velocidades en los labes de la turbina. En la aspiracin de

aire tambin se puede introducir, siendo muy conveniente en localizaciones secas y

con altas temperaturas medias como es el caso de estudio, un intercambiador

(evaporative cooler) aire-agua que enfra el aire mejorando la eficiencia del proceso.

El aire es comprimido en el compresor, para ser a continuacin combinado con el

combustible (Gas Natural) en una cmara donde se realiza la combustin, cmara de

combustin.

El resultado es un flujo de gases calientes que al expandirse hacen girar la turbina de

gas proporcionando energa mecnica. El generador acoplado a la turbina de gas

transforma esta energa mecnica en energa elctrica.

Los gases de escape que salen de la turbina de gas pasan a la caldera recuperadora de

calor. En esta caldera se extrae la mayor parte del calor an disponible en los gases de

escape y se transmiten al ciclo agua-vapor, antes de pasar a la atmsfera.

La caldera de recuperacin se divide en tres reas de intercambio de calor:

rea 1: Se denomina economizador y est ubicado en la parte superior de la caldera.

El agua a alta presin ingresa al economizador para ser recalentada hasta el punto de

saturacin.

rea 2: Se denomina evaporador y est ubicado en la zona intermedia de la caldera.

Es donde se produce el cambio de fase.

rea 3: Se denomina sobrecalentador y est ubicado en la parte inferior de la caldera,

zona donde la temperatura es ms alta, ya que est cerca de la salida de la turbina de

gas. Aqu el vapor saturado es sobrecalentado.

Posteriormente este vapor sobrecalentado es inyectado en la turbina de vapor donde

se expande en los labes haciendo girar el eje de esta turbina generando energa

mecnica que es transformada en energa elctrica en el generador acoplado a la

turbina de vapor.

Esta turbina de vapor suele constar de varios cuerpos, a los cuales entra el vapor

dependiendo de su presin, tpicamente son tres, cuerpo de alta, media y baja presin

de la turbina de vapor.

El vapor que sale del ltimo cuerpo de la turbina de vapor, cuerpo de baja presin,

pasa a un condensador donde se condensa, vuelve a su estado lquido. Este

condensador se refrigera mediante un sistema que inyecta agua fra por la superficie

del condensador, lo que ocasiona la disipacin del calor latente contenido en el vapor.

La inyeccin de agua se puede hacer en circuito abierto o cerrado, abierto cuando

hacemos pasar por el condensador el agua de un ro o mar y una vez que pasa por el

condensador volvemos a echarla al ro o mar, cerrado cuando esta agua una vez que

pasa por el condensador lo volvemos a enfriar en otra parte del ciclo para a

continuacin volverlo a llevar al condensador.

Posteriormente el agua pasa a un desgasificador, tambin llamado tanque de agua de

alimentacin, donde se eliminan todos los gases no condensables. El tanque enva, a

travs de bombas, el agua a alta presin hacia la chimenea recuperadora de calor para

iniciar nuevamente el ciclo.

El equipamiento que incluye las centrales de ciclo combinado es el siguiente:

- Una o varias turbinas de gas, que representa tpicamente unos 2/3 de la generacin

total de la planta.

-Una o varias turbinas de vapor, que representa tpicamente aproximadamente 1/3 de

la generacin total de la planta.

-Una o varias calderas recuperadoras de calor, HRSG. Este equipo realiza la

evaporacin del agua, para inyectarla en forma de vapor en la turbina de vapor. Debe

haber tantos HRSG como turbinas de gas.

-Estacin medidora y reductora de la presin del gas natural, ms la tubera de la

central.

-Sistema de control basado en microprocesadores para la central.

-Estanque de almacenamiento para el combustible de respaldo (petrleo diesel).

-Sistema de refrigeracin si es que la zona donde se instalar la planta no cuenta con

sistemas de refrigeracin naturales (agua de mar, pozos profundos, etc.).

Una vez conocida en qu consiste una central de ciclo combinado, la pregunta que

toca responder es dnde entra en juego el aporte solar, cmo suministrar esta energa

a la central.

4-2) El aporte solar

Para decidir dnde colocar el aporte solar en el ciclo hay que estudiar

simultneamente el problema de la eleccin de la tecnologa solar adecuada puesto

que se han de ver las temperaturas alcanzadas y las presiones de acuerdo a establecer

la mejor opcin ya que las temperaturas alcanzadas en el fluido caloportador con

colectores cilindro-parablicos son mucho menores que las alcanzadas con receptor

central de torre, por lo que con un campo de colectores cilindro-parablicos el aporte

se ve limitado a su inclusin en el ciclo de Rankine, en el de la turbina de vapor,

mientras que las temperaturas alcanzadas con el receptor de torre podran permitir

incluso introducir el aporte solar en el ciclo Brayton, ciclo de la turbina de gas.

[XGCA01] Se analizan previamente las experiencias tomadas de distintas plantas

termosolares:

1. Con colectores cilindro-parablicos se plantearon tres alternativas en las plantas

SEGS construidas por la empresa LUZ en California, estas plantas eran centrales

trmicas convencionales, slo con ciclo Rankine de turbina de vapor , no eran de

ciclo combinado:

a) Sobrecalentador de gas natural, el fluido caloportador es calentado por la

accin solar y por medio de un intercambiador de calor, generador de vapor,

transmite su calor al agua pasando a fase vapor para ser posteriormente

sobrecalentado por medio de gas natural.

Figura 14: Sobrecalentador de gas natural

b) Caldera fsil en paralelo con sistema solar, el sistema solar lleva acoplado en

paralelo/serie una caldera de combustible fsil, capaz de suplementar y

sustituir el aporte solar.

Figura 15: Caldera fsil en paralelo con sistema solar

c) Calentador fsil de aceite, en este caso la nica interfase entre el ciclo de

potencia y las fuentes trmicas son los intercambiadores de calor aceite

caloportador/agua. En paralelo con el campo de colectores cilindro-

parablicos se dispone de un calentador fsil de aceite que suplementa el

aporte solar cuando ste est por debajo del punto de diseo.

Figura 16: Calentador fsil de aceite.

9 Conclusin sobre la experiencia en colectores cilindro-parablicos

Se consideran dos hechos relevantes, en primer lugar la temperatura mxima

alcanzada en un campo de colectores cilindro-parablicos de la que tengo dato es de

391 C en la planta SEG IX en 1991, con aceite como fluido caloportador.

Al cambiar el fluido caloportador por agua, debido al mayor calor especfico de sta

(vapor), la temperatura que se alcanza con el mismo aporte de calor es menor, del

orden de los 350 C.

Con esta temperatura a la entrada de colectores se analizar donde se puede colocar el

aporte solar.

2. Con receptor central de torre, se procede a evaluar las distintas experiencias dadas

en centrales termosolares con receptor central de torre hasta la fecha.

a) Uso de aire como fluido caloportador, en Israel mediante tecnologa de

receptor volumtrico cerrado, con una matriz cermica y una cubierta de

cuarzo, se emplea como fluido de trabajo aire a presin, el cual se calienta a

temperaturas del orden de los 1400 C. El hecho de emplear aire a presin

presenta ventajas desde el punto de vista de su mayor densidad y menor

trabajo de bombeo, pero, adems permite usarlo como fluido de trabajo de una

turbina de gas en una central de ciclo combinado, junto con una caldera en el

punto de salida del aire caliente del receptor donde se de el aporte calorfico

necesario en condiciones de poca insolacin.

Con tecnologa de receptor volumtrico abierto trabajando con aire

ambiente, aira a presin ambiente se introduce en un receptor volumtrico

cermico o metlico para ser calentado a unos 700 C, posteriormente

mediante hibridacin con combustible fsil, gas natural, se calienta hasta los

1300-1400 C de entrada a la turbina de gas.

b) Uso de agua como fluido caloportador, es la opcin empleada en un estudio

realizado por Sevillana de Electricidad para Egipto, el agua llega de la caldera

recuperadora al receptor donde recibe el aporte solar y pasa a estado vapor,

siendo este flujo incluido en el sobrecalentador y aadido al flujo evaporado

proveniente de la salida de la turbina de vapor.

9 Conclusin sobre receptor de torre

Existen dos problema fundamentales al trabajar con aire en receptores volumtricos,

el primero es la poca experiencia con esta tecnologa y la segunda es el pequeo

volumen que se puede calentar a esa temperatura.

Por lo tanto la opcin ms interesante es la del aporte solar en la caldera de

recuperacin.

Una vez expuestas las diferentes opciones para aportar la energa calorfica solar en la

central de ciclo combinado la opcin que parece ms interesante es colocar el aporte

solar en la caldera de recuperacin, habr que analizar en que parte de la caldera y ver

qu campo solar merece ms la pena colocar, torre solar o colectores cilindro-

parablicos.

4-2) Anlisis del aporte solar en la caldera de recuperacin

La caldera de recuperacin de calor del ciclo combinado (figura 17) se puede

considerar en conjunto como un intercambiador de calor donde por una parte entran

los gases salientes de la turbina de gas y por otra el agua de alimentacin.

El agua, por efecto de conduccin trmica se calienta hasta que pasa a fase gaseosa

(vapor) a una determinada temperatura y sale de la caldera para alimentar a la turbina

de vapor y los gases salen a una temperatura mucho menor por la chimenea hacia el

exterior.

La caldera de recuperacin se puede dividir en varias partes, citadas en orden de

entrada a salida del agua:

a) Economizador, el agua ingresa al economizador donde es recalentada hasta el

punto de saturacin.

b) Evaporador, es en esta zona donde se da el cambio de fase del agua de fase

lquida a fase gaseosa.

c) Desaireador, el desaireador es donde se lleva el vapor producido en el

evaporador y a su vez de donde se extrae el agua introducida desde el

economizador para llevarla al evaporador que es donde se convertir en vapor

volviendo nuevamente al desaireador para desde aqu ser conducida al

sobrecalentador.

d) Sobrecalentador, el agua en fase gaseosa (vapor) es recalentada hasta la

temperatura deseada.

Desaireador

Economizador

Evaporador

Sobrecalent.

T. gas Turbina vapor

Generadores Interc. mezcla

Condensador Bomba 1 Bomba 2

Figura 17: Esquema caldera recuperacin en ciclo combinado

Hay tres parmetros de la caldera de recuperacin que regulan su funcionamiento y

por tanto las temperaturas en cada punto de la caldera y el gasto msico del vapor,

una vez conocidos tambin los datos del ciclo de gas en cuanto a su gasto msico y la

temperatura de entrada del gas a la caldera de recuperacin.

Dichos parmetros son los siguientes (ver figura 18):

Acercamiento en el economizador, es la diferencia mnima de temperaturas que puede

haber entre el agua en la salida del economizador y el agua en la entrada del

evaporador de tal modo que se evite la evaporacin en el economizador.

Punto de estriccin (pinch point), es la diferencia mnima de temperatura entre el aire

a la salida del economizador y el agua a la entrada de dicho economizador.

Acercamiento al sobrecalentador, es la diferencia mnima de temperatura entre el aire

a la entrada del sobrecalentador y el agua a la salida del mismo.

Sobrecalentador Evaporador Economizador

Figura 18: Restricciones en la caldera.

Despus de esta breve introduccin sobre la caldera de recuperacin de calor se pasa

a centrarse en la caldera de recuperacin del ciclo combinado del proyecto conforme

a elegir la adecuada tecnologa solar y el adecuado lugar para el aporte trmico de

dicha energa.

La principal diferencia entre esta caldera y la descrita en la introduccin es que sta

es de un ciclo combinado de presin triple y por lo tanto se necesitan como mnimo

tres evaporadores, tres economizadores, tres sobrecalentadotes y tres desaireadotes,

uno de cada para los circuitos de baja, media y alta presin, pasando luego desde cada

circuito directamente el vapor al cuerpo de la turbina de vapor de baja, media o alta.

En todos los casos donde haya expansiones en turbina se considerarn estas como

ideales, con un rendimiento del 100%, se hace de este modo ya que es prximo a la

realidad y simplifica los clculos.

Se valorarn dos aspectos fundamentalmente a la hora de elegir entre las diversas

opciones que se planteen, tanto a nivel de tecnologa como a nivel de los distintos

puntos donde se puede dar el aporte solar dentro de una misma tecnologa, estos

aspectos son:

-El aumento de potencia que se puede dar en la central funcionando a plena carga,

entendiendo por esto que la turbina de gas est al 100% de potencia y por tanto los

gases de escape tienen las mayores condiciones trmicas, en condiciones de diseo,

cuando se tiene la mxima calidad del aporte solar. Esta opcin sin embargo no es la

mejor desde el punto de vista econmico puesto que el aumento de potencia

conllevara tener que colocar turbinas de vapor mayores, que implicaran una mayor

inversin que no sera lgica, puesto que se slo se aprovecharan al mximo durante

unas pocas horas al ao.

-El ahorro econmico debido al ahorro de combustible que se produce para generar la

misma potencia con el aporte solar, que la que tendramos con la central trabajando al

100 % sin aporte solar; es decir, la turbina de gas trabaja por debajo del 100% de su

potencia mxima, con el ahorro de gas derivado de ello, lo que repercute en la menor

energa de los gases de escape y por tanto en la menor potencia de la turbina de vapor,

de no ser por el suplemento adicional del aporte solar que puede equilibrar esta

disminucin hasta hacer que se genere la misma potencia que sin el aporte.

Se comenzar por analizar el punto adecuado para el aporte solar considerando una

tecnologa de campo solar con colectores cilindro-parablicos.

Con la tecnologa de colectores cilindro-parablicos

La mxima temperatura a la cual podemos elevar el fluido caloportador es del orden

de los 350-390C, dependiendo del fluido caloportador que se elija, esto condicionar

los puntos dentro de la caldera de recuperacin donde sea posible introducir el aporte

solar y condiciona el segundo criterio de eleccin, puesto que no es posible que la

turbina de vapor siga operativa con el aporte solar a esta temperatura si la turbina de

gas disminuye su potencia, y con ello la energa de sus gases de escape, por lo tanto

en este caso se analizar simplemente el aumento de potencia que se podra

conseguir.

A continuacin se muestra (fig. 19) la caldera de recuperacin real con la que se

trabajar en el estudio del proyecto con todas sus temperaturas y presiones

caractersticas en sus puntos relevantes, vemos que hay tres salidas de vapor, de baja,

media y alta presin hacia los respectivos cuerpos de baja, media y alta presin de la

turbina de vapor.

A partir de este esquema se analizan las opciones posibles.

Figura 19: Caldera recuperacin.

a) Fluido caloportador: AGUA.

El agua circula a presin por el tubo de vidrio dispuesto en la lnea focal del espejo

cilindro-parablico para evitar el cambio de fase con las consiguientes prdidas

debidas a la evaporacin del vapor disminuyendo la capacidad de recibir la

irradiacin solar por parte del colector, y la consiguiente prdida de la posibilidad de

seguir aumentando su temperatura ya que el cambio de fase se realiza a temperatura

constante.

Para este fluido caloportador, la temperatura a la cual lo elevamos es de 350C.

Se consideran tres presiones distintas de trabajo, coincidentes con la baja (4 bar),

media (20 bar) y alta presin (65.7 bar) del ciclo de tal modo que podamos

determinar los puntos dentro de la caldera donde se puede aportar la energa solar.

En la siguiente figura (Figura 20) se muestran los flujos circulantes por la central de

ciclo combinado considerada para el estudio.

Figura 20: Esquema ciclo combinado

A) P = 4 bar, T = 350 C

Para estas condiciones se tiene vapor sobrecalentado con una entalpa de

h = 3170.1 kJ/kg

Dentro del ciclo de baja presin vemos los puntos donde este aporte de vapor se

puede hacer.

El mejor punto es en la inyeccin a turbina de vapor de baja presin, donde el vapor

de baja presin, que proviene del agua de alimentacin del condensador, despus de

pasar por el evaporador donde cambia de fase y por el sobrecalentador es tambin

vapor sobrecalentado (fig.21).

Figura 21: Esquema aporte solar mediante colectores cilindro-parablicos con agua-vapor como fluido caloportador en circuito de baja

Se tendra un punto de mezcla entre ambos vapores:

Vapor del aporte solar (1): Vapor de baja (2):

P1 = 4 bar P2 = 4 bar

T1= 350 C T2 = 242.15 C

h1 = 3170.1 kJ/kg h2 = 2947.92 kJ/kg

m& 1=75.83 kg/s m& 2= 7.41 kg/s

El flujo msico del aporte solar es el elegido para condiciones de diseo del

campo solar, para tener un porcentaje de energa solar en torno al 20%.

Las condiciones del punto de mezcla, punto 3, salen de simples equilibrios msicos y

energticos:

-Equilibrio msico: m& 1 + m& 2 = m& 3

-Equilibrio energtico: m& 1* h1 + m& 2 * h2= m& 3* h3

Donde del primer equilibrio se obtiene fcilmente el gasto msico de mezcla que se

inyectar en la turbina de baja y del segundo la entalpa de este gasto msico de

mezcla:

m& 3 = 83.25 kg/s h3 = 3150.31 kJ/kg

Las condiciones idneas del vapor de vuelta al campo solar seran condiciones de

vapor sobrecalentado con una temperatura prxima a la de saturacin a 4 bar, en

torno a los 143.63 C de modo que desde esta temperatura hasta los 350 C estuvieses

en condiciones de vapor sobrecalentado utilizando la energa solar aportada para

elevar la temperatura y no para el cambio de fase. Las condiciones de salida son las

siguientes:

hsalidaaporte = 2800 kJ/kg

Este flujo de vuelta al campo solar vendra de una extraccin en la turbina de baja a la

temperatura deseada, temperatura de 162 C, no importa la presin de la extraccin ya

que en el camino al campo solar se elevara esta por medios mecnicos.

El flujo de mezcla entre el aporte solar y el vapor de baja se mezcla a su vez con la

salida del cuerpo de media presin de la turbina en un nuevo punto de mezcla anterior

a la entrada en el cuerpo de baja como se puede observar en la figura 21.

Las condiciones de este nuevo vapor se calculan con un nuevo balance msico y

energtico entre los dos flujos:

Mezcla con aporte solar (3): Vapor de salida de media presin (4):

P3 = 4 bar P4 = 4 bar

h3 = 3150.31 kJ/kg h4 = 3091.8 kJ/kg

m& 3=83.25 kg/s m& 4= 100.28 kg/s

De ambos balances se obtienen las condiciones del flujo de entrada al cuerpo de baja

de la turbina (5):

m& 5 = 183.53 kg/s h5 = 3118.34 kJ/kg

Del mismo modo se obtiene las condiciones de este mismo flujo de entrada a la

turbina de baja sin aporte solar:

m& 5 = 107.7 kg/s h5 = 3081.89 kJ/kg

La salida del resto del vapor queda marcada por la presin del condensador:

Pcondensador = 0.01 bar

hcondensador = 2514.42 kJ/kg

La potencia que se obtiene con el aporte solar respecto a no tenerlo se puede

cuantificar del siguiente modo:

Potencia trmica de la turbina de vapor de baja presin sin aporte solar:

m& 5 * h5- m& 5* hcondensador = 61.11 MW.

Potencia trmica de la turbina de vapor de baja presin con aporte solar:

m& 5* h5 - m& 2 * hcondensador - m& 1* hsalidaaporte = 89.18 MW

Lo que, porcentualmente, da un aumento de potencia trmica del 45.92 %.

El campo solar a dimensionar para esta opcin ha de aportar un flujo msico de:

m& = 75.83 kg/s

Y una potencia trmica de:

Pot = m& * (h3 - hsalidaaporte) = 28.06 MW trmicos tericos.

Esta potencia es ideal, terica, para calcular la real hay que aplicar el rendimiento del

campo solar.

B) P = 20 bar, T = 350 C.

Para estas condiciones se tiene vapor sobrecalentado con una entalpa de

h = 3137 kJ/kg.

Dentro del ciclo de media presin vemos los puntos donde este aporte de vapor se

puede hacer.

El mejor punto es a la salida del sobrecalentador de media presin, antes del punto de

mezcla con el flujo saliente del cuerpo de alta presin de la turbina de vapor, a partir

de este punto esta nueva mezcla se dirige al recalentador donde es recalentado hasta

los 565 C para posteriormente llevarlo al cuerpo de media presin de la turbina de

vapor (fig. 22).

Figura 22: Esquema aporte solar mediante colectores cilindro-parablicos con agua-vapor como fluido

caloportador en circuito de media

Vapor del aporte solar (6): Vapor de media (7):

P6 = 20 bar P7 = 20 bar

T6= 350 C T7 = 293.05 C

h6 = 3137 kJ/kg h7 = 3006.68 kJ/kg

m& 6= 75.83 kg/s m& 7= 7.32 kg/s

Se tiene tambin un punto de mezcla (8) entre ambos flujos que se resuelve de modo

anlogo al del apartado anterior con simples equilibrios msico y energtico,

obtenindose h8 y m& 8.

h8 = 3125.53 kJ/kg m& 8 = 83.15 kg

Esta mezcla se junta con el flujo saliente del cuerpo de alta presin y se recalienta,

cuando entra al cuerpo de media presin sus condiciones son las siguientes:

Con aporte Sin aporte

h9 = 3612.225 kJ/kg h9 = 3612.225 kJ/kg

m& 9= 176.11 kg/s m& 9= 100.28 kg/s

(A la entrada del cuerpo de media tanto con aporte como sin aporte las condiciones

son las mismas ya que el recalentamiento se efecta hasta los 565C a la presin de

media con lo que la entalpa queda fijada)

Las condiciones a la salida del cuerpo de media presin son las siguientes:

P = 4 bar hsalidamedia = 3091.8 kJ/kg

Las condiciones idneas del vapor de vuelta al campo solar seran condiciones de

vapor sobrecalentado y con una temperatura aproximada a la de saturacin a 20 bar,

en torno a los 212.42 C, de modo que desde esta temperatura hasta los 350 C se

estuviese en condiciones de vapor sobrecalentado utilizando la energa solar aportada

para elevar la temperatura y no para el cambio de fase.

Impuestas estas condiciones para este flujo de vuelta al campo solar se comprueba

que ha de venir de una extraccin en la turbina de baja puesto que para en la salida de

media de la turbina la temperatura es mayor y se puede seguir aprovechando el aporte

con su expansin en la de baja.

Por tanto para analizar el aumento de potencia se tiene en cuenta el efecto del aporte

solar sobre el cuerpo de baja presin de la turbina de vapor.

Se obtiene la potencia sin aporte solar y con el aporte solar en el cuerpo de media

presin.

Potencia trmica de la turbina de vapor de media presin sin aporte solar:

m& 9* h9 - m& 9*hsalidamedia = 52.18 MW.

Potencia trmica de la turbina de vapor de media presin con aporte solar:

m& 9* h9 - m& 9*hsalidamedia = 91.65 MW

Se procede a calcular las potencias en el cuerpo de baja teniendo en cuenta que la

extraccin del aporte solar estar a las siguientes condiciones:

h salidaporte = 2967 kJ/kg

A una temperatura de 237 C saldr el aporte solar de la turbina de baja.

Potencia trmica de la turbina de vapor de baja presin sin aporte solar:

m& 5 * h5- m& 5* hcondensador = 61.11 MW.

Potencia trmica de la turbina de vapor de baja presin con aporte solar:

m& 5* h5 - m& 2 * hcondensador - m& 1* hsalidaaporte = 76.51 MW

Se calculan los totales de la potencia con aporte solar y sin aporte solar:

Potencia sin aporte solar = 113.29 MW.

Potencia con aporte solar = 168.16 MW.

Lo que significa un aumento porcentual del 48.43%.

El campo solar a dimensionar para esta opcin ha de aportar un flujo msico de:

m& = 75.83 kg/s

Y una potencia trmica de:

Pot = m& * (h6 - hsalidaaporte) = 15.4 MW trmicos tericos.

Esta potencia es ideal, terica, para calcular la real hay que aplicar el rendimiento del

campo solar.

C) P = 65.7 bar, T = 350 C.

Para estas condiciones se tiene vapor sobrecalentado con una entalpa de h = 3027.61

kJ/kg

Dentro del ciclo de alta presin vemos los puntos donde este aporte de vapor se puede

hacer.

Todos los puntos en la zona de alta presin tienen temperaturas mayores a la del

aporte, con lo cual no tiene sentido aportar calor en esta zona de la caldera de

recuperacin.

9 Conclusin con fluido caloportador: AGUA.

A la vista de los resultados obtenidos, la mejor opcin es colocar el aporte solar justo

despus del sobrecalentador de media presin, antes del punto de mezcla con el flujo

saliente del cuerpo de alta presin de la turbina de vapor, a partir de este punto esta

nueva mezcla se dirige al recalentador donde es recalentado hasta los 565 C para

posteriormente llevarlo al cuerpo de media presin de la turbina de vapor, puesto que

aunque se consigue un aumento porcentual similar de la potencia en la turbina se

consigue esto con un campo solar mucho menor, con menor potencia solar instalada,

y por tanto con un menor coste.

b) Fluido caloportador: ACEITE TRMICO.

Con aceite trmico como fluido caloportador la temperatura que se puede llegar a

obtener es de 390C, mayor que con agua, el principal inconveniente es que se

necesita un intercambiador de calor adicional e

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