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Estudio de las Diferentes Tipologas de Receptores Volumtricos en Centrales Termosolares

UNIVERSIDAD DE SEVILLA

Estudio de las Diferentes Tipologas de Receptores

Volumtricos en Centrales Termosolares

Proyecto Fin de Carrera

Autor: David Gonzlez Fuentes

Director: Dr. Jos Julio Guerra Macho

Estudio de las Diferentes Tipologas de Receptores Volumtricos en Centrales Termosolares.

2 David Gonzlez Fuentes



A mis padres por su confianza y nimos constantes durante todos estos aos, a mi hermano

por su actitud, a mi novia por su apoyo y sacrificio y a mis compaeros que me hicieron estos

aos ms gratos.



Resumen

Este proyecto se divide en cuatro apartados. En el primero se recogen numerosos artculos

cientficos que permiten comprobar el estado del arte actual en los receptores volumtricos.

En el siguiente apartado, se muestra la diversidad de centrales termosolares que existen en

la actualidad, describiendo sus principales caractersticas y sus elementos constituyentes. Se

contina realizando una comparacin de estas tecnologas y se concluye con una

recopilacin de las plantas operativas agrupadas por pases.

En el tercer apartado, el proyecto se centra en el receptor volumtrico indicando sus

principios operativos, sus elementos y su clasificacin. Adems, se incluye un apartado con

los materiales constructivos ms empleados y los problemas no resueltos que presenta sta

tecnologa.

En el ltimo apartado se muestran unas conclusiones obtenidas tras la finalizacin del

proyecto.



ndice

Resumen ............................................................................................................................. 4

ndice .................................................................................................................................. 6

ndice de Figuras .................................................................................................................. 8

ndice de tablas ................................................................................................................... 9

Glosario............................................................................................................................. 10

1. Introduccin............................................................................................................... 12

1.1. Introduccin ................................................................................................................ 12

1.2. Estado del Arte ............................................................................................................ 12

1.2.1. Simulaciones y Experimentos en Receptores Solares ......................................... 13

1.2.2. Revisiones de la Tecnologa Actual. .................................................................... 17

1.2.3. Actividades de Investigacin. .............................................................................. 18

1.2.4. Software para el Anlisis y la Optimizacin de Instalaciones. ............................ 24

1.3. Organizacin y Contenido ........................................................................................... 26

2. Centrales Termosolares .............................................................................................. 28

2.1. Concepto ..................................................................................................................... 28

2.2. Fundamentos .............................................................................................................. 28

2.2.1. El medio ambiente .............................................................................................. 28

2.2.2. Economa ............................................................................................................. 29

2.2.3. Requisitos ............................................................................................................ 29

2.3. Funcionamiento .......................................................................................................... 30

2.4. Clasificacin de CTS ..................................................................................................... 31

2.4.1. Centrales de Concentrador Cilindro Parablico .................................................. 32

2.4.2. Central de Concentrador Lineal Fresnel .............................................................. 36

2.4.3. Centrales de Disco Parablico con Motor Stirling ............................................... 39

2.4.4. Centrales de Torre ............................................................................................... 42

2.5. Anlisis Comparativo de las Tecnologas..................................................................... 46

2.6. Relacin de Plantas Existentes .................................................................................... 48

2.6.1. Espaa ................................................................................................................. 48

2.6.2. EE.UU. .................................................................................................................. 54

2.6.3. rea Mediterrnea y Oriente Medio................................................................... 55

2.6.4. Australia y Sudfrica. ........................................................................................... 56



3. Receptores Volumtricos ............................................................................................ 58

3.1. Introduccin ................................................................................................................ 58

3.2. Descripcin del Funcionamiento y del Proceso de Transferencia de Calor ................ 58

3.3. Clasificacin de Receptores Volumtricos .................................................................. 63

3.3.1. Receptor no presurizado con absorbedor metlico. ........................................... 64

3.3.2. Receptor no presurizado con absorbedor cermico. .......................................... 67

3.3.3. Receptor presurizado con absorbedor cermico o metlico. ............................. 72

3.4. Materiales Constructivos ............................................................................................ 79

3.5. Problemas no resueltos. .............................................................................................. 80

4. Conclusiones .............................................................................................................. 82

5. Bibliografa ................................................................................................................ 83



ndice de Figuras

Figura 1-1 Sistema de receptor volumtrico........................................................................ 16

Figura 1-2 Ciclos Brayton propuestos. ................................................................................. 20

Figura 1-3 Ciclo combinado propuesto. ............................................................................... 21

Figura 2-1 Esquema de CTS ................................................................................................ 30

Figura 2-2 Clasificacin de centrales termosolares .............................................................. 32

Figura 2-3 Centrales de concentrador cilindro parablico. ................................................... 32

Figura 2-4 Central de concentrador lineal fresnel. ............................................................... 36

Figura 2-5 Centrales de disco parablico con motor Stirling................................................. 40

Figura 2-6 Centrales de receptor central. ............................................................................ 42

Figura 2-7 Distribucin geogrfica de plantas operativas en Espaa .................................... 48

Figura 2-8 Distribucin por tecnologas de plantas operativas en Espaa ............................. 49

Figura 3-1 Mecanismos de transferencia de calor en un receptor de cavidad. ...................... 60

Figura 3-2 Estructura porosa de almina recubierta de SiC .................................................. 61

Figura 3-3 Perfil generalizado de temperaturas en el interior de un receptor volumtrico. ... 62

Figura 3-4 Comparacin de los mecanismos de intercambio de calor entre un receptor de

tubos y uno volumtrico. ................................................................................................... 62

Figura 3-5 Reactor volumtrico para el reformado de metano............................................. 63

Figura 3-6 Mdulo de absobedor metlico ......................................................................... 66

Figura 3-7 Detalle de las secciones hexagonales del receptor Phoebus-TSA. ........................ 66

Figura 3-8 Esquema del receptor cermico con recubrimiento de cristal de cuarzo. ............. 69

Figura 3-9 Esquema del HiTRec I. ........................................................................................ 70

Figura 3-10 Detalle del receptor SOLAIR 3000. .................................................................... 71

Figura 3-11 Esquema del Receptor PLVCR-500 .................................................................... 73

Figura 3-12 Esquema de la seccin de DIAPR. ..................................................................... 73

Figura 3-13 Conjunto de precalentadores sobre la etapa central. ........................................ 74

Figura 3-14 Mdulo del receptor REFOS. ............................................................................ 75

Figura 3-15 Conjunto de receptores solares SOLGATE. ........................................................ 75

Figura 3-16 Resistencia frente a temperatura de diversos materiales. ................................. 79



ndice de tablas

Tabla 2-1 Comparacin de las Tecnologas. ......................................................................... 47

Tabla 2-2 Plantas operativas en Espaa. ............................................................................. 49

Tabla 2-3 Plantas en construccin o preasignadas. .............................................................. 53

Tabla 3-1 Resumen de receptores volumtricos .................................................................. 77



Glosario FC Fluido Caloportador SRC Sistemas de Receptor Central CTS Centrales Termosolares SEM Scanning Electron Microscopy EDXS Energy Dispersive X-ray Spectrometer CRS4 Central Receiver Solar System SimulationS PSA Plataforma Solar de Almera RVP Receptor Volumtrico Presurizada NREL National Renewable Energy Laboratory



1. Introduccin

1.1. Introduccin

Las centrales termosolares estn presentes en la mayora de pases desarrollados, siendo el

consumo de electricidad y el crecimiento del sistema indicadores claves para su presencia.

Estas plantas presentan una gran dinmica y evolucin durante su vida til ya que la tecnologa

no est an lo suficientemente madura. Si particularizamos en los receptores volumtricos

vemos que incluso se acenta esta falta de experiencia, pese a que desde la unin europea y

desde los gobiernos anglosajones, se fomentan la inversin y la investigacin para que la

mejora continua del sistema sea una realidad.

Esta evolucin tan impresionante y beneficiosa para la sociedad, lleva pareja unas obligaciones

y retos tcnicos que los ingenieros estamos llamados a resolver. Queda mucho camino por

recorrer; el control de estas plantas necesita investigacin, estudiando su topologa variable y

sus posibles arquitecturas; adems se necesita una mayor planificacin a la hora de

incrementar su potencia y desarrollar mejores configuraciones que permitan su manejo de

manera ms eficiente.

El objetivo de este proyecto es la recopilacin de informacin, la clasificacin de las

tecnologas y la profundizacin en el rea de los receptores volumtricos, los cuales son

grandes candidatos para ser integrados en las plantas comerciales en un futuro.

1.2. Estado del Arte

A continuacin, se presenta una revisin de artculos cientficos en relacin con el tema

propuesto en el proyecto. Los artculos se han clasificado segn su temtica, dando lugar a

cuatro grupos:

Simulaciones y experimentos en receptores solares.

Revisiones de la tecnologa actual.

Actividades de Investigacin.

Software para el anlisis y la optimizacin de instalaciones.

En total se recopilan 29 artculos que han sido localizados mediante las plataformas de datos

Science Direct y Elsevier.



1.2.1. Simulaciones y Experimentos en Receptores Solares

Hoffschmidt et al. 2003. Artculo en el que evalan un receptor de alta temperatura (HitTRec),

que consta de un absorbedor modular de cermica, una estructura de soporte y un sistema de

aire de retorno. Se ha diseado para evitar la posible inestabilidad del flujo a 700 - 800 C de

temperatura media de salida de aire a presin atmosfrica.

El prototipo Hitrec-II fue desarrollado para resolver los problemas estructurales del primer

prototipo (Hitrec-I). Las pruebas en banco de pruebas de la Plataforma Solar de Almera (PSA)

duraron desde noviembre de 2000 hasta mayo de 2001, acumulando 150 horas de pruebas.

Los resultados demostraron la durabilidad de la modificacin de la estructura de acero

inoxidable. El flujo de entrada fue de hasta 900 kW/m2 y una temperatura media de salida de

aire de hasta 840 C con temperaturas de pico de salida de aire de hasta 950 C. La eficiencia

trmica bajo condiciones de estado estable fue de 76 + -7% a 700 C, condiciones nominales

para un receptor volumtrico de tipo PHOEBUS.

Los autores del artculo evaluaron tambin otras caractersticas como la relacin de aire de

retorno del 46% y el tiempo de respuesta caracterstico del receptor de 70 s.

Heller et al. 2006. En este artculo se describe la experimentacin y los resultados de un

primer prototipo de sistema de produccin de energa solar de turbina de gas, instalado en

2002 en el CESA-1 planta de torre en la Plataforma Solar de Almera (PSA).

Los principales objetivos del proyecto eran desarrollar un receptor solar capaz de proporcionar

aire a presin a 1000 C y resolver los problemas que surgen a partir del acoplamiento de los

receptores con una turbina de gas convencional para demostrar la operatividad del sistema.

La instalacin consiste en un campo de helistatos de la instalacin CESA-1 proporcionando la

energa solar concentrada, un receptor solar presurizado de tres mdulos de 400 kWth cada

uno que convierten la energa solar en calor, y un motor de helicptero modificado (OST3) con

un generador acoplado a la red.

La primera fase de la prueba en la PSA empez en diciembre de 2002 con el objetivo de

alcanzar un nivel de temperatura de 800 C en la entrada de aire del combustor. Este objetivo

lo consiguieron al final de esta fase de prueba en marzo de 2003, y el sistema pudo ser

operado a 230 kWe de potencia sin mayores problemas. En la segunda fase de prueba entre

junio de 2003 y agosto de 2003 el nivel de temperatura se increment a casi 1000 C. Para ello

fueron necesarios 45 heliostatos aportando una irradiancia de 770 W/M2. La eficiencia a esta

temperatura vari en torno a (70 +- 10) %.

En el documento se describe la configuracin del sistema, la eficiencia de los componentes y

las experiencias de operacin de las primeras 100 horas de funcionamiento con energa solar

de esta primera prueba de un sistema solar con turbina de gas.



Yao et al. 2009. Artculo sobre el proyecto DAHAN, de 1 MWe (sistema de receptor central),

financiado por el Ministerio de Ciencia y Tecnologa (MOST), que puede ser considerado como

un hito en el desarrollo de la energa solar trmica en China. El artculo se centra en describir la

creacin de modelos matemticos de los principales componentes bsicos de CRS y su

integracin como un modelo para la simulacin de toda la planta. El objetivo final de este

trabajo es predecir el comportamiento transitorio de las variables termodinmicas asociadas a

las perturbaciones externas y el cambio entradas operacionales.

El sistema est compuesto por un campo de helistatos, un receptor de cavidad, una turbina y

un sistema de almacenamiento trmico en aceite y agua/vapor. La radiacin solar es reflejada

desde un campo de heliostatos con seguimiento y se concentra en el receptor, el cual calienta

el agua de alimentacin hasta vapor sobrecalentado, y se enva a la entrada de la turbina

directamente o se almacenarse en el sistema de almacenamiento. El aceite se bombea desde

el tanque fro al depsito de agua caliente a travs de los intercambiadores de calor y se

calienta con vapor de agua producido por el receptor. Existe una resistencia auxiliar antes de

entrada de la turbina de vapor saturado.

El objetivo principal del diseo y la construccin de DAHAN es demostrar el funcionamiento de

las centrales solares con receptor central en China. La herramienta de software HFLD ha sido

desarrollada para el clculo del diseo y disposicin del campo de helistatos. Los resultados

de la simulacin de HFLD concuerdan muy bien con los datos de eficiencia publicados en el

campo de helistatos PS10 de Espaa. En base a esto, el diseo del campo de helistatos de

DAHAN se ha diseado utilizando HFLD y toda la planta se simula usando un modelo en

TRNSYS.

Slocum et al. 2011. Artculo cientfico en el que se presenta un sistema de produccin de

energa solar de concentracin que utiliza heliostatos sobre una ladera, concentrando la

radiacin solar en un receptor volumtrico de sales fundidas con almacenamiento integral

(NaNO3-KNO3 punto de fusin, 222C, temperatura estimada de corrosin, 593C).

La radiacin solar concentrada es absorbida por sales fundidas en el receptor a travs de una

profundidad de 4-5 m, haciendo en la medida de lo posible que el sistema sea insensible al

paso de las nubes espordicas. El volumen del receptor tambin acta como almacenamiento

trmico que elimina la necesidad de tanques de sal, de almacenamiento secundario. Una

abertura pequea y un techo abovedado cubierto de material refractario reducen las prdidas

y reflejan la radiacin trmica en el tanque. La sal caliente es bombeada desde la parte

superior del tanque a travs de un generador de vapor y luego regresa a la parte inferior del

tanque. Una placa aislante se coloca dentro del tanque para proporcionar una barrera fsica y

trmica entre las capas trmicamente estratificadas, manteniendo los volmenes de sal fra y

caliente requeridos para la operacin continua.

Utilizando el programa de NREL Solar Advisor, se estima que el sistema consiga unos costos de

produccin de la electricidad competitivos (0.07-0.33$/kWh).



Villafn-Vidales et al. 2011. Estudio numrico con el objetivo de predecir la transferencia

trmica dentro de un receptor solar volumtrico cermico de 1kW. El receptor consiste en una

cmara cilndrica horizontal que contiene una estructura porosa cermica. El frontal del equipo

es directamente irradiado mediante la concentracin de la energa solar suministrado por un

heliostato parablico de 2 metros de dimetro (85 cm de distancia focal, 120 de apertura),

con seguimiento solar. Las paredes laterales estn rodeadas de aislante y cristal semiesfrico

separa el sistema del aire ambiente.

El reactor produce hidrgeno mediante un ciclo termoqumico de dos reacciones. El modelo

es usado para predecir el comportamiento trmico del receptor bajo diferentes condiciones

operacionales como el ratio de flujo de gas inerte (N2), el flujo de incidencia solar, la

porosidad, el tamao de celda, el tamao del receptor solar volumtrico y la influencia de la

reaccin qumica. Los resultados concluyen que la mxima temperatura del receptor fue de

1440 C y que las mayores variaciones de temperatura del receptor volumtrico se dan al

aumentar el ratio de flujo de gas inerte, lgicamente disminuyendo la temperatura del

receptor.

Wu et al. 2011. Este estudio analiza de manera similar a Villafn-Vidales et al. 2011 la

distribucin de temperatura de las fases fluida y slida en receptores volumtricos de aire, si

bien no se realiza un experimento real sino una simulacin con un modelo macroscpico de

receptor cermico con forma cilndrica. La cada de presin en la espuma cermica y la

transferencia de calor entre el fluido y el slido estn incluidas en el modelo. Los estudios

fueron destinados a analizar los efectos de la velocidad, porosidad, tamao de celda y

conductividad trmica de la fase solida frente a la temperatura.

Los resultados concluyen que, partiendo de una radiacin solar de 600KW/m2

aproximadamente, el tamao de celda tiene un efecto dominante en la temperatura del

receptor.

Coelho et al. 2012. Las plantas termosolares tienen costos de electricidad reales moderados, y

en la mayora de los casos tienen problemas transitorios, debido a la alta inercia. La

hibridacin puede ayudar a resolver estos problemas y, si se hace con la integracin de la

biomasa de residuos forestales, se puede mantener el objetivo de energa "renovable", con un

impacto positivo en la reduccin de incendios forestales. Las condiciones locales, los recursos y

las tarifas tienen un gran impacto en la evaluacin econmica y tcnica de las soluciones

hbridas. Uno de los lugares ms idneos en Europa para este tipo de centrales es la regin

portuguesa del Algarve.



Debido al nivel de concepto innovador, los enfoques conservadores se consideran las mejores

soluciones. En esta perspectiva, para una inversin de capital pequea en una planta de 4

MWe de potencia, la mejor solucin tcnica y econmica es Planta de concentracin de torre

central (con receptor volumtrico)/ Planta de biomasa HVIB3S4s con estrategia de control

CS3. El resultado es un costo de electricidad de 0,146 /kWh, con una mayor eficiencia y

factor de capacidad que una planta convencional de 4 MWe. Una planta de 10 MWe

(HVIB3S10s) hbrida, podra generar electricidad con indicadores econmicos positivos (0,108

/kWh y una TIR del 11,0%), con el doble de eficiencia anual y menores costos que una planta

convencional de 4 MWe. Tambin dara lugar a una reduccin del 17% en el consumo de

biomasa (aproximadamente 12.000 toneladas por ao menos) en comparacin con una tpica

planta de energa de 10 MWe de biomasa, lo que sera importante en el caso de un aumento

constante en el precio de la biomasa.

Cui et al. 2012. En este artculo, los autores han desarrollado un modelo (Figura 1-1) ptico

tridimensional para un receptor volumtrico presurizado y simulan el proceso de propagacin

de radiacin solar dentro del receptor volumtrico presurizado, por el mtodo de Monte Carlo.

Usando las coordenadas cilndricas en las estadsticas de distribucin de energa, se reduce el

nmero de clulas en la malla computacional y por tanto, el tiempo, en comparacin con un

mallado uniforme normal.

El concentrador secundario tiene un ngulo de aceptacin de 20, 1200mm de dimetro. El

cristal de cuarzo tiene un dimetro de 620mm y un espesor de pared de 8mm. El receptor es

diseado para una temperatura de operacin de 800-1000C y una presin de 1.5 MPa.

Figura 1-1 Sistema de receptor volumtrico.



Los resultados muestran que, en las condiciones de funcionamiento dadas, el flujo de calor de

radiacin se concentra principalmente en el rea superior del absorbedor y el valor del flujo

trmico mximo es de hasta 2,73x 109Wm-3, pero disminuye rpidamente en los laterales.

En el artculo se concluye que el ngulo de incidencia y una forma relativamente estrecha de

absorbedor son tiles para reducir el flujo de calor mximo en el absorbedor. Adems, la

distribucin de energa de radiacin absorbida es ms uniforme y el mximo del flujo trmico

en el absorbedor disminuye en gran medida.

Veeraragavan et al. 2012. En este artculo se presenta un modelo de anlisis que investiga el

efecto de la prdida de calor, la concentracin solar y la altura del canal en la eficiencia del

receptor.

El modelo analtico fue formulado modelando la absorcin de la radiacin solar por las

nanopartculas en suspensin como una generacin de calor dentro del FC. La ecuacin de la

energa se resolvi modelando las prdidas de calor utilizando un coeficiente de prdidas

combinado radiante y convectivo.

Por ltimo, el modelo analtico se utiliz para estimar la eficiencia ptima y la correspondiente

longitud ptima del receptor para diferentes configuraciones de diseo con diferentes

Nusselts y flujos solares incidentes adimensionales obteniendo una eficiencia del sistema de

0.35 con una longitud adimensional de 0.86 para un valor de Nusselt igual a uno.

1.2.2. Revisiones de la Tecnologa Actual.

Garca et al. 2008. En este estudio los investigadores han tratado de obtener una visin

general de los cdigos informticos detallando sus caractersticas, fortalezas y debilidades.

Muestran que las herramientas de modelado de sistemas de receptor central (CRS) se pueden

dividir en dos categoras principales, que corresponden a dos tipos de problemas: por un lado

las dedicadas a la optimizacin del sistema: HFLCAL, UHC-RCELL y (WIN) DELSOL; y por otro

lado los diseados para el anlisis detallado de las prestaciones pticas: FIAT LUX, MIRVAL,

UHC-NS o IH y SOLTRACE.

Para laboratorios de investigacin o empresas del sector, es interesante el uso de un cdigo de

cada categora. Mediante un cdigo de la primera categora se consigue la distribucin de flujo

en lo alto del receptor y por tanto dimensionar el receptor. Con el uso de un software de la

segunda categora es posible el asesoramiento tcnico y econmico en la instalacin de

centrales termosolares.

vila-Marn 2011. Este documento es una extensa gua cronolgica de los receptores

volumtricos ms interesantes para la produccin de electricidad, identificando las diferentes

configuraciones, los materiales y resultados reales y esperados y sealando sus principales

ventajas y conclusiones basadas en la multitud de referencias y reportes de proyectos

internacionales.



Este estudio tambin trata otros temas importantes relacionados con los receptores

volumtricos como la configuracin bsica de las plantas, el fenmeno de estabilidad de flujo y

los principales problemas del diseo de ventana para receptores presurizados.

1.2.3. Actividades de Investigacin.

Buck et al. 2006. En este artculo se desarrolla un nuevo concepto de receptor dual que mejora

la adaptacin del receptor central al ciclo de vapor en una central trmica solar. Mediante la

combinacin de un calentador de aire volumtrico abierto con una seccin de evaporador

tubular, conseguimos las ventajas de estos dos conceptos bsicos evitando sus problemas

caractersticos.

En este trabajo se presenta un estudio de concepto basado en la configuracin que se plane

originalmente para el proyecto PS10 en Espaa, utilizando la tecnologa volumtrica de

receptor abierto donde el aire es calentado hasta 700C en el receptor. El sistema de

concentracin consiste en 620 heliostatos de con seguimiento en dos ejes, y con una superficie

total de 120m2.

Los resultados muestran varias ventajas del nuevo concepto: incrementar la eficiencia trmica

del receptor desde el 66.7% hasta un 79.4%, reducir temperatura en el receptor de 700C

hasta 500C y menores prdidas parsitas. Gracias a estas mejoras, la produccin anual podra

aumentar en un 27.2% pasando a 15.9GWh, en comparacin con el sistema de calentamiento

de aire solar.

Becker et al. 2006. En este artculo cientfico se informa de los resultados de un anlisis

terico, as como un estudio numrico, investigando las inestabilidades de flujo en los

materiales porosos que se usan como receptores solares volumtricos.

En el anlisis terico se muestra que la conductividad trmica y las propiedades de

permeabilidad de los materiales porosos tienen una influencia significativa en la probabilidad

de la aparicin de inestabilidades de flujo. En las simulaciones se asumen un flujo de calor

constante de radiacin, que se absorbe en un volumen definido, y coeficientes constantes de

permeabilidad. Los investigadores han elegido unas condiciones de contorno similares a los del

proyecto Solucar Solar, de 10MW. Se han variado sistemticamente los parmetros de

conductividad trmica, el coeficiente de permeabilidad y el coeficiente de dispersin

turbulenta radial.

Finalmente, para una densidad de flujo de calor de 1 MW/m2 se genera una tabla de

parmetros, mostrando la posible aparicin de inestabilidad o estabilidad trmica y el

comportamiento del fluido. Estos resultados numricos son tremendamente tiles para la

optimizacin en el diseo de materiales para receptores volumtricos.



Schmitz et al. 2006. El artculo muestra que en los sistemas trmicos solares de receptor

central, la radiacin solar tiende a concentrarse en las ventanas de vidrio relativamente

pequeas del receptor, lo que conduce a un cono de visin limitado. Esto significa que de

todas las posiciones posibles de helistatos alrededor de la torre, slo aquellas dentro de la

elipse, que resultan de la seccin del cono de visin con el plano del suelo, son utilizables.

Para los sistemas pequeos, para los cuales los costes de la torre son pequeos, el diseo del

campo de helistatos resultante es similar, con o sin concentrador secundario. Para sistemas

grandes, que son ms rentables, los costes de la torre empiezan a ser significativos, y las

prdidas debidas a la atenuacin atmosfrica y por desbordamiento dominan sobre las

prdidas por coseno. Por lo tanto, los campos puramente orientado al Norte tienden a ser

cada vez menos ptimos. Esto es demostrado mediante la simulacin de las plantas usando el

software HFLCAL.

Finalmente se demuestra que para potencias del receptor volumtrico superiores a 30 MW es

conveniente usar no una nica abertura orientada al Norte, sino hasta seis orificios, cada uno

de ellos asociado a un campo de helistatos separado. La potencia ptima para estas plantas

se encuentra entre 50 y 200 MWe con un receptor de entre 100 y 400 MW.

Agrafiotis et al. 2007. En este estudio, se evala un elemento poroso monoltico de mltiples

canales de carburo de silicio (SiC) con forma de panal empleado como receptor volumtrico de

radiacin solar concentrada. Se evalu con respecto a su estructura porosa y propiedades

termomecnicas antes y despus de un largo tiempo de operacin.

Del artculo se extrae que la correcta eleccin de la porosidad, la distribucin de tamao de

poro y la microestructura pueden proporcionar panales de SiC con mejores propiedades

mecnicas (resistencia de flexin y de compresin). La exposicin bajo irradiacin solar se

encontr que afectan tanto a su estructura de poros como a sus caractersticas mecnicas.

Durante las primeras etapas de la exposicin, se lleva a cabo una reestructuracin de la

estructura porosa cambiando el tamao medio de poro a valores ms altos y disminuyendo

ligeramente la porosidad total; esta re-estructuracin cesa despus de algn tiempo de

exposicin caracterstico. Despus de la exposicin solar, los panales se vuelven ms rgidos y

exhiben una resistencia significativamente mayor a la compresin.

Se concluy que se puede lograr una extensin de la vida til esperada con materiales con

propiedades mecnicas mejoradas tales como silicio infiltrado (siliconizado) SiC.

Albanakis et al. 2009. El objetivo principal que se trata en este artculo es la evaluacin del

comportamiento de los materiales porosos utilizados en receptores volumtricos bajo la

radiacin solar concentrada. Por esta razn, han sido probados diversos materiales porosos

metlicos y cermicos, como receptores potenciales de la radiacin solar concentrada. La

investigacin experimental demostr que su eficiencia depende tanto de los parmetros de los

materiales como de las condiciones del flujo.



En este trabajo, se ensay una variedad de materiales de espuma, tales como nquel y

aleaciones de nquel, inconel, cobre, aluminio y carburo de silicio con diferente porosidad de

clula abierta como medios potenciales para ser utilizados como receptores volumtricos e

intercambiadores de calor. Sin embargo, ya que los resultados fueron similares, solamente los

resultados de dos de ellos, el nquel y el inconel, se presentaron en detalle y se compararon

entre s.

Se concluye afirmando que la cada de presin en la espuma de nquel es superior a la de

inconel en todos los casos estudiados; y en cuanto a la transferencia de calor, tambin es

superior en el nquel.

Chacartegui et al. 2010. De acuerdo con la experiencia adquirida en plantas de receptor

central, si queremos conseguir un costo competitivo de electricidad, los costos de capital y de

mantenimiento deben ser reducidos y la eficiencia debe incrementarse. Para lograr estos

objetivos, se considera esencial la modificacin del ciclo de energa, ya sea con vapor

sobrecalentado o fluidos alternativos.

En este trabajo, se propone para esta aplicacin el uso de ciclos supercrticos y transcrticos de

dixido de carbono. Se han considerado tres ciclos diferentes, los dos primeros (Figura 1-2) son

ciclos recuperativos Brayton cerrados con turbina de gas utilizando dixido de carbono, y el

segundo adicionalmente incorpora una compresin en dos etapas, es decir, que tras una

compresin inicial, una fraccin es bypaseada, enfriada y comprimida; mientras que la otra

fraccin es comprimido con el mismo ratio pero sin ser enfriado. ste ltimo ciclo est

motivado para favorecer la transferencia de calor y atenuar los problemas de pinch point en

intercambiadores de baja temperatura.

Figura 1-2 Ciclos Brayton propuestos.

El tercer ciclo propuesto (Figura 1-3) es un ciclo combinado que comprende un ciclo de turbina

de gas con dixido de carbono y un ciclo de Rankine Orgnico. Los resultados preliminares

muestran que estos ciclos son tecnologas prometedoras para plantas solares de torre,

teniendo potencial para competir en trminos de eficiencia y costo con otras tecnologas

convencionales.



Figura 1-3 Ciclo combinado propuesto.

Fend 2010. En este documento se presenta un resumen de las actividades de investigacin del

Departamento de Tecnologa Solar del Centro Aeroespacial Alemn en materiales porosos para

la tecnologa de torre solar.

En primer lugar se describe en detalle y con ejemplos los receptores volumtricos de aire, as

como los resultados experimentales de las pruebas, en una instalacin solar de 20kW capaz de

concentrar hasta 5 MW/m2. Los estudios numricos se han realizado para caracterizar la

estabilidad del flujo de aire en sistemas de receptor. Adems se presentan los diferentes

enfoques actualmente utilizados para modelar las temperaturas interiores del receptor. Por

ltimo, se da informacin sobre la Torre Solar Jlich, que es la primera estacin de ensayos de

potencia que hace uso de la tecnologa de aire receptor solar.

Wu et al. 2010. Este trabajo presenta los estudios experimentales y numricos de la cada de

presin en las espumas cermicas para aplicaciones de receptor volumtrico de aire.

El estudio tiene tres objetivos fundamentales. El primero es medir la cada de presin en las

espumas de cermicas estudiadas, y construir un modelo emprico basado en los resultados

experimentales y una simulacin numrica paramtrica. El segundo objetivo es el estudio de

las caractersticas del flujo en las espumas cermicas, especialmente en las proximidades de la

interfaz. El tercero es el estudio de las caractersticas de la cada de presin de dos estructuras

modificadas (por agujeros de fabricacin relativas a las espumas cermicas) que se espera que

disminuya la cada de presin en espumas de cermica, pero al mismo tiempo, mantener

buenas propiedades de transferencia de calor.

Los resultados experimentales de los ensayos, incluyendo las dos estructuras modificadas,

junto con los resultados de la simulacin, muestran que la cada de presin en las espumas

cermicas sigue una ley modificada de Darcy. Los resultados experimentales tambin

muestran que las dos estructuras modificadas, disminuyen drsticamente la cada de presin

(con cada de presin disminuye hasta el 70% a una velocidad superficial de 5 m / s).

Basndose tanto en el grupo experimental y los resultados de la simulacin, los investigadores

han creado un modelo generalizado para predecir la cada de presin en espumas de cermica.



Noone et al. 2011. En este artculo, se introduce una nueva herramienta con el propsito de

seleccionar la mejor ubicacin de una central trmica solar con receptor central en terrenos

con una pronunciada inclinacin.

Una vez obtenidos los datos de la elevacin con una resolucin suficiente, la herramienta es

capaz de evaluar la eficiencia de un campo de helistatos en cualquier ubicacin del

emplazamiento. Adems, la herramienta tambin localiza los sitios adecuados basados en la

eficiencia y la insolacin media anual. La eficiencia del campo, o la proporcin de radiacin

incidente al receptor para dirigir la radiacin solar normal, se maximiza como resultado de

factores que incluyen las prdidas por proyeccin y las interferencias entre los heliostatos,

conocidas respectivamente como la eficiencia coseno, sombreado, y el bloqueo. Por la

iteracin de definir la ubicacin del receptor y evaluar la eficiencia correspondiente mediante

el muestreo de los puntos de elevacin dentro de la frontera definida para campo de

helistatos, la eficiencia puede ser mapeada como una funcin de la ubicacin del receptor.

Los estudios de casos presentados ilustran el uso de la herramienta para dos configuraciones

de campo, con los receptores a nivel del suelo y los diseos de los de helistatos en las laderas.

Segn concluyen en el documento, aunque ambas configuraciones proporcionan eficiencias

aceptables, los resultados de estudios de casos muestran que los sitios ptimos para los

receptores a nivel del suelo (sin la colocacin de torre alguna en la instalacin) son aquellos en

los que el receptor se encuentra en una elevacin mayor que el campo de helistatos. Este

resultado es intuitivo, desde la perspectiva de minimizar las prdidas de coseno.

Wu et al. 2011. Las espumas cermicas porosas se utilizan para lograr un alto rendimiento en

las centrales trmicas de torre. Entender la transferencia de calor por conveccin entre el flujo

de aire y la espuma cermica es de gran importancia para optimizar el receptor volumtrico de

aire. En este artculo cientfico se nos presenta un estudio numrico sobre la transferencia de

calor por conveccin.

Los autores buscan un diseo para calcular el coeficiente local de transferencia de calor por

conveccin entre el flujo de aire y una espuma cermica porosa. Para ello, resolvieron el

balance de energa y de flujo en el interior de la espuma cermica porosa. Adems,

consideraron una geometra detallada de la espuma cermica porosa.

La espuma cermica fue representada por las estructuras idealizadas tetracaidecahedros. Las

simulaciones se basan en las ecuaciones en tres dimensiones de Reynolds-averaged Navier-

Stokes (RANS).

Se llev a cabo un estudio de sensibilidad en el coeficiente de transferencia de calor con el

tamao medio de celda, la porosidad, y la velocidad como parmetros. Basndose en los

resultados de simulaciones numricas, se desarroll una correlacin para el coeficiente de

conveccin volumtrica local de transferencia de calor entre el aire y espumas cermicas. La

correlacin resultante cubre una amplia gama de porosidades, velocidades, tamaos de celdas,

y temperaturas. Los resultados de correlacin fueron comparados con datos experimentales

de la literatura, y la comparacin muestra una buena concordancia.



La correlacin est destinada a ser utilizada en el diseo de receptores volumtricos solares de

aire.

Leonardi 2012. En este artculo se propone un anlisis sistemtico de parmetros para el

diseo de una planta de energa solar con receptor volumtrico. Con el software CRS4 se

analiza el efecto de la excentricidad hiperboloide y el tamao de los helistatos. Se proponen

valores ptimos de los parmetros caractersticos del concentrador parablico compuesto y

sobre la base de estas consideraciones, se presentan clculos extensos para evaluar la

coleccin anual de energa solar.

Un anlisis completo debe tener en cuenta la distribucin de potencia en el receptor y su

efecto sobre la temperatura de un fluido de transporte de calor oportuno, as como los

factores econmicos que no han sido considerados aqu en este artculo. La autora deja estos

aspectos para un trabajo futuro que se encuentra en desarrollo.

Lenert et al. 2012. El artculo se centra en la mejora de los receptores de nanofluido

volumtricos, donde las nanopartculas en un medio lquido absorben directamente la

radiacin solar. Se obtiene as un aumento del rendimiento respecto a los receptores de

superficie, reduciendo al mnimo la diferencia de temperatura entre el absorbedor y el fluido,

reducindose las prdidas radiantes de larga.

Los investigadores presentan un modelado y un estudio experimental para optimizar la

eficiencia de los receptores solares con nanopartculas de carbono C-Co, elegidas su banda de

absorcin en el espectro visible. Para investigar el efecto de la concentracin solar, altura

nanofluido, y el espesor ptico en el rendimiento del receptor se desarroll un modelo

unidimensional transitorio de transferencia de calor. Al mismo tiempo, han investigado

experimentalmente un receptor volumtrico cilndrico, que mostr una buena concordancia

con el modelo para diferentes espesores pticos del nanofluido.

Basndose en el modelo, la eficiencia de receptores volumtricos aumenta al aumentar la

concentracin solar y el tamao del nanofluido. La eficiencia de los receptores excede del 35%

cuando se utilice el nanofluido y estn acoplados a un ciclo de potencia y optimizado con

respecto al espesor ptico y el tiempo de exposicin solar. Este trabajo proporciona una visin

de cmo nanofluidos pueden ser utilizados como en receptores volumtricos en aplicaciones

solares, como los receptores con almacenamiento integrado.

Michailidis et al. 2013. El principal objetivo de este trabajo fue evaluar el comportamiento de

Ni-espuma (nquel con 92% de porosidad y tamao de poro uniforme), cuando son tratados

como receptores volumtricos bajo la radiacin solar concentrada, al tiempo que mejorar su

resistencia a la oxidacin, con el fin de hacerlos atractivos para tales aplicaciones.



La investigacin experimental demostr que su eficiencia depende tanto de los parmetros de

los materiales como de las condiciones de flujo, los cuales afectan en la cada de presin y el

comportamiento de transferencia de calor. Mediante el uso de un microscopio electrnico de

barrido y de un espectroscopio de energa dispersa, se investig la caracterizacin

microestructural de morfologas superficiales de xido formada sobre las espumas de clulas

abiertas de Ni expuestas a la radiacin solar concentrada. Mediante SEM se revel una rpida

oxidacin homognea en el Ni-espuma con tres estructuras diferentes de xido formadas en

relacin con la temperatura de proceso.

Para mejorar la resistencia a la oxidacin, se aplic un proceso de aluminizacin de espumas

de nquel, que conserva sus propiedades geomtricas, con el fin de desarrollar una capa

intermetlica de aluminuro de nquel en forma de una espuma Ni.

Para evaluar la eficacia del proceso de aluminizacin y determinar los parmetros ptimos del

procedimiento (composicin de la suspensin, manteniendo la temperatura y tiempo) se

aplic una microscopa electrnica de barrido y difraccin de rayos X.

1.2.4. Software para el Anlisis y la Optimizacin de

Instalaciones.

Berenguel et al. 2004. En este artculo se presenta el desarrollo de un sistema de control de

posicionamiento simplificado y automtico, de helistatos mediante tcnicas de visin artificial

y dispositivos CCD.

La aproximacin adoptada en este trabajo se basa en el uso de una cmara de B/W CCD

conectada a una grabadora (Imagenation PXC200) por un bus PCI para la transmisin en

tiempo real a la memoria instalada en el ordenador, permitiendo la captura de imgenes con

resolucin 640x480 (NTSC) y 768x576 (PAL/SECAM). Este sistema ha sido desarrollado una

herramienta de software con Visual C++, permitiendo una interfaz de tipo Windows,

programas independientes y el uso de cdigo preinstalado. Las acciones correctivas generadas

en el ordenador, son finalmente enviadas a la estacin VAX, la cual procesa estas acciones de

control y manda las seales apropiadas a los controles de los servomotores para mover los

heliostatos a la posicin indicada por el programa de control.

Con ello se corrigen estas desviaciones de forma automtica imitando el mismo procedimiento

seguido por los operadores, los cuales debern supervisar el proceso en lugar de accionar el

movimiento de los heliostatos. Las imgenes obtenidas se utilizan para estimar la distancia

entre el centroide de los rayos de sol proyectados por los heliostatos y un blanco situado en la

torre, esta distancia por lo tanto se utiliza para fines de baja precisin de correccin de offsets.

Para la correccin automtica se usan tcnicas bsicas de procesamiento de imgenes.



Alexopoulos et al. 2011. La ventaja de la hibridacin en centrales de energa solar/fsil, en

comparacin con plantas exclusivamente solares, reside en los bajos costes de inversin

adicionales debido a una facilidad de adaptacin y unos reducidos riesgos tcnicos y

econmicos. En los das soleados del sistema hbrido funciona en un modo solo solar con el

receptor central y en los das nublados y por la noche con la turbina de gas.

Como una alternativa al gas metano, se puede utilizar el biogs, ambientalmente neutro, para

el funcionamiento de la turbina de gas. Por lo tanto, el sistema hbrido se hace funcionar a

100% a partir de fuentes de energa renovables.

Para modelar esas plantas solares hbridas, han utilizado una herramienta de software

avanzada (MATLAB). En la biblioteca que crearon, se incluye los componentes del ciclo de gas,

calentado con energa solar y el ciclo de vapor. Cuando se quiera desarrollar un modelo de

simulacin para el clculo de una planta de energa hbrido pequeo, los componentes de la

biblioteca se insertarn en el modelo. La herramienta de software incluye la posibilidad de

calcular la energa de salida de puntos de funcionamiento individuales o de intervalos de

tiempo desde das hasta un ao entero.

Con esta herramienta de simulacin, los sistemas hbridos de torres solares se calculan para

varios lugares con alto potencial solar en Europa. Adems, se investigan las localizaciones en

pases del norte de Escandinavia con elevado potencial de biomasa y se calculan plantas de

energa con biogs como combustible sin entrada solar.

Los resultados del anlisis muestran que el modelo creado de biblioteca para simulaciones, es

una base slida para la simulacin de conceptos hbridos para sistemas de torres solares.

Leonardi et al. 2011. El anlisis de la energa solar recogida por el receptor en las centrales

solares de torre requiere el uso de cdigos numricos eficientes y precisos. En este artculo

cientfico se presenta un nuevo programa informtico, CRS4-2, para la simulacin del

comportamiento ptico de una planta solar con receptor central. El algoritmo matemtico

implementado permite el clculo de coseno, el sombreado y efectos de bloqueo de heliostatos

dispuestos arbitrariamente en el campo solar. Ha prestado especial atencin en el diseo para

garantizar la mxima flexibilidad en cuanto al nmero, dimensin, forma y posicin de los

heliostatos.

En la actual implementacin, el campo solar podr estar compuesto por dos tipos de

heliostatos, cuadradas y circulares, posiblemente, mezclados entre s, cada uno de ellos

caracterizado por el tamao y la altura desde el suelo. El diseo modular de CRS4-2 permite la

extensin de helistatos de forma arbitraria con slo modificaciones menores del cdigo.

Efectos de sombreado y el bloqueo se calculan por un mosaico de los heliostatos: por lo tanto,

la precisin numrica slo depende de la finura de la teselacin. La aplicacin a los sistemas

reales ha demostrado que el enfoque es estable y general.



He et al. 2012. El objetivo principal de este trabajo es el desarrollo de mtodos numricos para

la mejora del diseo o las herramientas de simulacin; y responder a preguntas especficas

relacionadas con la transferencia de calor y masa dentro de un receptor volumtrico

presurizado (RVP), que proporcionar la base fundamental para el diseo de nuevos

receptores para el proyecto DAHAN.

En este documento, con la asuncin de algunas simplificaciones, se presenta en primer lugar

un modelo ideal de clculo tridimensional con simetra axial de un RVP con un concentrador

secundario. Adems, se propone un nuevo mtodo de diseo y un cdigo unificado del

mtodo de Monte Carlo, para las investigaciones numricas de concentracin solar. A

continuacin, el mtodo propuesto y el cdigo se aplica para simular y analizar el proceso de

conversin fototrmico en un RVP, que engloba la concentracin de energa solar, la

recoleccin y el proceso de transferencia de la energa solar. La radiacin solar en medio

participativo y/o no participativo puede tenerse en cuenta simultneamente o forma dividida

en la simulacin. Por ltimo, tambin podemos calcular la distribucin de la densidad de flujo

de energa solar no uniforme en el receptor.

Cheng et al. 2013. En este artculo presenta un modelo computacional de dinmica de

fluidos y otros estudios sobre la transferencia de calor combinando radiacin, conveccin,

conduccin en un receptor volumtrico presurizado, combinando el Mtodo de Volmenes

Finitos y el mtodo de Monte Carlo.

Adems, se analizan y se discuten detalladamente los efectos de los parmetros geomtricos

del concentrador parablico y las propiedades del absorbedor poroso sobre el rendimiento del

proceso de conversin fototrmica. Se ha encontrado que las distribuciones de densidad de

flujo solar son siempre muy heterogneas con grandes faltas de uniformidad, y las tendencias

de variacin de las distribuciones de temperatura correspondientes son muy similares a estas,

pero con mucho menor orden de magnitud. La forma del concentrador parablico

determinado por su abertura de salida, tiene efectos mucho ms grandes sobre el rendimiento

de la PVR que el de la abertura de entrada, con un ngulo constante de aceptacin.

Por ltimo un espesor adecuado u ptimo del absorbedor poroso puede ser determinado en

examinando las curvas de variacin del rendimiento con la porosidad y observando el lugar

donde se dan las tendencias drsticas decrecientes.

1.3. Organizacin y Contenido

En el siguiente captulo definirn los fundamentos y el funcionamiento de las centrales

termosolares. Adems, se detallarn las tecnologas de produccin de energa mediante

concentracin solar y se har un anlisis comparativo de estas tecnologas. Por ltimo se

mostrar una relacin de plantas existentes clasificadas por reas geogrficas.



En el captulo tercero se profundizar en el receptor volumtrico indicando principios

operativos, sus caractersticas y su clasificacin. Adems tambin se incluye un apartado con

los materiales constructivos ms empleados y los problemas no resueltos que presenta sta

tecnologa.

Por ltimo se extraern unas conclusiones obtenidas gracias al trabajo de investigacin

desarrollado.



2. Centrales Termosolares

2.1. Concepto

Conocemos desde hace ms de un siglo los principios de la radiacin solar concentrada para

alcanzar altas temperaturas y convertirla en electricidad, pero slo se explota comercialmente

desde mediados de los aos 80. Las primeras plantas de energa solar trmica de

concentracin a gran escala se construyeron en el desierto californiano de Mojave (EEUU). En

muy poco tiempo, la tecnologa ha confirmado ser una enorme promesa tecnolgica y

econmica ya que tiene una gran ventaja: un enorme recurso renovable, el sol, y muy pocas

desventajas.

En algunas regiones con regmenes solares similares a California, la energa solar trmica

concentrada ofrece las mismas oportunidades que los grandes parques elicos marinos de

Europa. La energa solar trmica de concentracin para la generacin bruta de electricidad es

una de las tecnologas ms idneas para frenar el cambio climtico de una manera asequible y

para reducir el consumo de combustibles fsiles. Las centrales trmicas solares pueden operar

almacenando calor o combinando la generacin con combustible (biomasa, gas o carbn);

generan energa incluso cuando no brilla el sol.

2.2. Fundamentos

2.2.1. El medio ambiente

La ventaja principal de las centrales termosolares (CTS) es que pueden remplazar a las

centrales elctricas basadas en combustibles fsiles, lo que reducira las emisiones de gases de

efecto invernadero que provocan el cambio climtico. Por ejemplo, cada metro cuadrado de

superficie de concentradores es suficiente para evitar de 200 a 300 kilos de dixido de carbono

cada ao, dependiendo de su configuracin. Las centrales termosolares ms usuales estn

formadas por cientos de concentradores organizados en series. El anlisis del ciclo de vida de

los componentes junto con la superficie ocupada donde se instalan las CTS indican que se

tarda unos cinco meses en recuperar la energa que se ha utilizado para fabricar e instalar el

equipo. Considerando que las plantas pueden durar 40 aos, como se ha demostrado en las

centrales de Mojave (EEUU), estamos ante una buena relacin. La mayora de los materiales

empleados para las centrales CTS pueden ser reciclados y utilizados de nuevo para otras

centrales.



2.2.2. Economa

Los costes de la energa termosolar estn bajando. En Estados Unidos se puede observar que

los costes actuales de generacin son de unos 15 cntimos de dlar por kWh para electricidad

solar en instalaciones con muy buena radiacin del sol, con previsiones de nuevas cadas de

costes de hasta 8 cntimos/kWh en algunos casos2. El desarrollo de la tecnologa se encuentra

en una curva de aprendizaje rpida, y los factores que ayudarn a reducir costes son las

mejoras tecnolgicas, la produccin en serie, la economa de escala y la mejora de las

operaciones.

La energa solar trmica de concentracin se est convirtiendo en una tecnologa competitiva

con respecto a las centrales trmicas convencionales de combustible fsil que operan en punta

o a media carga. La incorporacin de nuevas CTS a la red puede ayudar a mantener estables

los costes elctricos, lo que evitara subidas drsticas de precios como consecuencia de la

escasez de combustible y de los costes del carbono.

Las plantas hbridas pueden utilizar energa solar concentrada y combustibles fsiles (o

biomasa). Algunas, aprovechando programas de financiacin especiales, pueden ofrecer ya

electricidad a precios muy competitivos. Para la generacin de energa solar a pequea escala

y fuera de la red, por ejemplo en islas o en zonas rurales interiores de pases en vas de

desarrollo, la otra opcin es generalmente el uso de generadores disel, que son ruidosos,

sucios y de funcionamiento caro.

Son varios los factores que aumentan la viabilidad econmica de los proyectos de CTS, como la

reforma del sector elctrico, el aumento de la demanda de energa verde, y el desarrollo de

mercados del carbono mundiales para la generacin de energa no contaminante. Los

programas de ayuda directa suponen tambin un fuerte empuje, as como las leyes sobre

tarifas de introduccin de renovables a la red u obligaciones de suministro de energas

renovables en algunos pases. Las centrales CTS necesitan una elevada inversin inicial, pero

durante todo su ciclo de vida, aproximadamente el 80% de los costes son en construccin y

deuda asociada, y slo el 20% es de operacin. Esto significa que una vez abonados todos los

gastos generados por la construccin de la central, durante un periodo de unos 20 aos, slo

quedan los costes operativos, que pueden rondar actualmente en torno a 3 cntimos/kWh.

2.2.3. Requisitos

La energa termosolar utiliza la radiacin solar directa, radiacin que no es desviada por nubes,

humo o polvo suspendido en la atmsfera y que llega a la superficie terrestre en rayos

paralelos para su concentracin. Los lugares ms idneos deben tener muchas horas de

radiacin solar directa, al menos 2.000 kWh de radiacin solar por metro cuadrado al ao. Las

mejores instalaciones reciben ms de 2.800 kWh/m2/ao.



Las mejores regiones son aquellas sin mucha humedad atmosfrica, polvo o humo, como

estepas, zonas de matorral, sabanas, semi-desiertos y autnticos desiertos, localizados

idealmente a menos de 40 grados de latitud norte o sur. Por ello, en las zonas ms

prometedoras del mundo estn incluidos los Estados sur-occidentales de Estados Unidos,

Amrica Central y del Sur, norte y sur de frica, los pases mediterrneos, Oriente Prximo y

Oriente Medio, Irn y las planicies desrticas de India, Pakistn, la antigua Unin Sovitica,

China y Australia. En esas regiones es suficiente un kilmetro cuadrado de terreno para

generar hasta 100-130 GWh de energa solar por ao utilizando tecnologa termosolar. Esta es

la misma energa que la producida por una central convencional de gas o carbn de 50 MW

que funcione a carga media durante un ao.

Durante todo el ciclo de vida de una CTS su rendimiento es equivalente a la energa contenida

en ms de 5 millones de barriles de crudo. Al igual que las centrales trmicas convencionales,

las CTS necesitan refrigeracin en el denominado extremo fro del ciclo de turbinas de vapor.

Esto se obtiene mediante refrigeracin evaporativa (hmeda) cuando se dispone de agua, o

mediante refrigeracin en seco (con aire). La refrigeracin en seco requiere una mayor

inversin y sus costes son entre un 5% y un 10% mayor comparado con la refrigeracin

hmeda. Existen opciones de refrigeracin hbridas que pueden mejorar el rendimiento de las

condiciones de la instalacin y se encuentran actualmente en proceso de desarrollo. Pero el

enorme potencial de energa solar de esas zonas excede mucho la demanda local, por lo que

puede exportarse la electricidad solar a zonas con una alta demanda energtica y menos

recursos solares. Si los pases del cinturn del sol cultivan su energa natural de esta manera,

podran realizar una enorme contribucin a la proteccin del clima mundial. Pases como

Alemania estn ya considerando seriamente importar electricidad solar del norte de frica y el

sur de Europa para hacer ms sostenible su sector energtico.

2.3. Funcionamiento

El funcionamiento bsico de una planta CTS lo podemos resumir segn el siguiente esquema

(Figura 2-1):

Figura 2-1 Esquema de CTS



1) Un reflector solar formado por espejos concentra la radiacin solar en un absorbedor.

Los espejos pueden tener diferentes formas para maximizar la reflexin, pudiendo

tener como foco un punto o una lnea.

2) El calor absorbido es transferido mediante un intercambiador de calor a un caudal de

agua bombeada que se transforma en vapor sobrecalentado.

3) Con este vapor obtenido se alimenta a una turbina de vapor, la cual genera

electricidad.

4) El vapor sobrecalentado pasa por un condensador y es enfriado antes de ser usado de

nuevo para la generacin de vapor.

5) Durante el proceso, el fluido de transferencia puede ser vehiculado a travs de otro

intercambiador de vapor para carga el sistema de almacenamiento, el cual se podr

usar para devolver esa energa trmica almacenada para que la turbina opere durante

la noche.

Pueden utilizarse diversas tecnologas para concentrar, recoger la luz del sol y convertirla en

calor a alta-media temperatura. Este calor se utiliza despus para generar electricidad de

forma convencional, por ejemplo, con una turbina de vapor o de gas, o un motor Stirling. El

calor solar recogido durante el da puede tambin almacenarse en un medio lquido o slido,

como las sales fundidas, materiales cermicos, hormign o mezclas de sales de fase

cambiante, y puede extraerse durante la noche del medio del almacenamiento para mantener

en funcionamiento la turbina.

Las centrales elctricas termosolares slo con generacin solar funcionan bien para

suministrar cargas pico estivales en las franjas horarias de medioda en regiones con grandes

demandas de refrigeracin, como Espaa y California. Con los sistemas de almacenamiento de

energa trmica funcionan durante ms tiempo e incluso proporcionan energa de carga base.

En Espaa las plantas Andasol de 50 MWe han sido diseadas con aproximadamente 8 horas

de almacenamiento trmico, lo que mejora la disponibilidad anual en unas 1.000 a 2.500

horas.

Los sistemas de espejos concentradores utilizados en las CTS son sistemas de enfoque puntual

o lineal. Los sistemas lineales concentran la radiacin unas 100 veces y se obtienen unas

temperaturas de trabajo de hasta 550C, mientras que los sistemas puntuales pueden

concentrar mucho ms de mil veces y lograr unas temperaturas de trabajo de ms de 1.000C.

2.4. Clasificacin de CTS

Existen cuatro tecnologas comerciales de CTS; sistemas de concentradores cilndricos

parablicos y sistemas de concentradores lineales de Fresnel, los cuales son concentradores

lineales; y receptores centrales y sistemas de discos parablicos, que son concentradores

puntuales. Los sistemas de receptores centrales se denominan tambin torres solares (Figura

2-2).



Figura 2-2 Clasificacin de centrales termosolares

2.4.1. Centrales de Concentrador Cilindro Parablico

Las centrales cuya tecnologa se considera ms madura en estos momentos, y que supone ms

del 95% de la potencia de generacin termosolar instalada en el mundo, es la tecnologa CCP

(Figura 2-3). Bsicamente consiste en la concentracin de la radiacin solar a lo largo de una

lnea recta con una longitud que oscila entre los 600 y los 800 metros. El fluido caloportador

entra por uno de los extremos a una temperatura y con una velocidad determinados, y sale

por el otro extremo a una temperatura superior debido a la concentracin solar, de entre 50 y

90 veces, que aporta el espejo.

Figura 2-3 Centrales de concentrador cilindro parablico.

Centrales Termosolares

Concentracin Lineal

Cilindro parablico

Fresnel

Concentracin Puntual

Disco Stirling Torre



El fluido caloportador

El fluido utilizado puede ser agua, pero actualmente no se han superado los problemas

derivados de la vaporizacin que se producira en un punto intermedio del recorrido. Por esta

razn se prefiere el uso de otros fluidos que no cambian de estado entre un extremo y otro de

la lnea recta en la que se concentra la radiacin solar. De todos los fluidos posibles, los fluidos

orgnicos sintticos son los que mayores ventajas presentan, y entre ellos destaca la mezcla

eutctica compuesta por un 26,5% en peso de xido de difenilo y un 73,5% de bifenilo. Esta

mezcla presenta el mejor compromiso entre coste y prestaciones, aunque presenta grandes

dificultades en su manejo que condicionan enormemente los resultados de explotacin de las

plantas.

Por este compromiso entre economa y tcnica, las centrales termosolares CCP construidas

hasta la fecha utilizan esta mezcla de hidrocarburos aromticos sintticos, cuyas prestaciones y

comportamiento es necesario conocer y dominar si se quiere disear, construir, operar y/o

mantener plantas termosolares CCP. El FC trabaja entre unos 290 C a la entrada de la lnea en

la que se concentra la radiacin y los 390 C a la salida. A mayor temperatura de salida, mayor

rendimiento global de la planta, pero las caractersticas qumicas del fluido no hacen posible

utilizarlo por encima de los 400 C. Con el aumento de la temperatura, se originan

hidrocarburos voltiles y pesados que modifican el comportamiento de la planta y que

plantean incluso problemas de seguridad. Por ellos las centrales CCP tienen limitada la

temperatura mxima de trabajo del fluido orgnico a unos 400 C. Adems, requieren de

sistemas que eliminen los productos originados en la degradacin, normalmente utilizando

filtraciones y destilaciones sucesivas.

El campo solar

El lugar donde se realiza la captacin de radiacin y su posterior transferencia en forma de

calor al FC se denomina campo solar y consiste en una vasta extensin de terreno de

aproximadamente 2 hectreas por MW de potencia elctrica instalada, cubierto de mdulos

captadores de radiacin solar. As, una planta de 49,9 MW, la mxima posible de acuerdo con

la actual legislacin espaola que limita a 50 MW la generacin en rgimen especial con

derecho a percepcin de una prima por cada MWh exportado a la red elctrica, ocupa unas

100 hectreas.

Los mdulos captadores tienen unas dimensiones y forma perfectamente definidas, y estn

compuestos por tres partes, cada una de ellas responsable de una importante funcin:

El espejo reflector, responsable de reflejar la radiacin incidente hacia la lnea

formada por el foco de la parbola que forman.

El tubo absorbedor, autntico corazn de la tecnologa CCP y responsable de la

transformacin de la radiacin en energa trmica.

La estructura, que le da al conjunto su forma y que sirve de sujecin para los

elementos que forman el mdulo.



Los mdulos se agrupan en colectores, que se mueven conjuntamente para que la radiacin

solar siempre incida en un plano lo ms perpendicular posible a la superficie de los mdulos.

Varios colectores se unen en serie para formar lazos, que componen la unidad productiva

mnima. En cada uno de estos lazos, con una potencia tpica cercana a 1,6 MW trmicos, se

produce la elevacin de temperatura del fluido.

Un campo solar es pues el conjunto de lazos que trabajan en paralelo, y que juntos suministran

la energa trmica necesaria para producir vapor. Como simple referencia, el campo solar de

una central CCP de 50 MW sin almacenamiento trmico puede estar formado por unos 100

lazos.

El tren de generacin de vapor

El calor absorbido por el FC a continuacin es transferido a un circuito de agua para generar

vapor. Esta agua, que anteriormente ha sido presurizada en una bomba centrfuga multietapa

hasta presiones comprendidas entre los 50 y los 100 bar de presin, se vaporiza y se

sobrecalienta hasta aproximadamente 380 C enfrindose el FC hasta los 290 C. A esa

temperatura el fluido caloportador se devuelve al campo solar para que contine

transportando la energa captada en el campo solar.

Los equipos responsables del intercambio de calor entre el FC y el ciclo agua-vapor son

intercambiadores del tipo carcasa-tubo de gran tamao y cierto grado de complejidad. En ellos

se realiza la transferencia de calor entre los dos fluidos de forma especializada: el tren de

generacin de vapor incluye equipos diseados para calentar agua, para producir vapor y para

sobrecalentar ese vapor. Con los conocimientos actuales no es posible construir un equipo que

realice con eficiencia y sin problemas tcnicos esas tres funciones, razn por la que el tren de

generacin tiene equipos especializados para cada una de estos procesos.

La turbina de vapor

El vapor generado es entonces conducido hasta la turbina de vapor, donde se producir una

nueva transformacin energtica. La energa contenida en el vapor en forma de presin

(energa potencial) se transforma de forma escalonada en energa mecnica rotativa, con un

excelente rendimiento teniendo en cuenta la baja temperatura del vapor (380 C). El

rendimiento de esta transformacin oscila entre el 27% y el 40%, dependiendo de la carga a la

que est la planta (mayor rendimiento a mayor carga) alcanzando su mximo valor cuando la

central est al 100% de potencia.

La condensacin del vapor

El vapor a la salida de la turbina es vapor muerto, sin capacidad para realizar trabajo

mecnico. Su temperatura es inferior a 50 C y su presin absoluta ronda los 0,05 a 0,08 bar,

es decir, una presin inferior a la presin atmosfrica. Para aprovechar ese caudal de agua

desmineralizada, cuando la planta est a plena carga, es necesario condensarla y volver a

tenerla en forma lquida. De esta forma se consiguen tres objetivos:

Se aprovecha el agua a la salida de la turbina para reutilizarlo nuevamente.



Se genera en el condensador una presin inferior a la atmosfrica, imposible de

conseguir si el vapor se tirara a la atmsfera. Con ello el salto de presin entre la

entrada y la salida de la turbina es mayor y por tanto tambin lo es la potencia

generada y el rendimiento de la planta.

Se puede presurizar el fluido de forma econmica antes de introducirlo en la caldera.

Presurizar un lquido siempre es ms barato que presurizar vapor, por la

incompresibilidad de los lquidos. As, si se intentar comprimir vapor hasta los 100

bares se consumira ms energa de la que generara su posterior expansin.

Comprimir agua resulta energticamente ms favorable.

Para condensarlo es necesario introducir un nuevo fluido en el sistema, al que el vapor pueda

cederle el calor latente de condensacin. Hay que recordar que los procesos de evaporacin o

de condensacin requieren al aporte o la sustraccin de grandes cantidades de calor (unas

2.418 KJ por cada Kg de vapor que llega al condensador a esa temperatura). Existen dos

posibilidades: utilizar agua como fluido fro al que se transferir el calor que debe sustrarsela

al vapor para que condense, o utilizar aire.

En el primer caso el agua fra se obtiene habitualmente de una torre evaporativa. El agua

enfriada en la torre se conduce hasta el condensador, que no es ms que un intercambiador

carcasa- tubos. En el condensador el agua de refrigeracin captar el calor de condensacin y

lo transferir posteriormente al ambiente con la ayuda de la torre. La torre disipa calor

evaporando parte del agua, por lo que es necesario reponer tanto el agua evaporada como el

agua purgada de la torre para mantener la concentracin de sales dentro de unos lmites

seguros. El consumo de agua ronda los 500.000 m3/ao.

En lugares en los que hay escasez de agua no puede emplearse este sistema se recurre a

grandes aerocondensadores, en los cuales se transfiere el calor de condensacin directamente

al aire ambiente. Es una forma menos eficiente y ms cara de condensar, y por tanto slo se

emplea si no hay otras alternativas.

El generador

La energa mecnica rotativa requiere ahora una ltima transformacin en energa elctrica.

Esta transformacin se realiza en el generador, que es un equipo eficiente y maduro.

El sistema de alta tensin

La energa elctrica generada se transporta a la red elctrica mediante las lneas de transporte.

Estas lneas pueden ser areas o enterradas y requieren de una serie de equipos que facilitan

la conexin:

Transformadores, que igualan las tensin elctrica entre la generada en la planta y la

de la lnea a la que se conecta. Hay que tener en cuenta que la generacin se realiza en

la tensin ms favorable para el generador, mientras que el transporte se hace a una

tensin que minimiza las prdidas. Habitualmente, en centrales CCP de 50 MW la

tensin del generador ronda los 10.000 V, mientras que la tensin de las lneas a las

que se conecta la planta suelen ser de 132.000, 220.000 o 400.000 voltios.

Aparamenta de maniobra, que permite la conexin y desconexin.



Proteccin elctricas, para garantizar que generador y red elctrica se encuentran en

las condiciones adecuadas para estar interconectadas sin causarse daos.

Red de tierras, a la que se transferirn las corrientes de defecto.

Equipos de medida, que informan a las protecciones elctricas de los valores de

tensin e intensidad, y a las que se conectan tambin los equipos de facturacin que

miden la energa que entra y sale de la planta.

2.4.2. Central de Concentrador Lineal Fresnel

Las centrales elctricas termosolares basadas en la tecnologa fresnel, al igual que las centrales

CCP, concentran la radiacin solar a lo largo de una lnea (Figura 2-4). Estas centrales basan la

generacin elctrica en la concentracin de la radiacin solar a lo largo de un tubo absorbedor

situado a varios metros de altura. La relacin de concentracin es de aproximadamente 20:1.

Estas centrales destacan por la sencillez de su construccin y por su bajo coste.

Figura 2-4 Central de concentrador lineal fresnel.



Los reflectores planos simulan un espejo curvo por variacin del ngulo ajustable de cada fila

individual de espejos, en relacin con el absorbedor. Los reflectores se construyen con espejos

de vidrio planos y por lo tanto su materia prima es muy barata. La forma curvada de los

espejos cilindro parablicos hace que sean un 15% ms eficientes que los espejos fresnel, pero

con el ahorro de costes en materiales, junto con la simplicidad del funcionamiento hacen que

la reduccin de costes sea muy superior a la reduccin de rendimiento. As, mientras que una

central CCP cuesta alrededor de 4,5 millones de por MW elctrico instalado, una planta

basada en espejos en disposicin fresnel cuesta alrededor de 3,1 millones, es decir, casi una

tercera parte menos.

Las relaciones de concentracin tambin son menores, y esa es una de las razones por las que

las temperaturas que se pueden alcanzar son menores: 20 a 1, frente a la relacin 80 a 1 que

se puede conseguir en las centrales CCP.

En marzo del 2009 la planta Puerto Errado 1 construida por el grupo alemn Novatec Biosol

comenz con sus operaciones en Murcia. Ocupa una superficie aproximada de 18.000 m2,

tiene una potencia de 1,4 MW, y una produccin esperada cercana a los 2.000 MWh anuales.

Esta primera planta piloto ha dejado paso a una segunda planta de tamao comercial, de 30

MW de potencia elctrica, construida al lado de la anterior.

Los principios de la tecnologa fresnel

Las centrales basadas en concentradores lineales fresnel tratan de imitar de alguna forma los

concentradores cilindro-parablicos de una manera ms sencilla y econmica. Las centrales

basadas en tecnologa fresnel consisten principalmente en un campo de espejos primario, un

tubo absorbedor y un espejo secundario.

El campo primario est compuesto por una serie de filas de espejos planos a un metro de

altura sobre el terreno. Cada fila tiene unos 60 cm de ancho y se extiende en lneas rectas que

miden entre 600 y 900 metros. Los rayos reflejados en los espejos planos que simulan la lente

curva reflejan los rayos del sol en un tubo absorbedor, colgado unos 8 metros por encima del

nivel en que se encuentran los espejos reflectores, y que es el responsable de la

transformacin de la radiacin en energa trmica. Por encima del tubo absorbedor hay un

espejo secundario cilndrico que concentra la luz solar que se ha desviado ligeramente de su

trayectoria y por tanto no ha impactado en el tubo absorbedor lineal.

Debido al pequeo tamao de los espejos estos son menos sensibles al viento. Los espejos son

planos, lo que supone un abaratamiento de ms del 30% sobre los costes de los espejos

curvos. Adems, las diferentes lneas de espejos pueden colocarse muy cerca unas de otras.

Esto supone que el porcentaje de aprovechamiento del terreno es muy alto, frente a la

tecnologa CCP en la que se requiere una gran separacin para evitar sombras y para permitir

el acceso de vehculos de mantenimiento (aproximadamente los espacios entre filas de

mdulos suponen 2/3 partes del terreno). Las filas de espejos se controlan con una serie de

motores elctricos que realizan el seguimiento del movimiento del sol a lo largo del da en un

solo eje. Por esta razn, la produccin elctrica varia a lo largo de las estaciones del ao, al no

poder hacer el seguimiento estacional.



El sistema de seguimiento es sencillo, ya que un solo motor se encarga de la orientacin de

todos los espejos colocados a lo largo de 100 metros, lo que supone un nuevo ahorro en costes

de inversin. Al ser los espejos planos, es muy fcil implementar un sistema completamente

automatizado para su limpieza. Este sistema consiste en un motor equipado con unos cepillos

rotativos que se van desplazando a travs en toda la lnea y que limpian el espejo del polvo

acumulado sin consumir agua y sin requerir personal para la vigilancia directa del proceso de

limpieza.

El tubo absorbedor no tiene unos requerimientos tan exigentes como el tubo de una central

CCP. As, al ser las temperaturas menores no requiere tener una cubierta de cristal ni realizarse

el vaco. Por el tubo absorbedor circula agua que se evapora con la radiacin solar absorbida.

A la salida del largo tubo el vapor se encuentra a 270 C de temperatura y unos 55 bares de

presin. El vapor se reduce de presin en un tanque de acumulacin de vapor hasta

aproximadamente 33 bares. Este vapor alimenta una turbina dividida en dos niveles de presin

(alta presin, 33 bar y baja presin, 4,3 bar), y es el equipo encargado de transformar la

energa trmica en energa mecnica rotativa.

Como en las centrales CCP, la turbina de alta presin normalmente es de pequeo tamao y

gira a gran velocidad, por lo que es necesario un reductor para ajustar sus revoluciones a las

3.000 r.p.m. que requiere el generador al que estn ambas conectadas. La necesidad de tener

dos turbinas de vapor aparece porque a una presin y temperatura determinadas la cantidad

de agua que aparece en el vapor es grande. Es necesario extraerlo de la turbina y retirar el

agua condensada con la ayuda de un separador de humedad.

Principales diferencias entre la tecnologa CCP y la tecnologa fresnel

De acuerdo con lo visto en los apartados anteriores, las diferencias ms sobresalientes entre

las plantas de concentrador cilindro-parablico y las que utilizan espejos fresnel son las

siguientes:

El precio de las centrales fresnel es ms ventajoso.

Los espejos de las primeras son curvos, mientras que los de las segundas son rectos.

Esto supone cierta prdida de rendimiento (en torno al 15% menos de rendimiento

ptico), pero a cambio supone un importante abaratamiento en el precio y simplifica

las lneas de captacin.

El tubo absorbedor no tiene cubierta de cristal y por lo tanto no se requiere el vaco

entre el tubo metlico y la cubierta de vidrio. Esto simplifica y abarata las plantas.

Las relaciones de concentracin son menores en las centrales de concentradores

lineales fresnel. Mientras que las centrales CCP trabajan con relaciones cercanas a

80:1, las de concentradores fresnel trabajan con relaciones 20:1.



El campo solar de una planta fresnel ocupa casi un 40% menos que una planta CCP.

La segunda requiere aproximadamente 20.000 m2 por MW elctrico instalado,

mientras que una planta fresnel requiere unos 12.000 m2 por MW elctrico instalado.

La razn fundamental est en la separacin entre lneas: mientras que la tecnologa

CCP requiere que las lneas estn separadas entre 15 y 18 metros, la tecnologa fresnel

requiere entre 4 y 5 metros de separacin, simplemente para facilitar el acceso de

vehculos de mantenimiento

Las centrales CCP utilizan actualmente un fluido orgnico sinttico que encarece

notablemente las plantas y complica su operacin. Las plantas fresnel generan

directamente vapor, lo que simplifica notablemente el proceso.

Los niveles de presin en las plantas fresnel son ms bajos. Mientras que las plantas

CCP utilizan presiones cercanas a los 100 bar para alimentar la turbina de alta presin,

las plantas fresnel uti

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