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DIMENSIONAMIENTO DE COLECTORES CILINDRICO
PARABOLICOS DE UNA PLANTA SOLAR TÉRMICA
Presentado por:
Sergio Cataño Galeano
Profesor:
Sergio Cipriano Agudelo
Energías Alternativas
29 de Octubre
Facultad de ingeniería
Ingeniería mecánica
2013
2
Tabla de contenido 1 INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS ..................................................................................................... 3
1.1 Introducción ........................................................................................................................ 3
1.2 Objetivos ............................................................................................................................. 4
1.2.1 Objetivo general .......................................................................................................... 4
1.2.2 Objetivos específicos ................................................................................................... 4
2 ANÁLISIS TERMODINÁMICO DE UNA PLANTA TERMOSOLAR ..................................................... 5
2.1 Análisis y componentes del ciclo de potencia ..................................................................... 5
2.1.1 Turbina ........................................................................................................................ 6
2.1.2 Condensador ............................................................................................................... 8
2.1.3 Bomba ....................................................................................................................... 11
2.1.4 Generador de vapor (Caldera). ................................................................................. 12
2.2 Resultados del análisis termodinámico ............................................................................. 14
3 DIMENSIONAMIENTO DEL ÁREA DEL COLECTOR PARA DISTINTOS VALORES DE RADIACIÓN
DIRECTA ............................................................................................................................................. 15
3.1 Análisis del dimensionamiento de los colectores cilíndrico parabólicos .......................... 15
3.2 Número de filas en la planta termoeléctrica .................................................................... 19
3.3 Resultados del dimensionamiento de los colectores cilíndricos parabólicos ................... 22
4 Análisis de bombas, tuberías e intercambiador de calor .......................................................... 22
4.1 Bombas y tuberías ............................................................................................................. 22
4.1.1 Bomba de condensado y tubería del ciclo de potencia ........................................... 22
4.1.2 Bomba de agua de alimentación y tubería necesaria ............................................... 23
4.1.3 Bomba del fluido de transferencia de calor y tubería ............................................... 24
4.1.4 Resultados y dimensiones ......................................................................................... 24
4.2 Intercambiador de calor .................................................................................................... 25
4.2.1 Dimensionamiento del intercambiador de calor aceite-agua .................................. 25
5 Inversión de la planta solar térmica .......................................................................................... 27
6 Conclusiones.............................................................................................................................. 29
7 Bibliografía ................................................................................................................................ 30
3
1 INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS
1.1 Introducción
En la actualidad existen diferentes sistemas para aprovechar la energía calórica del sol, en
los que el principio de funcionamiento está basado en elevar la temperatura de un fluido
térmico para calentar agua o aire que generen movimiento que puede ser transformado
en electricidad.
Estos sistemas usan dispositivos ópticos para concentrar la radiación solar, por lo tanto
solo se puede aprovechar la radiación solar directa, lo cual es una gran desventaja ya que
en zonas con altos periodos de nubosidad no se pueden implementar estas tecnologías.
Para el aprovechamiento térmico, generalmente se utilizan sistemas colectores con
espejos reflectores tipo parabólico (Figura 1.1), que concentran la radiación solar sobre un
tubo en la línea focal. Para que el fluido logre concentrar de una mejor manera los rayos
solares se requiere de mecanismos que hacen que el colector siga permanentemente al
sol, de tal manera que los rayos lleguen de forma paralela a los espejos para que consiga
la concentración deseada (Figura 1.2).
El fluido de trabajo absorbe la energía solar y se emplea después para generar vapor y
para poner a trabajar una turbina en un ciclo Rankine. Estos sistemas pueden lograr hasta
el 35% de eficiencia pico y el 25% de eficiencia eléctrica solar anual cuando acompañan a
una central térmica de ciclo combinado.
Figura 1.1 Esquema de aprovechamiento de la energía solar.
4
Figura 1.2 Esquema de funcionamiento.
1.2 Objetivos
1.2.1 Objetivo general
El objetivo general en este trabajo consiste en realizar el dimensionamiento básico de una
planta solar térmica que genera 1MW para diferentes valores de radiación directa;
determinando sus costos de construcción.
1.2.2 Objetivos específicos
Se definen los siguientes objetivos específicos
1) Realizar el dimensionamiento de una central solar sin almacenamiento.
2) Calcular las propiedades del ciclo Rankine utilizando solamente la primera ley de
la termodinámica.
3) Escoger las bombas del montaje haciendo los cálculos respectivos.
4) Estimar costos de la central termoeléctrica.
5
2 ANÁLISIS TERMODINÁMICO DE UNA PLANTA TERMOSOLAR
2.1 Análisis y componentes del ciclo de potencia
Se realiza el balance de masa y energía a cada uno de los componentes del ciclo,
utilizando la primera ley de la termodinámica modelando la central eléctrica de vapor
como un ciclo Rankine ideal simple (Figura 2.1).
Figura 2.1 Ciclo Rankine ideal simple.
El objetivo principal de la planta es generar electricidad utilizando la radiación solar
directa absorbida por los colectores parabólicos, ya que no se cuenta con un sistema de
almacenamiento.
Para entender mejor el ciclo a continuación se hace una breve descripción de su
funcionamiento.
En la caldera que realmente es un intercambiador de calor con el aceite térmico que viene
de los colectores, el fluido de trabajo empieza a calentarse hasta que toda el agua se
convierte en vapor sobrecalentado.
6
Este vapor luego pasa a la turbina en donde generará un trabajo de flecha, para luego salir
como una mezcla de alta calidad hacia el condensador en donde se enfría y pasa
nuevamente al estado líquido, para posteriormente ser bombeado al intercambiador de
calor (caldera) y se repite el ciclo.
En un principio el único dato que se tiene es que se debe generar un 1 MW, para empezar
a trabajar se debe escoger una turbina de un catalogo que cumpla con las
especificaciones.
2.1.1 Turbina
El vapor que entra a la turbina es un vapor sobrecalentado y se expande al ir pasando por
cada etapa de la turbina, convirtiendo la energía potencial en energía cinética que
produce la rotación del eje. Esta rotación genera un trabajo que es convertido
posteriormente en energía eléctrica mediante un generador.
La turbina de esta planta termo solar tiene las siguientes características:
Modelo NI.5-2.35
Potencia Nominal (kw) 1500 Presión entrada (MPa) 2.354 Temperatura entrada (°C) 390 Presión salida (MPa) 0.017 Steam Rate (kg/Kw*h) 5.6 Velocidad nominal (r/min) 6500/1500 Peso (t) 17 Dimensiones L*W*H (mm) 3820*2300*2200
Tabla 2.1 Especificaciones de la turbina [1]
7
Figura 2.2 Esquema de una turbina de vapor.
En el estado 1 se puede obtener la entalpía y la entropía por medio de tablas ya que se
tienen los datos suficientes para definir estas propiedades.
En el estado 2 se sabe que el fluido sale como una mezcla saturada de alta calidad y para
eso se dice que la turbina es isentrópica.
S1=S2 (KJ/Kg*K)
Luego de hacer esta suposición, el siguiente paso será hallar la calidad del fluido que
circula por la rama numero 2 y utilizando las propiedades del agua tenemos.
X2= Calidad del fluido.
S2= Entropía en el estado 2 que igual al del estado 1.
Sf = Entropía del líquido saturado.
Sfg= Diferencia de entropías.
8
Con la calidad del vapor calculada se puede hallar la entalpía isentrópica de salida, que se
calcula de la siguiente manera:
h2 = Entalpía de salida de la turbina.
hf = Entalpía del líquido saturado.
X2= Calidad del fluido.
hfg = Diferencia de entalpías.
2.1.2 Condensador
Se cuenta con un condensador, que también es un intercambiador de calor el cual tiene
dos entradas y dos salidas. En el condensador no hay cambio de presión y el fluido sale
como líquido saturado.
Figura 2.3 Esquema del condensador.
9
Para empezar se dice que.
P2=P3
Al estar en líquido saturado y con la ayuda de las tablas de las propiedades
termodinámicas se determina lo siguiente.
Se procede a deducir el flujo másico de agua que viene de la turbina.
Despejando se obtiene que.
Ahora se calcula el calor transferido en el condensador.
Para saber el flujo másico de agua fría que tiene que entrar al condensador se hace un
balance de masa teniendo en cuenta las siguientes hipótesis.
Cada uno de los componentes será considerado adiabático y que trabaja en estado
estacionario.
Los cambios en la velocidad del fluido serán despreciables, así como los cambios
en la energía potencial.
10
Balance de masa.
Estado estacionario.
En operación en el punto pico, la temperatura de condensación es , por lo tanto el
agua de enfriamiento a plena carga entra al condensador con temperatura ambiente
= 22°C y tiene que salir como máximo a según el ministerio de ambiente de
Colombia en la norma de vertimientos (Tabla 2.2).
Tabla 2.2 Parámetros generales a monitorear en los vertimientos puntuales y valores límite máximos
permisibles. [2]
Al hacer un volumen de control para el ducto de agua de refrigeración dentro del
condensador y considerando que el agua tiene un calor específico constante
se determina el .
( )
11
2.1.3 Bomba
Una bomba es una máquina hidráulica que sirve para elevar la presión que sirve para
elevar la presión que circula a través de ella. Esta bomba esta ubicada a la salida del
condensador, la cual eleva la presión de condensación del fluido de trabajo hasta la
presión de entrada del generador de vapor (caldera), en este caso por ser un ciclo Rankine
ideal la bomba es isentrópica (Figura 2.4).
Figura 2.4 Esquema de la bomba.
Suposiciones ciclo Rankine ideal. [3]
= Presión entrada turbina.
12
2.1.4 Generador de vapor (Caldera).
En este componente se lleva a cabo el cambio de fase del fluido de trabajo del ciclo de potencia. El fluido entra en estado líquido y al absorber el calor cedido por le fluido de
campos de colectores, cambia de fase y a la salida se tiene vapor sobrecalentado
(Figura 2.5).
Figura 2.5. Esquema generador de vapor (Caldera).
Datos de turbina del ciclo.
Con esta información y por medio de las tablas de vapor sobrecalentado se obtiene la
entropía y la entalpía.
El calor de entrada necesario para que el fluido logre la temperatura y la presión a la que
trabaja la turbina es el siguiente.
Para estimar el fluido másico del aceite que viene de los colectores, primero se debe
escoger que tipo de fluido se utilizará teniendo en cuenta ciertos criterios.
Rango de temperatura
Degradación con el uso
El costo de inversión y operación
13
Tabla 2.3 Aceites térmicos utilizados en plantas solares.
En el diseño de los tubos de los colectores se debe tener en cuenta que durante las
noches el fluido se enfría, se puede alcanzar temperaturas por debajo de los 80°C por esto
se descarta el uso del Therminol 75.
Otro aspecto que se tiene en cuenta a la hora de escoger estos aceites es la degradación y
la información del fabricante del Shylthem 800 indica que se degrada con el uso, además
su precio es 5 veces superior al precio del Therminol VP1. Por estos motivos, el aceite que
se escoge finalmente para los colectores es el Therminol VP1 de Solutia.
Este aceite puede operar en fase líquida y vapor; por ello, para mantenerlo en estado
líquido, es necesario trabajar la presión de operación superior a la presión de vapor a las
temperaturas de trabajo del fluido, en la siguiente tabla se muestran algunas propiedades
importantes del Therminol VP1.
Tabla 2.4 Propiedades termodinámicas del Therminol VP1.
La máxima temperatura de uso es 400°C, pero teniendo en cuenta que a la salida del
campo de colectores solo llega al intercambiador a 393°C. Por medio de interpolación se
haya las propiedades del aceite a esa temperatura. La salida del aceite del generador de
vapor se estima que será igual a la temperatura de entrada al campo solar es decir 293°C.
14
Al hacer un volumen de control de todo el generador de vapor y por medio de un balance
de energía se despeja el
2.2 Resultados del análisis termodinámico
CORRIENTE P (MPa)
T(°C) h(KJ/kg) X(%) Observación Fluido de trabajo
1 2.354 390 3220.0438 -- Vapor sobrecalentado
Vapor de agua
2 0.017 56.41 2294.4093 0.87 Mezcla saturada Vapor de agua
3 0.017 56.41 236.132 -- Líquido saturado Agua
4 2.354 56.52 238.5045 -- Líquido comprimido Agua
5 1.2 393 782.23 -- Líquido Therminol VP1
6 1.2 293 538.5 -- Líquido Therminol VP1
7 -- 22 -- -- Líquido Agua
8 -- 27 -- -- Líquido Agua
Tabla 2.5 Propiedades termodinámicas del ciclo
Fluido de trabajo.
Calor de salida del condensador.
Fluido másico agua de refrigeración.
Trabajo de salida de la turbina
15
Trabajo bomba entrada
Calor de entrada al generador de vapor
3 DIMENSIONAMIENTO DEL ÁREA DEL COLECTOR PARA
DISTINTOS VALORES DE RADIACIÓN DIRECTA
El colector cilíndrico parabólico es un tipo de colector de concentración con foco lineal
que está formado por una serie de espejos que refleja la radiación solar directa
concentrándola sobre un tubo absorbedor colocado en la línea focal de la parábola. Esa
radiación hace que el fluido que circula por el interior del tubo se caliente,
transformándose así en energía térmica.
En estos dispositivos se presentan muchas pérdidas ópticas, geométricas y térmicas pero
en este caso se trabajará con las condiciones ideales, ya que realmente la energía térmica
útil en un CCP es menor si existieran dichas pérdidas.
3.1 Análisis del dimensionamiento de los colectores cilíndrico
parabólicos
La energía solar incidente sobre un colector cilindro parabólico viene dada por:
(1)
Energía solar incidente sobre el colector (W)
Siendo.
Área de apertura de la superficie reflexiva del colector ( )
= Radiación solar directa (
16
= Ángulo de incidencia
h= Horas de funcionamiento de la planta solar térmica (
Para este caso el ángulo de incidencia será de 0° o sea que los rayos solares caen
perpendicularmente al colector a todo momento, ya que se trabaja con condiciones
ideales y se supone que los colectores tienen un sistema de seguimiento perfecto. Este
ángulo reduce el área efectiva de captación y afecta los valores de reflectividad,
absortividad y transmisividad (Figura 3.1).
Figura 3.1 Representación del ángulo de incidencia sobre el colector.
Despejando de la ecuación (1) el área del colector y como el ángulo de incidencia es para
un rendimiento óptico pico el , contando que la transferencia de calor es del
100% se tiene que y con la suposición de que la planta trabajará con esa
radiación durante 6 horas diarias tenemos.
(2)
Área de apertura de la superficie reflexiva del colector ( ).
17
La gama de colectores solares es muy extensa y se clasifican según varios aspectos, uno de
estos aspectos es la razón de concentración que es la relación entre el área de apertura
del concentrador y área del foco o receptor.
(3)
Razón de concentración de los colectores parabólicos.
Para lograr temperaturas mayores en el aceite, es necesario cambiar el sistema de
captación, de manera que se aumente la concentración de calor. Estos colectores pueden
llegar a concentrar la energía solar en un punto específico para conseguir temperaturas
muy elevadas que pueden cubrir aplicaciones determinadas, como por ejemplo la
generación de electricidad.
Se muestran los diferentes tipos de colectores en función de la razón de concentración,
junto con el rango de temperaturas a las que se puede llegar (Tabla 3.1).
Tabla 3.1 Clasificación en función del factor de concentración.
18
Según esta clasificación y recordando el rango de temperatura con que se trabajo el
aceite, se escoge una razón de concentración de un sistema que tiene seguimiento a un
eje con absorbedores tubulares C=40.
Con base en la ecuación (3) y con el valor elegido del factor de concentración se obtiene.
(4)
Área del foco o receptor con un factor de concentración de 40 ( ).
El tubo receptor es uno de los elementos más importantes de la planta porque es donde la
energía solar se convierte en energía térmica por lo que el rendimiento de la planta
depende enormemente de este elemento. Por esta razón se debe escoger un tubo
receptor que sea el adecuado para este tipo de plantas termo-solares y que sean
comerciales.
En la actualidad sólo dos fabricantes suministran tubos receptores para los proyectos de
plantas termo-solares los don son Alemanes Siemens y Schott (Tabla 3.2).
Tabla 3.2 Proveedores de tubos receptores para plantas termo-solares.
19
Analizando las especificaciones de los dos fabricantes se puede observar que no hay gran
diferencia, pero se elegirá el SIEMENS UVAC 2010 porque a diferencia del SCHOTT PTR 70,
SIEMENS es una empresa con mayor experiencia y es preferible trabajar con materiales de
buena calidad y garantizados en este tipo de proyectos, para que a largo plazo no ocurra
ningún tipo de falla o inconveniente.
Como el área del receptor es igual al diámetro del tubo multiplicado por su longitud y
basado en la ecuación 4 y en el diámetro exterior del tubo metálico de las especificaciones
SIEMENS (70 mm) se obtiene una expresión para la longitud de tubería necesaria para
transportar el aceite.
(5)
Longitud de tubería del receptor y del colector (m)
Al obtener esta longitud ya se puede encontrar la única incógnita que hace falta para
diseñar el dimensionamiento del colector parabólico y es el diámetro de apertura, por
consiguiente tenemos la siguiente ecuación para obtener ese valor.
(6)
Diámetro de apertura del colector (m)
3.2 Número de filas en la planta termoeléctrica
Para saber el número de colectores necesarios por cada fila se recurre a usar la ecuación
de calor específico del aceite VP-1.
(7) Calor específico del aceite Therminol VP-1
20
El incremento de la entalpía se puede expresar en función del calor específico del aceite,
luego se integra entre las temperaturas de salida y entrada a los colectores para obtener
la siguiente fórmula.
) (8)
Ecuación para obtener el incremento de temperatura en cada colector
La potencia térmica del sol en este caso es de 6946.305 KW, entonces con este valor y
resolviendo la ecuación (8) de segundo grado se obtiene.
Por lo tanto, el incremento de la temperatura en un colector es de:
En los colectores es necesario un salto de 107 °C ya que la temperatura a la que sale el
aceite es de 400°C para luego entrar al generador de vapor y hacer el respectivo
calentamiento al fluido de trabajo; y en un solo colector se consigue un aumento de
44.35°C por consiguiente el número de colectores necesarios a conectar en serie dentro
de cada fila será.
A continuación se analizará en que posición se disponen los lazos que pueden ser en U o
en W. Los lazos en U son dos alineaciones de SCA cada una con un total de 300 metros de
ida y 300 de vuelta. Los lazos en W están formados, como todos los lazos, por 4 SCA pero
los 4 se disponen en paralelo (4 tramos de 150 metros)
21
Figura 3.2 Disposición lazo en U y en W
En este caso se trabajará con lazos en U, para que las filas se puedan disponer en esta
configuración y adoptar una configuración del tipo “alimentación central” para las
tuberías de campo de colectores, se contará con 4 colectores conectados en serie por
cada lazo porque desde el punto de vista constructivo es conveniente elegir un número
par de colectores.
Para la obtención del número de filas bastará con hallar el cociente entre la longitud
necesaria para la construcción de los colectores y el número de colectores conectados por
cada lazo multiplicado por la longitud de cada colector.
(9)
Número de lazos
22
3.3 Resultados del dimensionamiento de los colectores cilíndricos
parabólicos
Valor de la radiación ( ⁄ ) 800 600 400
Área del colector ( ) 52101.75 69469 104203.5
Área del receptor ( ) 1202.54 1736.73 2605.09
Longitud (m) 18607.74 24810.35 37215.54
Diámetro de apertura del colector (m)
2.8 2.8 2.8
N° de filas 31.01 41.35 62.03 Tabla 3.3 Resultados del dimensionamiento de CCP
4 Análisis de bombas, tuberías e intercambiador de calor
4.1 Bombas y tuberías
4.1.1 Bomba de condensado y tubería del ciclo de potencia
En el ciclo de potencia se requiere que la bomba distribuya por lo menos
de
agua a 56°C desde el condensador que esta a una presión de 17 KPa hasta el generador de
vapor que tiene una presión de 2354 KPa. Se supone que no hay diferencia de alturas
entra el punto de succión y el de descarga por lo tanto .
Para encontrar se utiliza la ecuación de Bernoulli teniendo en cuenta los diámetros de
succión y descarga
(10)
Ecuación de Bernoulli para la bomba de condensado
23
Decisiones de diseño: La línea de succión tiene una longitud de 5 m; la de descarga mide
14 m.
Para el consumo eléctrico se tiene la siguiente ecuación
(11)
Potencia de una bomba
4.1.2 Bomba de agua de alimentación y tubería necesaria
Las bombas de agua de alimentación impulsan el fluido de un recurso hídrico para
recorrer el ciclo de potencia; la bomba realiza una compresión adiabática y reversible en
el caso ideal, este sistema necesita bombear 823
a una temperatura promedio de
25 °C desde un río hasta un condensador para enfriar el fluido de trabajo.
Decisiones de diseño: La línea de succión tiene una longitud de 4 m; la de descarga mide
70 m.
Para hacer el Bernoulli y tener el valor de la cabeza se hacen las siguientes suposiciones:
El punto inicial se toma en el río y como para captar agua se necesita hacer una
represa hay fenómeno estanque, por lo tanto la velocidad en este punto es 0.
En el punto inicial de la tubería y en el punto del vertimiento del agua al río se
cuenta con presión atmosférica; por lo tanto la diferencia de presiones es nula.
Finalmente los dos puntos donde se hará el Bernoulli se considerarán a un mismo
nivel entonces
(12)
Ecuación de Bernoulli para la bomba de alimentación
Ahora con la ecuación (11) y la (12) se encuentra la potencia para la bomba de
alimentación.
24
4.1.3 Bomba del fluido de transferencia de calor y tubería
Para este caso se va a suponer que el aceite se trabajará a una presión constante desde el
generador de vapor hasta los colectores parabólicos que es donde se va a hacer el
Bernoulli. El Therminol VP1 puede trabajar en fase líquida y vapor; por ello, para
mantenerlo en estado líquido, la presión debe ser superior a la presión de vapor a las
temperaturas de trabajo, por lo tanto se necesitan tuberías de alta presión, se sugiere
trabajar con una tubería de hierro dúctil Clase 150 para presión de servicio de 150 psi
(1.03 Mpa).
Decisiones de diseño: La línea de succión tiene una longitud de 6m y la de descarga 180m,
la diferencia de alturas mide 8m
(13)
Ecuación para la bomba de transferencia de calor y tubería
Finalmente con la anterior ecuación y con la ecuación (11) se logra despejar el consumo
eléctrico de la bomba.
4.1.4 Resultados y dimensiones
Bomba
Diámetro nominal
de succión (pulg)
Diámetro interior
de succión (mm)
Diámetro nominal
de descarga
(pulg)
Diámetro interior
de descarga
(mm)
P
(KW)
Condensado ⁄ 0.0409 1 ⁄ 0.0351 238.23 5.44
Alimentación 10 0.2545 8 0.2027 17.95 40.34
Fluido Trans.Calor
4 0.1041 3 ⁄ 0.0942 50.56 10.86
Tabla 4.1 Potencia de las bombas de la planta termosolar
25
4.2 Intercambiador de calor
4.2.1 Dimensionamiento del intercambiador de calor aceite-agua
El intercambiador térmico aceite-agua opera transfiriendo calor del aceite a el agua
cuando, debido a la radiación directa, el flujo másico del VP1 se calienta y transfiere calor
al flujo de potencia.
En el peor de lo casos, cuando no existe radiación solar, por lo tanto el flujo másico que
viene de los colectores no se calienta, es necesario tener un tanque de almacenamiento
con sales que deberá descargarse y traspasar energía térmica al aceite. En el desarrollo de
este trabajo no se considera la descarga de sales, ni tanques de almacenamiento térmico.
El intercambiador de calor para el modelo será dimensionado como un intercambiador de
contraflujo y de tipo carcasa y tubo.
Se considera que el calor entregado por el aceite al agua es el mismo, debido a que no se
tienen en cuenta las pérdidas que ocurren durante el intercambio térmico.
Con las temperaturas que operan en el intercambiador, con el flujo de calor que entrega
el aceite térmico y con un valor de coeficiente global de transferencia de calor igual a
se encontrará un valor para el área efectiva de transferencia de calor.
(14)
Flujo de calor que se entrega al fluido de trabajo
El valor de permite caracterizar la transferencia de calor como la diferencia
promedio de temperatura y esta definida por la siguiente ecuación.
⁄
(15)
Temperatura media logarítmica del intercambiador
26
Para un intercambiador de calor a contraflujo y y para este caso en específico se
define como.
El área efectiva del intercambiador de calor será de 433.152
Ahora teniendo el área se obtiene el producto “UA” que sería igual a
98934.96
= 85207.97
. Si el producto UA está en el orden de 45359 a 90718
el
intercambiador de contracorriente verdadera de tubos concéntricos está bien diseñado. La siguiente tabla será útil para seleccionar el diámetro del tubo externo en un intercambiador de contracorriente pura de tubos concéntricos.
Tabla 4.2 Parámetros para seleccionar el intercambiador
Se elige un diámetro externo del tubo de 16 pulgadas (406 mm), ya con estos datos se puede estimar una longitud de tubería para el intercambiador y elegir el tipo que se acomode a las necesidades del equipo.
27
5 Inversión de la planta solar térmica
Al hacer un estudio económico de cualquier proyecto lo primero que se tiene que estimar
es la inversión, siendo esta la base para poner en ejecución y producción el proyecto.
El costo de instalar un campo solar es equivalente al 44-55% del valor de la inversión total,
la primera planta termo-solar instalada en California (SEGS I) tuvo un valor de
4500 $/KW pero con las demás plantas solares que se construyeron el costo se redujo a
2900 $/KW. La posibilidad de reducir ese costo es muy grande aún, debido a que la
tecnología tiene muchas áreas por explorar y tiene un gran potencial de ser desarrolladas.
Antes de saber el costo de KW generado, se tiene que elegir un generador para saber la
eficiencia y para este caso se trabajará con un generador de vapor de la empresa ABB a
continuación se muestran las especificaciones del generador AMG 0450.
Tabla 5.1 Especificaciones generador para turbinas de vapor
Basado en el catalogo y en la potencia de salida de la turbina de vapor se tiene que la
potencia eléctrica generada será.
A la potencia eléctrica se le restará la potencia necesaria para las bombas para así obtener
la potencia neta que llegará a nuestras casas, este resultado será igual a 1293.55
28
Concepto Precio Unitario Total
Coste potencia generada ($/KWe) 5’461396 7064’588796 Tabla 5.2 Costo de la potencia generada
Para el análisis económico se han considerado algunos datos que se han establecido de
algunas referencias bibliográficas como: Sargent & Lundy Consultin group “Assesment of
parabolic trough, technolgy cost and performance forecast” y Eurotrough: “Parabolic
Trough Collector Developed for cost Efficient Solar Power Generation, International
Symposium on Concentrared Solar Power and Chemycal Energy Technologies” y también
se tuvo en cuenta el precio que aparece en los catálogos de las tuberías y del aceite VP1.
Concepto Precio Unitario Total
Coste campo solar ($/ 534125.04 40197’226770
Coste bloque de potencia ($/KWe ) 1’814988 2796’364308
Coste generador de vapor ($/KW) 42250.32 293’508887.4
Coste tubería del ciclo de potencia ($/m) 13902 834120
Coste tubería del río al condensador ($/m) 334391.70 25’079377.5
Coste tubería de los colectores solares ($/m) 89374.55 1’698134.5
Coste del Therminol VP1 ($/Kg) 5185.68 --- Tabla 5.3 Algunos costes de la inversión
La inversión más grande corresponde a la construcción del campo solar, otra de las
inversiones bastantes significativas es el de la potencia generada. Un aspecto que se debe
tener en cuenta es que la manera en que generan electricidad estas centrales
termoeléctricas conlleva una ocupación de terreno muy grande para instalar los
colectores con su correspondiente cimentación a base de pilotes de hormigón, se obtiene
que la inversión en este tipo de plantas sea muy superior a lo estipulado anteriormente.
De la inversión realizada en el bloque de potencia se estima que aproximadamente el 50%
corresponde a la fabricación y puesta en marcha de la turbina. El otro 50% corresponde a
gastos en bombas, válvulas, sistemas de refrigeración, sistemas de agua entre otros.
29
6 Conclusiones
El uso de la energía solar en Latinoamérica apenas esta en desarrollo para aplicaciones a
gran escala, por lo que sería de gran ayuda la colaboración de países que tengan
experiencia en el diseño e instalación de este tipo de plantas solares. En este trabajo se
realizo el dimensionamiento de una central termo-solar sin almacenamiento que será
instalada en la ciudad de Medellín- Colombia, con el propósito de saber el área ocupado
por los colectores cilíndricos parabólico con distinto valor de radiación directa junto con
algunos costos de generación.
Dentro de los resultados que se obtuvieron, se puede concluir que son valores que están
un poco alejados a los verdaderos, ya que se trabajo usando muchas suposiciones, pero
que pueden ser una base fuerte para trabajar más adelante con la radiación directa
variable y con algún tipo de almacenamiento por medio de sales fundidas. Con este
almacenamiento la planta logre trabajar por una cantidad mayor de horas al día, para que
así pueda ser competitiva ante las otras tecnologías de generación de electricidad
convencionales.
La gran ventaja de este tipo de tecnologías ante las otras es que estas no emiten gases de
efecto invernadero y no contribuyen al calentamiento global; por esta razón en un futuro
cercano o lejano a medida que los problemas de contaminación aumenten, los entes
encargados de tomar decisiones se verán en la obligación de implementar tecnologías
alternativas lo cuál ayudará a incrementar su desarrollo.
Estas plantas se caracterizan por estar en desiertos y escaso suministro hídrico, por lo que
no podría ser implementada al lado de un río como se hizo en este proyecto, entonces se
sugiere que se realice el cálculo para el funcionamiento de la planta con colectores
cilíndrico parabólicos pero con una torre de refrigeración seca.
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7 Bibliografía
[1] Catalogo V-FLO- Data Sheet for condensing Turbines- NI.5-235
[2] Ministerio de ambiente y desarrolo sostenible “Por la cual se establecen los parámetros y los
valores límites máximos permisibles en vertimientos puntuales a cuerpos de aguas superficiales y
a sistemas de alcantarillado público, y se dictan otras disposiciones.” Capitulo IV
[3] Yunus A. Cengel ; Jhon M. Cimbala. Mecánica de fluidos fundamentos y aplicaciones. Mc Graw
Hill, segunda edición Capítulos 6 y 7.
Catalogo aceite Therminol VP1.
Manueal de energías renovables – Ministerio de industria y comercio España
LV generator catalogue ABB
Centro de innovación tecnológica con énfasis en combustibles líquidos y gaseosos.
Universidad Nacional de Colombia
Yunus A.Cengel; Jhon M. Cimbala. Termodinámica y sus aplicaciones. Mc Graw Hill, Octava
edición capítulo 9.
