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PLANTAS DE PLATOS PARABÓLICOS
Funcionamiento
Utilizan un espejo parabólico con seguimiento del Sol (2 ejes)
Concentra la radiación en su foco donde se encuentra el receptor que la absorbe y transfiere la energía a un fluido de trabajo.
La energía térmica del fluido es aprovechada en un motor térmico de tipo Stirling que la convierte en energía mecánica y luego en eléctrica mediante un generador acoplado al eje.
También puede utilizarse el calor directamente en procesos térmicos.
Tienen las mayores eficiencias ópticas, los mayores índices de concentración y la mayor eficiencia global de todos los sistemas de concentración.
El campo de aplicación incluye instalaciones pequeñas y medianas conectadas a red (hasta 10 MW agrupando dispositivos) y sistemas aislados.
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Partes principales
Concentrador parabólico (1)
Sistema de seguimiento (4, 5, 7, 9, 10, 11)
Receptor/absorbedor (3)
Motor/generador (3)
Sistema de control (8)
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PLANTAS DE PLATOS PARABÓLICOS
Concentrador parabólico
Concentraciones típicas de 1500 a 4000.
La superficie reflectiva (de hasta unos 25m de diámetro) puede ser de vidrio o plástico metalizado.
Existen numerosas formas constructivas, como por ejemplo segmentada en varios espejos (con orientación individual o fijos) o de una sola pieza.
Las piezas pueden ser de materiales rígidos o membranas tensadas.
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Concentrador parabólico (cont.)
Sistema de seguimiento en dos ejes
Sobre estructura giratoria o de poste.
La estrategia de seguimiento puede ser
A lazo abierto (trayectoria del sol pre-calculada)
A lazo cerrado (sensado de la mayor radiación recibida).
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Potencias
Existen varios prototipos y equipos comerciales en el rango de 3 a 50 kWe con áreas de apertura de 15 m2 hasta 500 m2.
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PLANTAS DE PLATOS PARABÓLICOS
Sistema de conversión (motor térmico)
Aunque se ha ensayado el ciclo Brayton y se están adaptando microturbinas, en la mayoría de los dispositivos ofrecidos comercialmente en la actualidad se utiliza el motor Stirling:
Alta eficiencia relativa
Alta densidad de potencia (40-70 kW/lt)
Bajo costo operativo
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PLANTAS DE PLATOS PARABÓLICOS
Motor Stirling (1816)
Convierte el calor capturado por el absorbedor en energía mecánica.
Combustión externa (la energía proviene del exterior del motor)
Puede usarse combustible para generar calor y operar cuando no hay suficiente radiación solar.
Tiene un lado caliente (absorbedor) y uno frío (radiador ventilado por aire).
Se acopla un generador eléctrico al eje.
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PLANTAS DE PLATOS PARABÓLICOS
Motor Stirling (cont.)
Ciclo térmico cerrado, utiliza el mismo gas (normalmente helio o hidrógeno) en todo el ciclo.
Se basa en la compresión y expansión del gas (cambio del volumen) a diferentes temperaturas para producir un trabajo mecánico neto.
El proceso ideal consiste en cuatro etapas, dos isotérmicas y dos isocóricas:
Compresión y expansión isotérmica del gas frío y caliente respectivamente
Calentamiento y enfriamiento a volumen constante (isocórico).
El cambio periódico de la temperatura se logra desplazando el gas entre dos cámaras (una fría y una caliente). Cuenta con un regenerador para almacenar temporariamente el calor.
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PLANTAS DE PLATOS PARABÓLICOS
Motor Stirling (cont.)
Tres configuraciones básicas
Alfa: dos pistones en cilindros separados conectados por el regenerador.
Beta: un arreglo de pistón/desplazador en línea en el mismo cilindro.
Gama: pistón y desplazador en cilindros separados.
ALFA GAMABETA
Cámara fría
Volante de
inercia Cámara
caliente
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Cilindro de
compresión
Cilindro de
trabajo
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Motor Stirling (cont.)
Principio de funcionamiento
Calentamiento a V constante (1-2)
El pistón de compresión se mueve hacia arriba (y el de trabajo se mueve hacia abajo por acción del volante de inercia), desplazando el gas (frío) hacia el lado caliente.
Al pasar por el regenerador absorbe el caloralmacenado. El regenerador se enfría.
Expansión a T constante (2-3)
El gas recibe calor de la fuente (radiación) y se expande isotérmicamente moviendo el pistón de trabajo hacia abajo y realiza trabajo.
Cuando el pistón sobrepasa el punto muerto, comienza a cerrarse (y el de compresión se abre).
PLANTAS DE PLATOS PARABÓLICOS
Motor Stirling (cont.)
Principio de funcionamiento
Enfriamiento a V constante (3-4)
El pistón de trabajo se mueve hacia arriba (y el de compresión hacia abajo por acción del volante de inercia), desplazandoel gas (caliente) hacia el lado frío.
Al pasar por el regenerador el gas cede el calor al regenerador y se enfría a la temperatura del lado frío mientras el regenerador se calienta a la temperatura del lado caliente.
Compresión a T constante (4-1)
El gas se comprime isotérmicamente y transmite el calor a la fuente fría, y se reinicia el ciclo.
Cilindro de
compresión
Cilindro de
trabajo
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PLANTAS DE PLATOS PARABÓLICOS
Receptor
Absorbe la radiación reflejada por el concentrador y la convierte en calor útil sobre un fluido que puede ser el de trabajo o intermedio.
Ocurren las temperaturas más altas del sistema (600-800°C)
Puede haber gradientes térmicos importantes cuando la calidad de los espejos no es buena.
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PLANTAS DE PLATOS PARABÓLICOS
Receptor (cont.)
De tubos iluminado directamente (DIR)
Es el más simple. Los tubos constituyen el absorbedor y por ellos circula el fluido de trabajo (normalmente helio o hidrógeno).
Monotubo
Un único tubo de gran longitud.
DIRMonotubo
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PLANTAS DE PLATOS PARABÓLICOS
Receptor (cont.)
Tubo de calor (heat-pipe)
Se utiliza un fluido intermedio (p. ej. sodio)para transferir el calor por cambio de fase.
El metal líquido se evapora en la superficie del absorbedor, y se condensa en los tubos que llevan el gas de trabajo, retornando al absorbedor. El proceso se da a temperatura aproximadamente constante.
El absorbedor es de estructura capilar. Normalmente de tipo cavidad (menores pérdidas) y el absorbedor está detrás del punto focal, mayor tamaño que la apertura.
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PLANTAS DE PLATOS PARABÓLICOS
Desempeño del sistema
Depende de la eficiencia del motor y del concentrador, de la radiación directa disponible y de la temperatura ambiente (fija la temperatura de la fuente fría y limita el rendimiento).
Parámetros de diseño y operación típicos
Por la baja inercia térmica reacciona rápidamente a las variaciones en la radiación y entra en operación en pocos minutos.
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PLANTAS DE PLATOS PARABÓLICOS
Desempeño del sistema (cont.)
Patrón de generación típico
Comienza a operar con 200-300 W/m2
de DNI.
Alcanza el máximo con 1000 W/m2. Si se sobredimensiona el concentrador se puede alcanzar la máxima potencia de salida con 800 W/m2.
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PLANTAS DE PLATOS PARABÓLICOS
Plantas
Yuma, California
100 kWe
260MWh/año
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PLANTAS DE TORRE CENTRAL Y HELIOSTATOS
Funcionamiento
Los espejos o heliostatos reflejan la radiación directa sobre el receptor ubicado en lo alto de la torre central.
La radiación se transforma en calor y se transfiere al fluido caloportador para producir vapor y utilizarlo en un ciclo térmico de generación.
Puede incluir almacenamiento o sistema de apoyo (gas, diesel, biocombust., etc.) para extender las horas de funcionamiento (mayor factor de capacidad).
Los espejos se deben separar suficientemente para evitar el apantallamiento entre ellos.
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PLANTAS DE TORRE CENTRAL Y HELIOSTATOS
Componentes principales
Torre central
Receptor
Campo de heliostatos
Almacenamiento térmico
Combustible de back up
Unidad de potencia (turbina y generador)
Sistemas de control
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CENTRAL DE TORRE Y HELIOSTATOS
Diseño de la planta
La planta se diseña para la aplicación específica, e.g. producción de electricidad, por lo tanto se define una potencia y un factor de capacidad.
Se realiza una optimización para producir la energía anual deseada al menor costo por unidad de energía (no se hace para un día específico).
Costo de capital total de la planta instalada más costos de O&M durante toda la etapa de operación.
La función de costo incluye
Costos fijos (permisos, diseño, accesos, transmisión, etc.)
Costos de capital (heliostatos, receptor, torre, sistema de transporte térmico y almacenamiento)
Costo de la Tierra (tiene en cuenta la DNI)
Área de heliostatos
Costos de O&M
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CENTRAL DE TORRE Y HELIOSTATOS
Heliostatos
Superficies reflectoras curvadas con seguimiento en dos ejes para mantener la imagen del sol sobre el absorbedor.
Representan una fracción significativa (40-50%) del costo total de la planta.
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CENTRAL DE TORRE Y HELIOSTATOS
Heliostatos (cont.)
Formas constructivas
Membranas tensadas
Vidrio-metal
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CENTRAL DE TORRE Y HELIOSTATOS
Heliostatos (cont)
Alineación de espejos facetados
Orientación de los segmentos (canteo) de manera de tener una imagenúnica del sol en el absorbedor
Se hace en forma individualpara cada heliostato (muy costoso).
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Espejos no canteados
Espejos canteados
Imagen sobre el receptor
CENTRAL DE TORRE Y HELIOSTATOS
Heliostatos (cont)
Tamaños
Típicos de 40m2 a 100-120m2.
Está cambiando el paradigma hacia heliostatos más pequeños (menos de 10m2) y mayor cantidad (escala de producción, menor costo).
Tal vez 10 o 100 veces más por MW. (Problemas de calibración y control? )
Torres múltiples?
Brightsource (Israel)
1640 x 7.2m2
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CENTRAL DE TORRE Y HELIOSTATOS
Heliostatos (cont)
Tamaños (cont.)
Gemasolar (España)
Superficie de 115.2m2
Configuración en “T”
35 facetas de 3mm de espesor, reforzadas con soporte de acero galvanizado estampado.
Fundaciones de concreto reforzado
Estructura de acero galvanizado
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CENTRAL DE TORRE Y HELIOSTATOS
Heliostatos (cont)
Posicionadores
Representan una parte importante del costo del heliostato.
Consisten en dos motores, uno para cada eje.
Deben ser robustos para soportar el peso de la estructura móvil y las cargas de viento.
Movimientos suaves para seguir al sol, con alta precisión y sin juego muerto.
Movimientos rápidos para ir a la posición segura.
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CENTRAL DE TORRE Y HELIOSTATOS
Heliostatos (cont)
Sistema de control
Normalmente hay dos niveles
Control central: establece los set points y estrategias para los helistatos
Control local: regula los servomecanismos de acuerdo a los set points del control central.
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CENTRAL DE TORRE Y HELIOSTATOS
Heliostatos (cont)
Limpieza
Para mantener la eficiencia, la frecuencia es cada 2 o 3 semanas
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CENTRAL DE TORRE Y HELIOSTATOS
Campo de heliostatos
La ubicación de los heliostatos se determina mediante algoritmos de optimización para maximizar la energía captada por unidad de área.
Además cada heliostato está sujeto a figuras de desempeño complejas.
Factores que se tienen en cuenta:
Efecto coseno (ángulo de incidencia)
Sombreado y bloqueo
Absorción atmósfera
Pérdidas en el receptor (calidad espejo).
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CENTRAL DE TORRE Y HELIOSTATOS
Campo de heliostatos (cont.)
Eficiencia óptica total para campo orientado al norte (HN).
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CENTRAL DE TORRE Y HELIOSTATOS
Campo de heliostatos (cont.)
Efecto coseno
El área efectiva se reduce por el ángulo de incidencia
El promedio anual del coseno en HN puede ser 0.9 a dos torres hacia el norte y 0.7 a dos torres hacia el sur.
Determina la forma: circular (cerca del ecuador) y a medida que crece la latitud los campos se extienden hacia el norte (sur en HS). Influye la altura de la torre (80-100m)
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CENTRAL DE TORRE Y HELIOSTATOS
Campo de heliostatos (cont.)
Control individual de cada heliostato
Durante el paso de nubes el sistema de control desenfoca los espejos
Analogía con la naturaleza?
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Central de energía eléctrica Girasol
CENTRAL DE TORRE Y HELIOSTATOS
Absorbedor o receptor solar
Es el dispositivo donde se concentra la radiación solar.
Además de absorbedor es el intercambiador de calor.
Esfuerzos por mejorar la eficiencia térmica y durabilidad.
Las temperaturas típicas están entre 500 y 1200°C.
La intensidad de radiación va desde 300 a 1000 kW/m2.
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CENTRAL DE TORRE Y HELIOSTATOS
Absorbedor o receptor solar (cont.)
Tipos constructivos
Por la geometría
Externos
De cavidad
Por la forma de irradiación
Directos
Indirectos (tubulares y volumétricos)
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CENTRAL DE TORRE Y HELIOSTATOS
Absorbedor o receptor solar
Tipos constructivos (cont.)
Tubular externo
Tubular plano Volumétrico
Tubular de cavidad
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CENTRAL DE TORRE Y HELIOSTATOS
Receptor tubular
Rangos de operación según el fluido
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CENTRAL DE TORRE Y HELIOSTATOS
Receptor volumétrico
Temperaturas
Metálicos: 800°C
Cerámicos: >1000°C
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CENTRAL DE TORRE Y HELIOSTATOS
Primeras plantas experimentales
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CENTRAL DE TORRE Y HELIOSTATOS
Centrales en operación
Plataforma solar en Sevilla, España
PS10
PS20
http://www.abengoasolar.com
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CENTRAL DE TORRE Y HELIOSTATOS
Centrales en operación
PS10 (10MW) – Sevilla, España
Primera planta comercial
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CENTRAL DE TORRE Y HELIOSTATOS
Centrales en operación (cont.)
PS20 (20MW) – Sevilla, España
1255 heliostatos diseñados por Abengoa Solar, de 120 m2
Torre de 162m, fluido: vapor.
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CENTRAL DE TORRE Y HELIOSTATOS
Centrales en operación (cont.)
Gemasolar (España)
Primera planta comercial conalmacenamiento térmico en sales fundidas.
19,9 MWe, 110 GWh/ año (FC~65%)
2.650 heliostatos en 185 hectáreas
Tanque de almacenamiento: generación por hasta 15 horas sin aporte solar.
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CENTRAL DE TORRE Y HELIOSTATOS
Centrales en operación (cont.)
Ivanpah (desierto de Mohave)
3 plantas que totalizan 377 MWe (14.2 km2)
173500 heliostatos de 15m2 (2 espejos)
Torres de 135m
Fluido agua (produce vapor a 565°).
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CENTRAL DE TORRE Y HELIOSTATOS
Esquema típico de un sistema con almacenamiento
Proyecto demostrativo Solar Two
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