Paloma Rom谩n G贸mez
A. CHIMENEAS SOLARES B. CENTRALES DE CONCENTRACIÓN DE LOS RAYOS SOLARES B.1. CENTRALES CON SISTEMAS DE CONCENTRACIÓN BIDIMENSIONAL 2D B. 2. CENTRALES CON SISTEMAS DE CONCENTRACIÓN TRIDIMENSIONAL 3D
B.2. 1. DISCOS PARABÓLICOS B. 2. 2. RECEPTOR CENTRAL
La tecnología de los sistemas disco-motor es la más antigua de las tecnologías solares, pero su desarrollo ha sido mucho más lento. Se remonta a 1800, cuando varias empresas demostraron la posibilidad de desarrollar sistemas solares basados en los ciclos de Rankine y de Stirling.
Normalmente los sistemas termosolares de disco parabólico están formados por:
Reflector o concentrador parabólico (espejo/s)
Sistema de seguimiento
Receptor o transformador de energía solar
Motor Stirling o Recuperador térmico que genera electricidad
El espejo o reflector sigue automáticamente el sol, concentrando la radiación solar sobre el motor Stirling situado en su foco. El motor es un recuperador térmico que aprovecha la energía solar para calentar un gas en ciclo cerrado, dicho gas, (generalmente helio o hidrógeno) sigue ciclos sucesivos de enfriamiento y compresión en un foco frío, seguidos de calentamiento y expansión en el foco donde incide la radiación concentrada, este movimiento continuo acciona el pistón del motor stirling que produce un movimiento mecánico, que mediante un generador es convertido en energía eléctrica.
La experiencia operacional con sistemas disco Stirling se limita a experiencias piloto desarrolladas en EE.UU, Europa (en concreto, en la Plataforma Solar de Almería, España) y Australia. La tecnología ha evolucionado hacia la construcción de unidades autónomas conectadas a motores Stirling situados en el foco, con potencias de 7-25 kW, dependiendo del diámetro del disco.
Los sistemas disco Stirling presentan una alta eficiencia en la conversión de la radiación solar en energía eléctrica, entre 25-30%, mayor eficiencia que el resto de las tecnologías termosolares. Además, se pueden conseguir relaciones de concentración superiores a 3.000, lo que permite alcanzar temperaturas entre 650 y 800°C y eficiencias nominales en los motores Stirling entre 30-40%.
La primera generación de discos estuvo formada por configuraciones faceteadas de vidrio/metal, que se caracterizaron por unas altas concentraciones y excelentes resultados, pero a precios muy elevados y con estructuras muy pesadas.
1984: se pone en funcionamiento durante un periodo de 18 meses, el disco Vanguard en el Rancho Mairage (desierto de Mojave, California). Este prototipo tenía un plato de vidrio y metal con 336 facetas, 86,7 metros cuadrados de área. Llevaba un motor/generador de 25 kW de United Stirling AB (USAB) modelo 4-95 Mark II, con un con un receptor de DIR de 20 cm de apertura. Este motor dispone de cuatro cilindros con un desplazamiento de 95 cm3 por cilindro. Los cilindros están dispuestos en paralelo y montados en un cuadrado. Están interconectados con el regenerador, el enfriador y usan pistones de doble acción. El gas de trabajo era hidrógeno a una presión máxima de 20 MPa y una temperatura de 720 ºC. Con más de un 30 % de conversión neta (incluyendo consumos auxiliares), todo un record mundial en la conversión de energía solar en eléctrica.
ADVANCO Disco Vanguard
1984-1988: McDonnell Douglas (ahora Boeing) desarrolló un disco con la misma tecnología del disco Vanguard, aunque introduciendo algunas mejoras. Este prototipo tenía un plato de vidrio y metal, de 10,5m de diámetro con 82 facetas, (87,7 m² totales). Con un motor de 25 kW de USAB modelo 4-95 Mark II motor Stirling para producir energía para la red eléctrica. Se construyeron seis unidades de 25 kW que operan en varias compañías eléctricas
Disco operativo en el desierto de Mojave (Daggett, California), junto a la desaparecida torre “Solar One” Disco experimental en las instalaciones del laboratorio de pruebas de Georgia Power en Shenandoah
1983 – 1989 : Se pone en marcha en Shenandoah Georgia el Proyecto llamado Energía Solar Total (STEP), proyecto piloto de planta solar de 400 kw, formada por 114 concentradores de 7 metros de diámetro, cada uno dividido en 21 gajos de chapa recubierta con una película de aluminio reflectante FEK 244. La energía eléctrica generada fue utilizada para satisfacer las necesidades de calefacción y de aire acondicionado en una fábrica textil cercana.
1985 : Entra en funcionamiento la Planta solar 1 de la empresa de energía LaJet en Abilene Texas. Compuesta por 700 concentradores de tipo LEC- 460 ocupando una superficie total de 30.590 metros cuadrados. Como fluido de transferencia utiliza sales. La planta tiene una capacidad eléctrica de 4,92 Mw. La potencia máxima del sistema es de 460C.
Entre 1987-2006: Los ingenieros de Science Applications International Corporation (SAIC), de la Universidad de Nevada, Las Vegas desarrollan en dos fases sucesivas un sistema de energía solar de concentración: ◦ En la primera fase, en laboratorio experimental que la compañía tiene en Golden, Colorado, fue diseñado y construido un concentrador parabólico facetado constituido por 12 facetas, cada una de 3 metros de diámetro de acero inoxidable sobre el que se dispone lámina de fino cristal fino o una película de material reflexivo, que estirada adopta una forma cóncava. Los espejos concentran los rayos del sol en un receptor térmico que se extiende a unos 40 metros desde el centro de la estructura. El calor es utilizado por un motor Stirling que opera con una eficiencia de conversión solar-eléctrica de más del 24%.
◦ En la segunda fase, SAIC desarrolla una su segunda generación, de sistemas parabólicos Stirling con mejoras en el sistema de la primera que incluyen un receptor híbrido que puede producir energía utilizando el sol o la quema de combustible, un nuevo concentrador más grande, y un motor mejorado.
1994: La empresa de energía LaJet pone en funcionamiento un nuevo campo solar “Planta solar 2” con 400 concentradores de tipo LEC- 460 para la producción de vapor.
El consorcio SES (Stirling Energy Systems) de Fenix (Arizona) sigue investigando con la tecnología de motor Stirling, actualmente en desarrollo desde su invención en en 1884 por los Laboratorios National Nuclear Security Administration's Sandia, a la que introduce nuevas modificaciones, relanzando su aplicación, con la denominación de disco SES/Boeing.
2004: Se desarrolla la planta experimental en los laboratorios de Sandia, constituida por 6 unidades de discos parabólicos trabajando conjuntamente, con el objetivo de mejorar el rendimiento y la fiabilidad de los sistemas. La instalación produce hasta 150 kW al día. Cada uno de los platos, consta de 82 espejos pequeños, dispuestos para formar un disco, con estructura de panal. Los espejos se laminan con de aluminio.
2008: Sandia National Laboratories y Stirling Energy Systems establecen un nuevo récord mundial en la eficiencia de conversión de energía solar a la red, gracias a los avances introducidos. El registro establece una eficiencia de conversión de 31,25 % superando el récord anterior, de l 29,4 % alcanzado en 1984. Las mejoras introducidas en los sistemas Stirling, del proyecto de Sandia, (sistema “SunCatcher”) son: • Se mejora la óptica, los espejos son fabricados con un cristal de hierro recubiertos de una lámina de plata que los hacen altamente reflectantes, así del 94% de la luz solar incidente, se refleja el 91% • El plato adopta un nuevo diseño radial • Se sustituye el radiador por uno nuevo más eficaz y de menor costo. • Se sustituye el generador por uno nuevo de alta eficiencia.
2010: La empresa americana SES pone en funcionamiento la planta de Tessera Solar en Maricopa (Arizona), primer proyecto solar a escala comercial que utiliza la tecnología SunCatcher y allana el camino para la construcción de granjas solares de tecnología Stirling de 1.5 GW en California y Tejas. La planta solar de Maricopa cuenta con un total de 60 unidades de discos SunCatcher de tecnología Stirling, proporciona 1.5MW de potencia eléctrica renovable. Los sistemas SunCatcher usan concentradores solares de disco parabólico (de 12 metros) que concentran la radiación solar en una unidad de conversión de energía (PCU). El sistema sigue la radiación solar y calienta hidrógeno para alimentar un motor Stirling de cuatro cilindros que genera electricidad. Cada uno de los discos SunCatcher puede producir hasta 25KW de potencia.
1994: La universidad Nacional de Australia (ANU) (Camberra, Australia) finaliza la construcción del primer prototipo de disco parabólico de grandes dimensiones, llamado SG3 (Sistema Solar de Generación 3). El disco tiene 400 m² de apertura, cuenta con 54 paneles de espejos triangulares apoyados en una estructura metálica hexagonal. Tiene un receptor SG3 en una cavidad situada en el extremo de un tubo enrollado helicoidalmente de acero inoxidable. Este receptor produce vapor sobrecalentado a 5MPa y 500 ° C. El prototipo SG3 está conectado a una pequeña máquina de vapor capaz de generar 45kWe. El rendimiento térmico de energía solar a vapor es aproximadamente del 85 % .
Unidad similar al SG3 localizada en el Centro Nacional de EnergĂa Solar Ben - Gurion situado en Midreshet Ben Gurion en el Desierto de Neger, Israel. Se trata de un disco con una superficie reflectante de 420 m² compuesta de 216 espejos triangulares.
1996: La Universidad Nacional Australiana (ANU) construye las instalaciones de White Cliffs, con el objetivo de ayudar al estudio de la tecnología solar térmica. La instalación estaba compuesta por 14 discos parabólicos con un colector de energía solar térmica en el centro del plato, que transformaba agua en vapor, y que conectado a una máquina de vapor alternativo producía electricidad.
La compañía Solar Systems de Australia se hizo cargo del sitio en 1997 y retiró los colectores térmicos y los reemplazó con colectores fotovoltaicos (Sistema CS500).
2003: La compañía Solar Systems de Australia termina de construir la central de energía solar de Umuwa en las tierras de los Anangu Pitjantjatjara de Australia del Sur. El sistema fue instalado para evitar a las comunidades aborígenes el consumo de diesel , eliminando así, la necesidad de 140.000 litros de diesel anualmente. El proyecto fue el primer despliegue del sistema de concentración solar CS500, sistemas CPV. Consta de 10 discos que están equipados con eficientes células a base de silicio fotovoltaico (PV).
La central tiene una potencia nominal de 220kW. La electricidad es convertida en corriente alterna y se exporta a la red eléctrica local, proporcionando una capacidad adicional y el apoyo a los generadores de diesel.
2005: La compañía Solar Systems de Australia termina de construir las centrales de energía solar de Hermannsburg, Yuendumu y Lajarmanu, situadas en el Territorio Norte de Australia. Con una potencia total de los sistemas de 720kW.
Hermannsburg consta de 8 x CS500 unidades con una potencia nominal de 192kW
Yuendum consta de 10 x CS500 unidades con una potencia nominal de 240 kW
Lajamanu consta de 12 x CS500 unidades con una potencia nominal de 288kW
2011: El Grupo de Energía Solar Térmica de la ANU (Universidad Nacional de Australia) pone en marcha su prototipo de disco parabólico de grandes dimensiones (500 m²), llamado SG4 (Sistema Solar de Generación 4). El pico de potencia durante las primeras pruebas fue de 30 kWe, con una presión de vapor máxima de 45 bar y temperaturas de vapor máxima de 380 ° C.
1986: Schlaich Bergermann y socios desarrollan un sistema llamado Eurodish con el que se pretende reducir los costes respecto a los modelos anteriores. Se construyen dos prototipos de 25kW que se instalen en Riad, Arabia Saudita. Cada receptor es de 17 metros de diámetro, con una superficie total de 227 m^2. El gas de trabajo para los cuatro cilindros del motor Stirling era del hidrógeno. Este sistema no estuvo conectado a la red y en funcionamiento hasta mediados de 1990.
1992: Schlaich Bergermann y Socios supervisar la construcción de un disco parabólico Eurodish Stirling de 9kw EuroDish Stirling en una exposición pública en Pforzheim, Alemania. El prototipo tenía de 7,5 metros de diámetro con más de 44 m^2 de superficie , disponía un motor 160 V SOLO con helio como gas de trabajo. El sistema estuvo funcionando , durante la exposición, de forma continua durante medio año.
2002: Schlaich Bergermann y socios diseñan y supervisan la construcción de dos sistemas EuroDish Stirling de 10 kW . Uno localizado en Milán, Italia y el otro en el campus de la Universidad de Vallore en el sur de la India. Los discos son de 8,5 metros de diámetro con una superficie total reflectante de 57 m² que utilizan un motor, de unidad de control automático, 160 V SOLO. Como gas de trabajo utilizan helio.
2004: Schlaich Bergermann y socios diseñan y supervisan la construcción de un sistema EuroDish Stirling de 10 kW en Odeillo, Francia. Este sistema es de 8,5 metros de diámetro, con una superficie reflectante total de 57 m², utiliza un motor de 160 V SOLO (accionamiento automático y controlado por un PC a través de Internet) que utiliza hidrógeno como gas de trabajo. Este prototipo instalado en una zona de montaña, a unos 1600 m de altitud, tiene como objetivo probar su eficacia en condiciones climáticas, tales como, heladas extremas y nevadas.
La Plataforma Solar de Almería (PSA) cuanta con varias unidades de discos parabólicos de tres prototipos de concentrador diferente. Alguno de los discos tienen instalados un motor Stirling, motor de combustión externa que emplea el ciclo termodinámico del mismo nombre y que presenta dos ventajas que le hacen muy adecuado para esta aplicación: Es de combustión externa, es decir, el aporte energético puede realizarse mediante la luz solar recogida por el disco parabólico y concentrada en su zona focal. Es un ciclo de alto rendimiento termodinámico. El motor Stirling lleva acoplado un alternador, de manera que dentro de un mismo bloque situado en el foco del disco concentrador se realiza la transformación de la energía luminosa en electricidad que se puede inyectar en la red eléctrica ó bien destinarla a consumo directo en alguna aplicación próxima al lugar de emplazamiento. El rango óptimo de potencias para el conjunto disco/Stirling para ser competitivo en el mercado energético estaría en el orden de unas decenas de kilovatios donde aspiraría a competir con sistemas ya comerciales como los fotovoltaicos o los generadores diesel. Por otro lado, dos de los discos parabólicos están equipados para realizar ciclado térmico de materiales para receptores. Los proyectos desarrollados en la Plataforma Solar de Almería son:
DISTAL I DISTAL II EURODISH
Ubicaci贸n de las principales instalaciones de ensayo de la PSA (Desierto de Tabernas, Espa帽a)
1992: Entra en funcionamiento en la Plataforma solar de Almería una esta instalación compuesta inicialmente de 3 unidades de disco parabólico de 7,5 metros de diámetro capaces de recoger hasta 40 kWt de energía, con un motor Stirling SOLO V160, situado en su zona focal, capaz de generar hasta 9 kWe. El prototipo de concentrador se construyó aplicando la tecnología de membrana tensionada, la cual mantiene la forma parabólica mediante una pequeña bomba de vacío. Su reflectividad es del 94% y es capaz de concentrar la luz solar hasta 12.000 veces en el centro de su foco de 12 cm de diámetro. Su distancia focal es de 4,5 metros y el sistema de seguimiento es polar.
Dos unidades DISTAL I fueron desmanteladas en el año 2000 para ser reemplazadas por unidades EuroDISH de tercera generación.
1996 - 1997: En la PSA se lleva a cabo el proyecto DISTAL II, que supone la instalación y puesta en operación rutinaria tres nuevos discos basados en la tecnología de membrana tensionada.
Estos prototipos tienen un diámetro ligeramente mayor, 8,5 m, con lo que la energía térmica aportada al motor es de 50 kWt. Su distancia focal es de 4,1 m y el valor máximo de concentración es de 16.000 soles en el centro de su foco. El motor Stirling también ha evolucionado, tratándose ahora del modelo SOLO V161, de 10 kWe. El sistema de seguimiento es ahora del tipo acimut-elevación, con lo que se consigue la operación automática en modo orto-ocaso.
2000: Dentro del proyecto hispano-alemán 'EuroDISH„, Schlaich Bergermann y socios supervisar la construcción de dos sistemas dos nuevos prototipos de disco parabólico con motor Stirling EuroDish, de10 kW, en la PSA (Almería, España). Estos prototipos desarrollan un nuevo sistema de fabricación para el disco concentrador. Se abandona la tecnología de membrana tensionada y se utiliza un sistema de moldes y la fibra de vidrio.
Cada disco es de 8,5 metros de diámetro con una superficie total reflectante de 57 m². Utiliza un motor de 160 V SOLO (unidad automática) con el hidrógeno como gas de trabajo.
2011: Se desarrolla la primera experiencia comercial de disco Stirling en España de la mano de Renovalia con una potencia a instalar de 1 MW. La planta cuenta con un total de 333 discos parabólicos de 3kW cada unidad, en cuyo foco se alcanzan temperaturas de 700 grados centígrados. Cada unidad cuenta con un motor Stirling de 3 kw, suministrado por INFINIA, de pistón libre