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
Son pocas las centrales que se han construido empleando esta tecnología y normalmente son de experimentación, con lo que son de escasa potencia (entre 0,5 MW y 10 MW).
A continuación se muestran algunas de las termoeléctricas de concentración en torre existentes:
centrales
1969: Comienza a funcionar el horno solar de Odeillo, cuyos trabajos de construcción duraron 6 años de 1962 a 1968, situado en Odeillo, en los Pirineos orientales, al sur de Francia.
El edificio en el que se encuentra emplazado, es un laboratorio de investigación del CNRS que conjuntamente con la Universidad de Perpiñán se encuentra especializado en estudios térmicos a alta temperatura y en el comportamiento de los materiales sometidos a condiciones de temperatura extremas.
El horno solar de Odeillo, símbolo mundial de la energía solar en Francia es uno de los mayores hornos solares del mundo, con una potencia térmica de 1000 Kw
Funciona por concentración de los rayos solares mediante espejos reflectantes. Una primera serie de filas de espejos orientables (63 en total) situados sobre una ligera cuesta, recogen los rayos solares y los transmiten hacia una segunda serie de espejos "concentradores" que forman la enorme parábola en el edificio principal. Los rayos convergen a continuación hacia la zona superior del edifico central que los concentra sobre un objetivo, una superficie circular de 40 cm de diámetro, situada a 18 m. delante de la parábola. Usando este método, la temperatura en el objetivo puede alcanzar los 3400°C.
1978 – 1890: Se construye y completa la Planta Solar Eurelios ubicada en Andramo (Italia) este proyecto fue desarrollado ENEL junto con la Comisión de las Comunidades Europeas, en su diseño colaboró G. Francia. La Planta Solar Eurelios de 1 (MW) es una planta de tipo torre, constituida por 70 helióstatos de 52 m2 cada uno y 112 helióstatos de 23 m2 cada uno que calientan agua como fluido de trabajo
1978 Se finalizan las obras del NSTT (Dirección Nacional de Energía Solar Térmica Instalaciones de Pruebas) ), con sede en Albuquerque, Nuevo México, se encuentra dirigido por los Laboratorios Nacionales Sandia del Departamento de Energía de EE.UU (DOE)
Desde entonces y hasta la actualidad el laboratorio se dedica al desarrollo y prueba de sistemas de concentración de energía solar. El objetivo principal es proporcionar datos experimentales de ingeniería para el diseño, construcción y operación de los componentes y sistemas en el proyecto de plantas termosolares para la generación de electricidad a gran escala. Otra misión que viene desarrollando el laboratorio es la evaluación de materiales, para probar otras técnicas de conversión de energía (como la energía fotovoltaica y parabólica etc.), y para el desarrollo de la termoquímica y de los procesos metalúrgicos.
El NSTTF cuenta con un campo de 8 ha. de helióstatos y una torre de energía CRTF (Receptor Central Test Facility), un circuito de ensayo de sales fundidas, una plataforma giratoria para la prueba de los concentradores de energía solar térmica a través de un horno solar, instalaciones para pruebas de discos parabólicos, y numerosos edificios y equipos de prueba especializados
La torre CRTF es de 200 pies de altura con una base de 8 pies de espesor, 50 metros bajo tierra, donde se concentra la radiaci贸n solar procedente de un campo de cerca de 200 heli贸statos de unos 37,2 m2, cada uno, utilizada para los experimentos que se realizan en el NSTTF. La potencia t茅rmica total es de 5 MW.
1981 Se termina la construcción en el desierto de Mojave (Daggett, California), de la Planta Solar térmica de torre, Solar One, proyecto piloto destinado a producir electricidad a gran escala.
Su funcionamiento se basa en concentrar la energía del sol para producir calor a través de grandes espejos, o helióstatos, que siguen al sol, reflejando la luz del sol en un receptor de color negro, en la parte superior de la torre, el calor es transferido a un fluido de transferencia (aceite), que se utilizó para conseguir vapor de agua, que movía unas turbinas y generadores, al igual que en una planta de energía eléctrica tradicional.
Su principal problema era que no podía almacenar la energía.
Con este sistema se producían 10 MW de electricidad mediante el uso 1818 espejos con una superficie total de 72.500 m² .
Solar One fue terminado en 1981 funcionamiento desde 1982 hasta 1986.
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En 1996, Solar One fue remodelada y mejorada, rebautizándose con el nombre de Solar Two, mediante la adición de un segundo anillo de 108 helióstatos de 95m², así, con un total de 1.926 helióstatos, en una superficie total de 82.750 m² da al a central mayor potencia nominal.
Entre las modificaciones realizadas, cabe destacar: Incorporación a los helióstatos de un sistema de seguimiento del sol, más moderno, con un software de seguimiento. Nuevo receptor central más eficiente (300 pies de alto) con una temperatura máxima de salida 566º C. Adición a la torre central de un sistema de almacenamiento térmico. La adición de nitratos de sal fundida (60 % NaNO3 y 40 % KNO3), en lugar de agua o aceite, como fluido de transferencia de calor, permitió almacenar energía durante las horas nocturnas y días nublados. Fue el primer sistema de torre en tener almacenamiento térmico, sistema actualmente adoptado en este tipo de plantas.
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Hasta 1999, la planta solar Two estuvo operativa, en 2009 la planta desmantelada.
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1981 Inicia su funcionamiento la Planta Sunshine situada en Nio (Japón) con una corta andadura, ya que sólo estuvo en activo durante 3 años.
La instalación estaba compuesta por un campo de helióstatos que ocupaba una superficie de 12.900 m2 que concentran los rayos solares en lo alto de una torre central. Utiliza un receptor de vapor de agua y generaba 1 MW eléctrico.
1981: Se inaugura la Planta CRS en el desierto de Tabernas (Almería) como parte del proyecto SSPS (Small Solar Power Systems) de la Agencia Internacional de la Energía. Originalmente fue concebida como planta de demostración para la producción continuada de electricidad.
La instalación está compuesta por un campo de 90 helióstatos en una superficie 3700 m2 que concentran los rayos solares en lo alto de una torre, y un segundo campo con 20 helióstatos en la zona norte, que puede ser utilizado como apoyo. Utiliza un receptor refrigerado por sodio líquido que alcanza temperaturas de 520 °C, y genera 0,5 MW.
La torre, de 43 m de altura, es metálica y dispone de dos plataformas de ensayo:
La primera ocupa dos niveles a 32 y 26 m de altura y es una zona diáfana preparada para acoger ensayos de nuevos receptores para aplicaciones termoquímicas.
La segunda se encuentra en lo alto de la torre, a 43 m de altura, y alberga un recinto cerrado con puente grúa y un banco de ensayos calorimétrico, utilizado con éxito desde 1 para la evaluación de pequeños receptores volumétricos a presión atmosférica.
Actualmente, el campo de helióstatos CRS, ha sido mejorado con la conversión de todos sus helióstatos en unidades autónomas, que no precisa del uso de zanjas ni cableados, comunicadas por radio con el control central, alimentadas por energía fotovoltaica, gracias al apoyo económico obtenido por el Ministerio de Ciencia y Tecnología, a través de su Programa PROFIT.
1983 Se inaugura la Central Electro Solar (CESA-1) en las inmediaciones de Tabernas (Almería, España) proyecto promovido por el Ministerio de Industria y Energía español para demostrar la viabilidad de las plantas solares de receptor central y para permitir el desarrollo de la tecnología necesaria.
La instalación está compuesta por un campo de 300 helióstatos, tipo vidrio-metal, de 39,6 m2 de superficie cada uno, distribuidos en un campo norte de 16 filas con una extensión de 330 x 250 m. Al Norte del campo de helióstatos se sitúan dos áreas adicionales que son utilizadas como plataforma de pruebas de nuevos prototipos de helióstatos, una situada a 380 m de la torre y la otra a 500 m de distancia.
La torre es de hormigón y tiene una altura de 80 m. y dispone de tres plataformas de ensayo: Una cavidad adaptada para su uso como horno solar y ensayo de materiales, situada a 45 m de altura, que ha sido utilizada con gran éxito en la reproducción de la rampa de calentamiento, durante su reentrada en la atmósfera, de las piezas del escudo cerámico de los transbordadores espaciales y también en el tratamiento superficial de aceros y otros compuestos metálicos. Una cavidad con un banco calorimétrico de ensayo de receptores volumétricos presurizados a 60 m. Una instalación de ensayo de receptores volumétricos atmosféricos en la parte superior de la torre, a la cota de 80 m.
Utiliza un receptor de vapor de agua que alcanza temperaturas de 520 °C, y generaba 1,2 MW. En la actualidad CESA-I ya no produce electricidad, sino que se opera, con un alto grado de flexibilidad, como una instalación de ensayo de componentes y subsistemas como helióstatos, receptores solares, sistemas de almacenamiento térmico, turbinas de gas solarizadas, sistemas de control e instrumentación para la medida de altos flujos de radiación solar concentrada. También es utilizada para otras aplicaciones que requieran altas concentraciones fotónicas sobre superficies relativamente grandes, como es el caso de procesos químicos a alta temperatura, tratamiento superficial de materiales o experimentos astrofísicos.
B.2.2. Receptor central: Thémis
1983 Comienza a funcionar la Central solar Thémis, situada en Targasonne, (Francia) próxima al horno solar de Odelio. Era una planta destinada a la producción de electricidad, con receptor de sales fundidas que generaba 2,5 MW. La instalación estaba formada 201 helióstatos de 53,70 m2 cada uno que cubren una superficie de 11.800 m2, que calentaban una caldera situada en la parte superior de la torre de la central, de 100 m de altura, donde el líquido refrigerante (sales fundidas) con temperatura de entrada de 250° C y 450° C de salida, transportaba la energía térmica a un generador de vapor que accionaba una turbina eléctrica.
Estuvo en funcionamiento desde 1983 hasta 1986, momento en el que la central para su actividad debido a su falta de rentabilidad, pasando a utilizarse con fines pedagógicos, didácticos y científicos.
Existe un proyecto de rehabilitación que contempla reparar la mitad de los helióstatos para desarrollar una energía de 1 MW, mediante una turbina de gas instalada en la torre de la central y substituir la otra mitad por paneles fotovoltaicos. En 2007, se da el primer paso, con la instalación, a los pies de la torre, de 4 paneles fotovoltaicos móviles, de silicio monocristalino, que desarrollan una potencia de 30 kWp para un área total de 200 sensores cuadrados (50m ² por panel).
1985 SPP5 fue una de las plantas tipo torre central más modernas a nivel mundial, actualmente desmantelada.
Se situaba en Shcholkine (Ucrania), en la costa de la península de Crimea.
La instalación estaba compuesta por un campo de helióstatos que ocupaba una superficie de 40.000 m2 que concentraba los rayos solares en lo alto de una torre central de más de 100 m. Utilizaba un receptor de vapor de agua y generaba 5 MW eléctricos.
Desde 1988 el Instituto Weizmann en Rehovot (Israel) cuenta con una planta piloto termosolar de tipo torre de receptor central de 3MW que ha sido utilizada para desarrollar métodos de convertir la energía solar en energía química.
La instalación cuenta con un campo de 64 helióstatos ligeramente curvados, cada uno con una superficie de unos 50 m2 que dirigen los rayos del sol a un reflector hiperbólico central, de pequeño tamaño, montado en la parte superior de una torre de unos 54 m. de altura, que redirige la radiación solar en un concentrador secundario situado debajo, donde se alcanzan temperaturas superiores a los 1000 ºC. La energía solar concentrada pone en funcionamiento un reactor químico, con el que se experimenta para producir hidrógeno de forma limpia, segura y barata.
Receptor instalado en la torre
Concentrador secundario
Reactor solar
Desde 2001, se viene desarrollando el proyecto SOLZINC (Solar carbothermic production of Zn from ZnO) que investiga el almacenamiento de la energía solar mediante la producción de zinc metálico: La luz solar concentrada se utiliza para impulsar la reacción endotérmica ZnO + C -> Zn + CO. ZnO + C -> Zn + CO
Con la ayuda de la luz solar concentrada, el óxido de Zinc se calienta hasta unos 1.200 ° C en un reactor solar en presencia de carbono. El proceso separa al metal, liberando oxígeno y creando el zinc gaseoso, que se condensa a un polvo. Al polvo de zinc se le hace reaccionar con agua, produciendo hidrógeno, para ser utilizado como combustible, y óxido de zinc, para su reutilización en la planta solar.
El Instituto Weizmann, en 2005 señala los óptimos resultados alcanzados (producción de 45 kilogramos de polvo de zinc a la hora), así como las ventajas de dichos experimentos: La producción de Zinc es más económica y menos contaminante, que el mismo proceso realizado de forma convencional El zinc resultante puede ser fácilmente almacenado y transportado, para convertirlo en hidrógeno en el lugar que sea demandado. El método ofrece una manera de almacenar energía solar en forma química para ser liberada cuando sea necesario. Así, el zinc puede ser utilizado directamente, por ejemplo, en las baterías de zinc-aire, que sirven como convertidores eficientes de energía química en energía eléctrica.
Actualmente se sigue investigando con otros minerales metálicos, así como con materiales adicionales que puedan utilizarse para la conversión eficiente de la luz solar en energía almacenable.
2005: Comienza a funcionar la primera planta experimental de energía solar térmica de China utilizando la tecnología de WIS, se encuentra situada en Jiangning en la provincia oriental china de Jiangsu. La torre tiene 35 m. de, la central posee 75 kw de potencia nominal.
2006: Australia se suma al empleo de esta tecnología, CSIRO inicia la construcción en el NSCE (Centro Nacional de Energía Solar, Newcastle), de la torre solar Array.
El NSEC es la única instalación solar térmica de investigación que posee Australia
consta de tres elementos principales:
Una línea de alta concentración, con tecnología de torre que utiliza la energía solar para modificar químicamente los gases contenidos en los combustibles fósiles y producir un gas sintético bautizado como “SolarGas” que contiene un 25 % de energía, al ser un gas permite que la energía pueda ser almacenada y transportada fácilmente, además puede ser utilizado para generar energía eléctrica o para extrae hidrógeno de él.
Una línea de baja concentración constituida por colectores solares que se utilizan para superar los problemas transitorios de la luz solar.
Sala de control con centro de comunicaciones, de observación y sistemas de control.
La instalación de alta concentración esta compuesta por un campo de helióstatos de 200 espejos que concentran los rayos solares en una torre central de 30 m., construido en 3 piezas modulares se montadas en un pie de anclaje de hormigón armado que posee una estructura de anillo, específicamente diseñada para soportar un receptor que aprovecha la energía solar reflejada que alcanza temperaturas de más de 1200 ° C. y genera 500 Kw de energía
En 2011 entró en funcionamiento una nueva planta más grande construida por CSIRO construyendo, al lado de la Torre ARRAY,. El sitio está integrado por 450 espejos (heliostatos) ocupando una superficie de 4000 m2 que concentran la radiación solar en una torre de 30 metros de altura para producir aire sobrecalentado comprimido por encima de 900ºC, para una turbina de ciclo Brayton que sólo requiere sol y aire, para producir electricidad. La finalidad de este campo solar es depurar esta tecnología para abaratar costos y demostrar su eficiencia para poder ampliar su utilización en otras localidades del desierto australiano
2007 Se inaugura en Sanlúcar la Mayor (Sevilla, España) la planta PS10, primera planta comercial del mundo con tecnología de receptor central, construida por Abengoa en colaboración con el CIEMAT está conectada a la red eléctrica.
La instalación está constituida por 624 helióstatos (Sanlúcar 120) de 120 m2 cada uno que cubren una superficie de 60 ha, que calientan una caldera situada en la parte superior de la torre de la central, de 110 m de altura, El receptor es de vapor saturado, la potencia es de 11 MW y la producción de unos 24,3 GWh/año
2008: BrightSource Energy inauguró su Centro de Desarrollo de Energía Solar (SEDC) en el Parque Industrial Rotem en el desierto de Negev (Israel). El centro es un campo solar operativo que proporcionará a la compañía la capacidad de evaluar equipamiento, materiales y procedimientos así como también métodos operativos y de construcción.
Este campo solar experimental tiene todos los elementos de una planta comercial típica, pero a pequeña escala, incluye:
550 helióstatos formados por dos espejos de vidrio plano, una estructura de apoyo, un poste y un sistema de seguimiento. Cada helióstato, con una superficie reflectante de 14,4 m2, es controlado con un software de optimización que se encargar de que cada helióstato tienda a maximizar la captación de energía solar y la producción
Una torre de estructura metálica de 60 metros de altura, cuya parte superior está coronada por una caldera solar.
El receptor es una caldera de alta eficiencia tradicional situada en la parte superior de la torre, cuyos tubos están recubiertos con un material que maximiza la absorción de energía. La caldera convierte la energía concentrada del sol, reflejada por los helióstatos, en vapor sobrecalentado a 550 C de temperatura y 160 bares de presión.
El vapor sobrecalentado se transporta desde la chimenea hasta una turbina estándar donde se genera de 4 a 6 MW de potencia eléctrica. Desde allí, las líneas de transmisión llevan la energía a los hogares y las empresas. BrightSource utiliza la refrigeración de aire para convertir el vapor en agua nuevamente que vuelve a la caldera en un circuito cerrado.
2008: Comienza la construcción de la planta termoeléctrica Solar tres (proyecto Gemasolar), de la empresa Torresol Energy (en la que participa en un 60% el grupo de ingeniería español SENER, y en un 40% por MASDAR. Se trata de una innovadora planta de energía solar por concentración ubicada en Écija (Sevilla, España) que, una vez construida, en 2011, suministrará energía limpia y segura a 25.000 hogares y reducirá en más de 30.000 toneladas al año las emisiones de CO2.
El proyecto Gemasolar, basado en el concepto de concentración de torre de los proyectos experimentales Solar One y Solar Two desarrollados en EE.UU. supone el primer proyecto a escala comercial que se construye en el mundo, con tecnología de torre central y campo de helióstatos con sistema de almacenamiento de sales fundidas, compuesto que se emplea también como fluido de transferencia térmica.
La planta termosolar Solar tres con una potencia de 19 MW estará formada por una torre central, de unos 120 metros de altura, que integrará un receptor en su parte superior. Éste recibirá la radiación solar concentrada por un campo de reflectores, constituido por 2 600 helióstatos de alta reflectividad, de 96m2 cada uno, que ocuparán una superficie alrededor de la base de la torre de aproximadamente 320.000 m2. Así, en el receptor se alcanzarán temperaturas de 850ºC.
Este calor funde las sales que circulan, a través de tubos, por el receptor, y que alcanzan temperaturas de aproximadamente 565ºC. Las sales fundidas luego pasan por un intercambiador térmico para generar el vapor para la turbina. Parte de las sales fundidas se almacenan en un depósito térmicamente aislado que es utilizado cuando no hay sol.