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Departamento de Ingeniera Energtica y Fluidomecnica
Escuela Tcnica Superior de Ingenieros Industriales
ANLISIS Y PROPUESTAS DE SISTEMAS SOLARES DE ALTA EXERGA QUE EMPLEAN AGUA
COMO FLUIDO CALORFERO
Autora:
Mara Jos Montes Pita
Ingeniera Industrial
Directores:
Alberto Abnades Velasco (Doctor Ingeniero Industrial)
Marcelino Snchez Gonzlez (Doctor en Ciencias Qumicas)
2008
i
Tribunal nombrado por el Magfco. y Excmo. Sr. Rector de la Universidad Politcnica de Madrid, el da 26 de septiembre de 2008. Presidente: Jos M Martnez-Val Pealosa Vocal: Eduardo Zarza Moya Vocal: Jos Ignacio Linares Hurtado Vocal: Marta Muoz Domnguez Secretario: Juan Manuel Gonzlez Suplente: Manuel Antonio Silva Prez Suplente: Benigno Snchez Cabrero Realizado el acto de defensa y lectura de la tesis el da de de 200 en la E.T.S. Ingenieros Industriales. CALIFICACIN: EL PRESIDENTE LOS VOCALES
EL SECRETARIO
ii
iii
A mis padres, Carmen y Fernando, porque todo lo que soy os lo debo a vosotros.
A Miguel, por lo mucho que me quieres; por todas las horas dedicadas a esta Tesis que nos pertenecan.
Y a todas las personas que me han apoyado y animado durante estos cinco aos de mi vida.
iv
v
AGRADECIMIENTOS
En esta ltima pgina que escribo, quiero recordar y agradecer a todas las personas que de una forma u otra
han hecho posible la finalizacin de esta tesis.
Gracias en primer lugar a mi familia, que ha sido mi mayor apoyo durante estos cinco aos; a mis padres, por
su paciencia y por su cario incondicional; a mis hermanos y a mis sobrinos, por todos los buenos momentos
que hemos pasado juntos; a mi abuela y a mis tos, por haberme escuchado y por todos los consejos que me
han dado.
Gracias de manera muy especial a Miguel, por su presencia en todos los momentos, buenos o malos, que he
pasado durante estos aos, no slo relacionados con esta tesis. Gracias porque ha sido precisamente en los
momentos ms difciles cuando me he sentido ms querida.
Gracias a todas las personas de la Universidad Politcnica con las que he trabajado; gracias a Jos M
Martnez-Val, por su apoyo y por la confianza que siempre ha depositado en m; gracias a mi co-directores de
tesis, Alberto y Marcelino, por haberme guiado, pero tambin, por haberme dejado la suficiente libertad para
poder escoger y realizar esta investigacin que ahora presento. Gracias a M Jess, secretaria del
departamento. Y gracias a muchos otros profesores, con los que he podido hablar, de este y otros temas.
Gracias a mis compaeros de la UNED, con los que tambin he compartido muy buenos momentos: gracias a
Antonio, Sergio, Alicia, Chelo, Mireia, Marta, Maribel, Patrick, Paco, Santiago, Javier, y muchos otros, con
los que me inici en la actividad de la docencia y que recuerdo ahora con muchsimo cario.
Gracias a las personas del Ciemat que me han apoyado en este trabajo y en muchos otros. Gracias a mis
compaeros de solar: Benigno, Alfonso, Lourdes, Esther, Roco, Gemma; gracias en especial a Eduardo
Zarza, por todas las conversaciones que hemos tenido, por todo lo que he aprendido de l, y por todo lo que
me ha ayudado en esta tesis. Gracias a mis jefes y compaeros de ingeniera, en especial a Ramn, Germn,
Begoa, Jos Ignacio y Santiago. Gracias a todos los compaeros y jefes de los dos proyectos en los que
particip mientras estuve en el Ciemat.
Gracias a todos mis amigos, que han sabido entender los momentos en los que los he tenido ms olvidados;
gracias a mis amigos de la universidad, Gabriela, Ana, Jaime, Juan Luis, ngel; a mis amigos montaeros y
de las carreras; y a mis amigos del trabajo, en especial a Marta.
Y no quera terminar esta lista de agradecimientos sin recordar a todos los bibliotecarios que he conocido
durante estos aos, que se han preocupado por buscarme libros, referencias, etc. Gracias a los bibliotecarios
de la Escuela de Industriales, en especial a Dolores. Gracias a la bibliotecaria de energas renovables del
Ciemat, Luca. Y gracias a Izaskun y Antonio, verdaderos compaeros de trabajo. Gracias por todos los
momentos que he compartido con vosotros; porque vuestra presencia silenciosa, me ayud, desde el primer
da, a no sentirme sola.
Es imposible nombrar aqu a todas las personas a las que tengo que estar agradecida. Por eso, esta ltima
lnea est dedicada a todas esas personas cuyos nombres no he mencionado. Gracias, muchas gracias.
Mara Jos Montes Pita Tesis Doctoral
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Mara Jos Montes Pita Tesis Doctoral
vii
NDICE LISTA DE FIGURAS .................................................................................................................................. xiii
LISTA DE TABLAS ................................................................................................................................... xvii
RESUMEN ............................................................................................................................................ xxi
ABSTRACT .......................................................................................................................................... xxiii
INTRODUCCIN ........................................................................................................................................xxv
CAPTULO 1: ESTUDIO DE LAS TECNOLOGAS DE CONCENTRACIN SOLAR MEDIANTE COLECTORES CILINDRO PARABLICOS................................................................ 1
1.1. Introduccin 1
1.1.1. El Sol y la irradiacin solar................................................................................................................. 2
1.1.2. Parmetros caractersticos de las superficies reales para el aprovechamiento trmico de la radiacin
solar. ............................................................................................................................................................. 4
1.1.3. Clasificacin de los colectores solares en funcin de la razn de concentracin ............................... 7
1.2. Estudio de los colectores cilindro parablicos.......................................................................................... 10
1.2.1. Desarrollo de la tecnologa de colectores solares cilindro parablicos............................................. 11
i. La cimentacin y la estructura soporte ............................................................................................... 11
ii. Evolucin del reflector cilindro parablico ....................................................................................... 15
iii. Evolucin del receptor...................................................................................................................... 16
a. Diseo de tubo absorbedor propuesto por Solel ............................................................................ 18
b. Diseo de tubo absorbedor propuesto por Schott.......................................................................... 18
c. Diseos alternativos de tubos absorbedores .................................................................................. 18
iv. El sistema de seguimiento solar ........................................................................................................ 19
v. Fluidos de transferencia de calor empleados en los colectores CCP.................................................. 21
1.2.2. Primeras experiencias en plantas termosolares con colectores cilindro parablicos (1979-1990).... 22
i. SEGS-I................................................................................................................................................ 24
ii. SEGS-II ............................................................................................................................................. 25
iii. SEGS-III a SEGS-V ......................................................................................................................... 26
iv. SEGS-VI y SEGS-VII ...................................................................................................................... 26
v. SEGS-VIII y SEGS-IX ...................................................................................................................... 28
1.2.3. Proyectos actuales de plantas termosolares con colectores cilindro parablicos basadas en la
tecnologa convencional HTF..................................................................................................................... 31
i. Andasol ............................................................................................................................................... 31
ii. Central termosolar de Puertollano ..................................................................................................... 32
iii. Solnova 1 .......................................................................................................................................... 32
iv. Nevada Solar One (NSO).................................................................................................................. 32
1.2.4. Nuevos esquemas para plantas termosolares con colectores cilindro parablicos............................ 33
i. Sistemas solares integrados en ciclos combinados (ISCCS)............................................................... 33
ii. Ciclos de Rankine orgnicos (ORC).................................................................................................. 34
iv. Generacin directa de vapor (DSG).................................................................................................. 35
1.3. Sistemas de almacenamiento para plantas termosolares de colectores cilindro parablicos .................... 36
1.3.1. Almacenamiento trmico de la energa............................................................................................. 37
i. Almacenamiento trmico en forma de calor sensible ......................................................................... 38
a. Almacenamiento en un nico tanque............................................................................................. 39
a.1. Almacenamiento en un nico tanque con efecto termoclino ................................................. 39
Mara Jos Montes Pita Tesis Doctoral
viii
a.2. Almacenamiento dual en un nico tanque..............................................................................40
b. Almacenamiento en dos tanques....................................................................................................40
c. Almacenamiento en un sistema multitanque..................................................................................40
ii. Almacenamiento trmico con cambio de fase ....................................................................................41
1.3.2. Proyectos de sistemas de almacenamiento en plantas termosolares ..................................................42
i. Almacenamiento trmico utilizando aceite .........................................................................................43
ii. Almacenamiento en hormign ...........................................................................................................44
iii. Almacenamiento trmico utilizando sales fundidas ..........................................................................45
1.4. La generacin directa de vapor en colectores cilindro parablicos...........................................................47
1.4.1. Proyectos para la generacin directa de vapor en colectores cilindro parablicos previos al proyecto
DISS ............................................................................................................................................................47
i. El proyecto ATS..................................................................................................................................48
a. Fase 1 .............................................................................................................................................48
b. Fase 2.............................................................................................................................................48
c. Fase 3 .............................................................................................................................................49
d. Fase 4.............................................................................................................................................49
ii. El proyecto HIPRESS ........................................................................................................................49
iii. El proyecto GUDE ............................................................................................................................50
iv. El proyecto PRODISS .......................................................................................................................51
1.4.2. El proyecto DISS...............................................................................................................................51
i. La planta experimental DISS instalada en la PSA (1996-1998)..........................................................52
ii. Operacin y mantenimiento de la planta DISS (1999-2001)..............................................................56
a. Errores en el sistema de seguimiento del Sol .................................................................................56
b. Funcionamiento de las juntas rotativas ..........................................................................................57
c. Arranque y parada de la instalacin ...............................................................................................57
d. Control de la presin y temperatura del vapor ...............................................................................58
1.4.3. Nuevos proyectos para la instalacin de plantas termosolares comerciales con generacin directa de
vapor............................................................................................................................................................58
i. El proyecto INDITEP y la planta ALMERA GDV............................................................................58
ii. El proyecto REAL-DISS ....................................................................................................................61
a. Los tubos absorbedores..................................................................................................................61
b. Uniones colector-colector y colector-tubera .................................................................................62
c. El almacenamiento trmico............................................................................................................62
Bibliografa del captulo 1................................................................................................................................64
Lista de smbolos del captulo 1.......................................................................................................................68
CAPTULO 2: MODELO TERMOFLUIDODINMICO DEL COLECTOR CILINDRO PARABLICO PARA GENERACIN DIRECTA DE VAPOR .................................69
2.1. Caracterizacin ptica del colector cilindro parablico ............................................................................69
2.1.1. Parmetros para la determinacin de la posicin relativa colector-Sol .............................................70
i. Posicionamiento del Sol respecto a la superficie terrestre...................................................................70
a. Coordenadas horarias.....................................................................................................................71
b. Coordenadas horizontales ..............................................................................................................72
ii. Posicionamiento del colector en la superficie terrestre ......................................................................73
iii. Posicin relativa del Sol respecto al colector: ngulo de incidencia .................................................73
2.1.2. ngulo de incidencia de un colector cilindro parablico: definicin y clculo................................74
2.2. Prdidas pticas y geomtricas en un colector cilindro parablico...........................................................76
Mara Jos Montes Pita Tesis Doctoral
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2.2.1. Prdidas pticas en un colector cilindro parablico.......................................................................... 76
a. Reflectividad del espejo concentrador........................................................................................... 77
b. Factor de interceptacin ................................................................................................................ 77
c. Transmisividad de la cubierta de cristal ........................................................................................ 77
d. Absortividad de la superficie selectiva.......................................................................................... 78
e. Rendimiento ptico pico ............................................................................................................... 78
2.2.2. Prdidas geomtricas en un colector cilindro parablico.................................................................. 78
a. Prdidas inherentes al colector (Modificador del ngulo de incidencia) ....................................... 79
b. Prdidas por sombras entre filas (Row shadowing losses)............................................................ 80
2.3. Prdidas trmicas en un colector cilindro parablico ............................................................................... 84
2.4. Modelo termofluidodinmico del colector cilindro parablico para generacin directa de vapor............ 86
2.4.1. Balance energtico en una seccin transversal del tubo receptor ..................................................... 88
i. Transmisin de calor por conveccin entre el tubo absorbedor y el fluido......................................... 90
a. Fluido monofsico......................................................................................................................... 91
a.1. Ecuacin de Petukhov............................................................................................................ 91
a.2. Ecuacin de Gnielinski .......................................................................................................... 92
b. Fluido bifsico............................................................................................................................... 93
b.1. Correlacin de Gungor y Winterton ...................................................................................... 96
ii. Transmisin de calor por conduccin a travs del espesor del tubo absorbedor................................ 98
iii. Transmisin de calor del tubo absorbedor a la cubierta transparente ............................................... 99
a. Transmisin de calor por conveccin............................................................................................ 99
a.1. Vaco en el espacio interanular .............................................................................................. 99
a.2. Presin en el espacio interanular ......................................................................................... 100
b. Transmisin de calor por radiacin ............................................................................................. 101
iv. Transmisin de calor por conduccin a travs de la cubierta transparente ..................................... 101
v. Transmisin de calor de la cubierta transparente a la atmsfera...................................................... 102
a. Transmisin de calor por conveccin.......................................................................................... 102
a.1. Caso de que no exista viento ............................................................................................... 102
a.2. Caso de que exista viento .................................................................................................... 103
b. Transmisin de calor por radiacin ............................................................................................. 104
vi. Absorcin de la radiacin solar....................................................................................................... 104
a. Absorcin de la radiacin solar en la cubierta transparente ........................................................ 104
b. Absorcin de la radiacin solar en el tubo absorbedor................................................................ 105
vii. Prdida de calor a travs de los soportes ....................................................................................... 106
2.4.1. Balance energtico a lo largo de la longitud del receptor ............................................................... 107
i. Prdida de presin para fluido monofsico (agua precalentada o vapor sobrecalentado)................. 109
ii. Prdida de presin para un fluido bifsico (mezcla agua-vapor) ..................................................... 110
2.4.2. Balance exergtico del colector cilindro parablico ....................................................................... 111
i. Exerga de la radiacin solar............................................................................................................. 111
ii. Exerga en la corriente de fluido que circula a travs del tubo absorbedor...................................... 113
2.5. Rendimiento global de un colector cilindro parablico.......................................................................... 114
a. Rendimiento global de un colector cilindro parablico............................................................... 114
b. Rendimiento ptico pico y modificador del ngulo de incidencia de un colector cilindro
parablico........................................................................................................................................ 115
c. Rendimiento trmico de un colector cilindro parablico............................................................. 115
d. Rendimiento exergtico de un colector cilindro parablico ........................................................ 117
2.6. Anlisis de sensibilidad para un lazo de colectores cilindro parablicos con generacin directa de vapor
........................................................................................................................................... 118
Mara Jos Montes Pita Tesis Doctoral
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2.6.1. Parmetros nominales de partida para el lazo de colectores considerado........................................118
i. Parmetros geomtricos y pticos .....................................................................................................118
ii. Condiciones nominales de trabajo....................................................................................................121
2.6.2. Anlisis de sensibilidad en funcin de diferentes parmetros .........................................................124
i. ngulo de incidencia.........................................................................................................................124
ii. Reflectividad del espejo ...................................................................................................................126
iii. Emisividad de la superficie selectiva ..............................................................................................128
iv. Dimetro exterior del absorbedor ....................................................................................................130
v. Presin de entrada al lazo de colectores ...........................................................................................131
Bibliografa del captulo 2..............................................................................................................................135
Lista de smbolos del captulo 2.....................................................................................................................138
CAPTULO 3: ANLISIS COMPARATIVO DE LA GENERACIN DIRECTA DE VAPOR CON
OTRAS TECNOLOGAS QUE EMPLEAN DIFERENTES FLUIDOS DE TRABAJO EN EL COLECTOR CILINDRO PARABLICO.......................................................141
3.1. Anlisis de las distintas opciones de fluidos calorferos que se pueden emplear en el campo solar .......141
3.1.1. Uso de aceite como fluido de trabajo en el campo solar .................................................................142
i. Tipos de aceites utilizados en el campo solar de colectores cilindro parablicos .............................142
ii. Aspectos de ingeniera relacionados con el uso de aceite en el campo solar....................................143
iii. Proyectos actuales con la tecnologa del aceite ...............................................................................143
3.1.2. Uso de sales fundidas como fluido de trabajo en el campo solar ....................................................143
i. Tipos de sales utilizadas en el campo solar de colectores cilindro parablicos.................................144
ii. Aspectos de ingeniera relacionados con el uso de sales en el campo solar .....................................145
iii. Campos de investigacin dentro de la tecnologa de sales fundidas ...............................................146
3.1.3. Uso de agua/vapor como fluido de trabajo en el campo solar .........................................................146
ii. Aspectos de ingeniera relacionados con el uso de agua en el campo solar .....................................147
iii. Proyectos demostrativos dentro de la tecnologa GDV...................................................................148
3.2. Estudio comparativo, en condiciones de diseo, de plantas termosolares de 20 MWe para cada una de las
tecnologas HTF consideradas ...........................................................................................148
3.2.1. Punto de diseo para el campo solar ...............................................................................................149
3.2.2. Estudio del bloque de potencia de la planta termosolar en condiciones nominales.........................151
i. Caracterizacin del ciclo de potencia en condiciones nominales ......................................................153
a. Precalentadores del sistema de agua de circulacin.....................................................................154
b. El generador de vapor (para los casos de aceite o sal fundida en el campo solar) .......................157
b.1. Precalentador........................................................................................................................158
b.2. Evaporador...........................................................................................................................159
b.3. Sobrecalentador (y recalentador) .........................................................................................160
ii. Resultados de la simulacin del ciclo de potencia en condiciones nominales..................................161
a. Ciclo de potencia de 20 MWe acoplado a un campo CCP con Therminol VP-1 como fluido
calorfero..........................................................................................................................................161
b. Ciclo de potencia de 20 MWe acoplado a un campo CCP con Solar Salt como fluido calorfero
.........................................................................................................................................................164
c. Ciclo de potencia de 20 MWe acoplado a un campo CCP con agua/vapor como fluido calorfero
.........................................................................................................................................................167
3.2.3. Estudio del campo solar de la planta termosolar en condiciones de diseo ....................................171
i. Posibles configuraciones del campo solar .........................................................................................171
a. Configuracin del campo solar en H ........................................................................................172
Mara Jos Montes Pita Tesis Doctoral
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b. Configuracin del campo solar en I ......................................................................................... 173
c. Configuracin elegida para la planta termosolar de 20 MWe ...................................................... 173
c. Caudal msico de fluido de trabajo en el campo solar para la planta termosolar de 20 MWe ..... 174
ii. El lazo de colectores cilindro parablicos ....................................................................................... 174
a. Configuracin del lazo de colectores para la planta termosolar de 20 MWe refrigerada por
Therminol VP-1 .............................................................................................................................. 175
b. Configuracin del lazo de colectores para la planta termosolar de 20 MWe refrigerada por Solar
Salt .................................................................................................................................................. 179
c. Configuracin del lazo de colectores para la planta termosolar GDV de 20 MWe...................... 183
iii. El sistema de tuberas colectoras de la planta................................................................................. 189
a. Configuracin de las tuberas colectoras de entrada y salida para la planta termosolar de 20 MWe
refrigerada por Therminol VP-1...................................................................................................... 190
b. Configuracin de las tuberas colectoras de entrada y salida para la planta termosolar de 20 MWe
refrigerada por Solar Salt ................................................................................................................ 192
c. Configuracin de las tuberas colectoras de entrada y salida para la planta termosolar GDV de 20
MWe ................................................................................................................................................ 195
3.2.3. Rendimiento global de la planta termosolar en condiciones nominales ......................................... 196
3.3. Balance anual de plantas termosolares de 20 MWe para cada una de las tecnologas HTF consideradas
........................................................................................................................................... 197
3.3.1. Datos de radiacin solar directa...................................................................................................... 198
3.3.2. Caracterizacin del bloque de potencia operando a cargas parciales.............................................. 200
i. Ecuaciones caractersticas que rigen el comportamiento de un ciclo de Rankine a cargas parciales 200
a. La turbina .................................................................................................................................... 200
a.1. Rendimiento isentrpico de la turbina ................................................................................. 200
a.2. Modificacin de la presin en las extracciones en funcin del grado de carga ................... 201
a.2. Modificacin de la presin en las extracciones en funcin del grado de carga ................... 201
a.3. Control de la turbina funcionando a cargas parciales .......................................................... 202
b. Los intercambiadores de calor..................................................................................................... 203
c. Bombas........................................................................................................................................ 207
ii. Anlisis del bloque de potencia a cargas parciales .......................................................................... 207
3.3.3. Anlisis del comportamiento del campo solar a cargas parciales ................................................... 208
3.3.4. Resultados del balance anual y anlisis econmico........................................................................ 210
Bibliografa del captulo 3 ............................................................................................................................. 214
Lista de smbolos del captulo 3 .................................................................................................................... 217
CAPTULO 4: ANLISIS DEL ACOPLAMIENTO A RED DE UNA PLANTA TERMOSOLAR DE
GENERACIN DIRECTA DE VAPOR: HIBRIDACIN Y ALMACENAMIENTO........................................................................................................................................... 219
4.1. Diseo de una planta termosolar de generacin directa de vapor de 50 MWe........................................ 219
4.1.1. Optimizacin del acoplamiento campo solar-bloque de potencia................................................... 220
i. Parmetros de acoplamiento entre el campo solar y el bloque de potencia ...................................... 220
ii. Rendimiento del campo solar y del bloque de potencia en funcin de los parmetros de acoplamiento
............................................................................................................................................................. 221
iii. Rendimiento global de la planta termosolar ................................................................................... 224
4.2. Balance anual de una planta termosolar de generacin directa de vapor sin almacenamiento ni
hibridacin: optimizacin del mltiplo solar..................................................................... 227
Mara Jos Montes Pita Tesis Doctoral
xii
4.2.1. Definicin de la configuracin de la planta en funcin del mltiplo solar en condiciones de diseo
...................................................................................................................................................................227
i. Punto de diseo .................................................................................................................................227
ii. Caracterizacin del ciclo de potencia en condiciones nominales .....................................................228
iii. Configuracin del campo solar en funcin del mltiplo solar.........................................................231
a. Configuracin del lazo de colectores GDV..................................................................................231
b. Configuracin de las tuberas colectoras de enlace......................................................................236
c. Diseo del campo de colectores en funcin del mltiplo solar ....................................................237
4.2.2. Datos de radiacin solar directa anuales..........................................................................................238
4.2.3. Caracterizacin del bloque de potencia trabajando a cargas parciales ............................................239
4.2.4. Caracterizacin del campo solar a cargas parciales.........................................................................240
4.2.5. Produccin anual de energa y coste de la electricidad generada en funcin del mltiplo solar .....243
4.3. Balance anual de una planta termosolar de generacin directa de vapor con almacenamiento e
hibridacin: optimizacin del acoplamiento a red .............................................................246
4.3.1. Balance anual de una planta termosolar GDV con hibridacin mediante caldera auxiliar..............247
a. Hibridacin redundante: central slo-solar...............................................................................247
b. Hibridacin en el caso de emplear un ciclo de Rankine convencional ........................................248
c. Hibridacin en el caso de emplear un ciclo combinado (ISCCS: Integrated Solar Combined Cycle
System) ............................................................................................................................................248
c.1. Hibridacin en serie con el generador de vapor de un ciclo combinado convencional. .......249
c.2. Hibridacin por suplemento solar en la parte de baja presin de la turbina de vapor de un
ciclo combinado convencional ....................................................................................................250
d. Esquema de hibridacin utilizado para las simulaciones .............................................................250
i. Anlisis de la produccin anual y coste de la electricidad en funcin del porcentaje de hibridacin252
4.3.2. Balance anual de una planta termosolar GDV con hibridacin mediante caldera auxiliar y
almacenamiento trmico............................................................................................................................254
i. Caracterizacin del sistema de almacenamiento trmico ..................................................................255
ii. Tamao del campo de colectores cilindro parablicos en funcin del mltiplo solar y caracterizacin
a cargas parciales..................................................................................................................................257
iii. Ao meteorolgico tipo en la Plataforma Solar de Almera............................................................259
iii. Estrategia de operacin para el acoplamiento a la red elctrica ......................................................262
v. Funcionamiento anual y anlisis econmico ....................................................................................273
Bibliografa del captulo 4..............................................................................................................................276
Lista de simbolos del captulo 4.....................................................................................................................278
CONCLUSIONES........................................................................................................................................279
BIBLIOGRAFA GENERAL DE LA TESIS............................................................................................285
Mara Jos Montes Pita Tesis Doctoral
xiii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1. Intensidad del espectro solar en funcin de la longitud de onda .................................................... 2
Figura 1.2. Lazo de colectores cilindro parablicos ubicado en la Plataforma Solar de Almera (PSA)........... 9
Figura 1.3. Seccin transversal del diseo LS-2 y LS-3.................................................................................. 12
Figura 1.4. Filas de colectores SKAL-ET en la planta solar Andasol-1 ........................................................... 14
Figura 1.5. Colector de Sener en la planta Andasol-1 ..................................................................................... 15
Figura 1.6. Esquema del tubo absorbedor del colector LS-3........................................................................... 17
Figura 1.7. Las dos principales orientaciones del eje de giro de un colector cilindro parablico.................... 19
Figura 1.8. Diferentes tipos de mecanismos de accionamiento ....................................................................... 20
Figura 1.9. Esquema de funcionamiento de la planta SEGS I de California ................................................... 24
Figura 1.10. Esquema de funcionamiento de la planta SEGS II de California ................................................ 25
Figura 1.11. Esquema de funcionamiento de la planta SEGS-VI y SEGS-VII ............................................... 27
Figura 1.12. Esquema de funcionamiento de la planta SEGS-VIII y SEGS-IX .............................................. 28
Figura 1.13. Campo solar en la planta solar Andasol-1................................................................................... 31
Figura 1.14. Planta termosolar de colectores cilindro parablicos Nevada Solar One .................................... 33
Figura 1.15. Esquema de funcionamiento de un campo de colectores cilindro parablicos acoplados a un
ciclo combinado..................................................................................................................................... 34
Figura 1.16. Esquema de funcionamiento de un campo de colectores cilindro parablicos acoplados a un
ciclo de Rankine orgnico...................................................................................................................... 35
Figura 1.17. Esquema de un sistema de almacenamiento con sales, indirecto, en dos tanques....................... 46
Figura 1.18. Posiciones extremas del colector cuando existe flujo bifsico estratificado ............................... 50
Figura 1. 19. Esquema simplificado de la planta experimental DISS.............................................................. 52
Figura 1.20. Procesos bsicos en generacin directa de vapor: un-solo-paso, inyeccin y recirculacin ....... 54
Figura 1.21. Esquema simplificado del campo solar de la planta ALMERA GDV....................................... 59
Figura 1.22. Esquema simplificado de las uniones flexibles colector-colector colector-tubera desarrolladas
por Senior Berghfer (Ortiz y Kaufung, 2008)...................................................................................... 62
Figura 2.1. Trayectoria aparente del Sol alrededor de la Tierra y parmetros caractersticos asociados......... 70
Figura 2.2. Coordenadas horarias y horizontales para el posicionamiento del Sol.......................................... 73
Figura 2.3. ngulo de incidencia de un colector cilindro parablico .............................................................. 75
Figura 2.4. Parmetros pticos del colector cilindro parablico ..................................................................... 76
Figura 2.5. Prdidas geomtricas de final de un colector cilindro parablico ................................................. 79
Figura 2.6. Figura esquemtica de las sombras producidas entre filas paralelas de colectores CCP............... 81
Figura 2.7. Representacin esquemtica de la sombra entre colectores paralelos........................................... 82
Figura 2.8. Consideraciones geomtricas en el colector solar ......................................................................... 83
Figura 2.9. Prdidas trmicas en el tubo absorbedor de un colector cilindro parablico................................. 85
Figura 2.10. Perfil simplificado del flujo de radiacin sobre el tubo absorbedor del colector cilindro
parablico .............................................................................................................................................. 87
Figura 2.11. Balance energtico en una seccin transversal del receptor de un colector cilindro parablico . 88
Figura 2. 12. Unin brazo soporte y tubo receptor en un colector cilindro parablico.................................. 106
Figura 2.13. Balance energtico en sentido longitudinal a unos de los segmentos en que se divide el tubo
receptor ................................................................................................................................................ 107
Figura 2.14. Diagrama de prdidas y rendimientos en un colector cilindro parablico ................................ 116
Figura 2.15. Representacin esquemtica de un lazo de colectores para generacin directa de vapor.......... 123
Mara Jos Montes Pita Tesis Doctoral
xiv
Figura 2.16. Prdida de calor, prdida de presin, rendimiento energtico y rendimiento exergtico para el
lazo de colectores GDV, en funcin de la variacin del ngulo de incidencia respecto a su valor
nominal .................................................................................................................................................125
Figura 2.17. Prdida de calor, cada de presin, rendimiento energtico y rendimiento exergtico para la
seccin de precalentamiento y evaporacin, en funcin de la variacin del ngulo de incidencia
respecto a su valor nominal ..................................................................................................................126
Figura 2.18. Prdida de calor, prdida de presin, rendimiento energtico y rendimiento exergtico para la
seccin de sobrecalentamiento, en funcin de la variacin del ngulo de incidencia respecto a su valor
nominal .................................................................................................................................................126
Figura 2.19. Prdida de calor, prdida de presin, rendimiento energtico y rendimiento exergtico para el
lazo de colectores GDV, en funcin del valor de la reflectividad del espejo .......................................127
Figura 2.20. Prdida de calor, prdida de presin, rendimiento energtico y rendimiento exergtico para la
seccin de evaporacin del lazo de colectores GDV, en funcin del valor de la reflectividad del espejo
..............................................................................................................................................................127
Figura 2.21. Prdida de calor, prdida de presin, rendimiento energtico y rendimiento exergtico para la
seccin de sobrecalentamiento del lazo de colectores GDV, en funcin del valor de la reflectividad del
espejo....................................................................................................................................................128
Figura 2.22. Prdida de calor, prdida de presin, rendimiento energtico y rendimiento exergtico para el
lazo de colectores GDV, en funcin del valor de la emisividad del tubo respecto a su valor nominal 129
Figura 2.23. Prdida de calor, prdida de presin, rendimiento energtico y rendimiento exergtico para la
seccin de evaporacin, en funcin del valor de la emisividad del tubo respecto a su valor nominal .129
Figura 2.24. Prdida de calor, prdida de presin, rendimiento energtico y rendimiento exergtico para la
seccin de sobrecalentamiento, en funcin del valor de la emisividad del tubo respecto a su valor
nominal .................................................................................................................................................129
Figura 2.25. Prdida de calor, prdida de presin, rendimiento energtico y rendimiento exergtico para el
lazo de colectores GDV, en funcin del valor del dimetro del tubo absorbedor.................................130
Figura 2.26. Prdida de calor, prdida de presin, rendimiento energtico y rendimiento exergtico para la
seccin de evaporacin, en funcin del valor del dimetro del tubo absorbedor..................................131
Figura 2.27. Prdida de calor, prdida de presin, rendimiento energtico y rendimiento exergtico para la
seccin de sobrecalentamiento, en funcin del valor del dimetro del tubo absorbedor ......................131
Figura 2.28. Prdida de calor, prdida de presin, rendimiento energtico y rendimiento exergtico para el
lazo de colectores GDV, en funcin del valor de la presin de entrada al colector..............................132
Figura 2.29. Prdida de calor, prdida de presin, rendimiento energtico y rendimiento exergtico para la
seccin de evaporacin, en funcin del valor de la presin de entrada al colector...............................132
Figura 2.30. Prdida de calor, prdida de presin, rendimiento energtico y rendimiento exergtico para la
seccin de sobrecalentamiento, en funcin del valor de la presin de entrada al colector ...................133
Figura 3.1. Efectos de dimensionar el campo solar con distintos mltiplos solares.......................................151
Figura 3.2. Disposicin ptima de las presiones de extraccin de turbina para el ciclo regenerativo
considerado...........................................................................................................................................154
Figura 3.3. Esquema de temperaturas en un precalentador de superficie del ciclo de potencia .....................155
Figura 3.4. Esquema de un intercambiador de superficie genrico................................................................156
Figura 3.5. Diagrama de flujo para el ciclo de potencia de 20MWe acoplado al campo termosolar refrigerado
por Therminol VP-1 ..............................................................................................................................162
Figura 3.6. Diagrama de Mollier en condiciones nominales del ciclo de potencia acoplado al campo solar
refrigerado por Therminol VP-1 ...........................................................................................................162
Figura 3.7. Diagrama de flujo para el ciclo de potencia de 20MWe acoplado al campo solar refrigerado por
Solar Salt ..............................................................................................................................................165
Mara Jos Montes Pita Tesis Doctoral
xv
Figura 3. 8. Diagrama de Mollier en condiciones nominales del ciclo de potencia acoplado al campo solar
refrigerado por Solar Salt..................................................................................................................... 165
Figura 3.9. Diagrama de flujo para el ciclo de potencia de 20MWe acoplado al campo solar GDV............. 168
Figura 3.10. Diagrama de Mollier en condiciones nominales del ciclo de potencia acoplado al campo solar
GDV..................................................................................................................................................... 168
Figura 3.11. Configuracin en H del campo de colectores CCP para la planta termosolar Andasol 1 ...... 172
Figura 3.12. Configuracin en I del campo de colectores CCP para la planta termosolar SEGS VI ......... 173
Figura 3.13. Configuracin del lazo de colectores para el campo solar refrigerado por Therminol VP-1..... 175
Figura 3.14. Configuracin del lazo de colectores para el campo solar refrigerado por Solar Salt ............... 180
Figura 3.15. Configuracin del lazo de colectores para el campo solar GDV.............................................. 184
Figura 3.16. Variacin del rendimiento isentrpico de la turbina en funcin del grado de carga ................. 201
Figura 3.17. Rendimiento del turbo-generador en funcin de la carga.......................................................... 202
Figura 3.18. Rendimiento del ciclo de potencia en funcin de la carga, para las tres plantas termosolares
consideradas......................................................................................................................................... 208
Figura 3.19. Potencia trmica suministrada por cada uno de los campos solares considerados en funcin de la
radiacin solar directa incidente .......................................................................................................... 209
Figura 3.20. Rendimiento del campo solar en funcin de la radiacin directa, para cada una de las tecnologas
HTF consideradas. ............................................................................................................................... 210
Figura 3.21. Variacin del rendimiento anual y del LEC (c/kWhe) en cada una de las tecnologas
consideradas......................................................................................................................................... 213
Figura 4.1. Rendimiento del ciclo de potencia y del campo solar en funcin del nmero de extracciones de
turbina y de la temperatura de entrada a turbina, para una presin de entrada a turbina igual a 90 bar223
Figura 4.2. Rendimiento del ciclo de potencia y del campo solar en funcin del nmero de extracciones de
turbina y de la temperatura de entrada a turbina, para una presin de entrada a turbina igual a 100 bar
............................................................................................................................................................. 223
Figura 4.3. Rendimiento del ciclo de potencia y del campo solar en funcin del nmero de extracciones de
turbina y de la temperatura de entrada a turbina, para una presin de entrada a turbina igual a 110 bar
............................................................................................................................................................. 224
Figura 4.4. Rendimiento global de la planta termosolar en funcin del nmero de extracciones de turbina y de
la temperatura de entrada a turbina, para una presin de entrada a turbina igual a 90 bar................... 225
Figura 4.5. Rendimiento global de la planta termosolar en funcin del nmero de extracciones de turbina y de
la temperatura de entrada a turbina, para una presin de entrada a turbina igual a 100 bar................. 225
Figura 4.6. Rendimiento global de la planta termosolar en funcin del nmero de extracciones de turbina y de
la temperatura de entrada a turbina, para una presin de entrada a turbina igual a 110 bar................. 226
Figura 4.7. Diagrama de flujo para el ciclo de potencia de 50 MWe acoplado al campo solar GDV ........... 228
Figura 4.8. Diagrama de Mollier para el ciclo de potencia de 50 MWe acoplado al campo solar GDV ....... 229
Figura 4.9. Configuracin del lazo de colectores para la planta termosolar GDV de 50 MWe ..................... 232
Figura 4.10. Posicin relativa Sol-colector CCP, en el medioda solar, para una orientacin N-S del eje del
colector (Fuente: Zarza, 2002) ............................................................................................................. 239
Figura 4.11. Variacin del rendimiento trmico del ciclo de potencia en funcin de la carga ...................... 240
Figura 4.12. Potencia trmica del campo solar a cargas parciales en funcin del nmero de lazos .............. 241
Figura 4.13. Rendimiento del campo solar en funcin de la radiacin solar directa ..................................... 242
Figura 4.14. Ciclos de limpieza de los espejos y reflectividad media ........................................................... 242
Figura 4.15. Costes de electricidad producida para cada tamao de campo solar GDV considerado y para los
cinco aos en estudio ........................................................................................................................... 245
Figura 4.16. Hibridacin redundante de una central slo-solar ................................................................. 247
Figura 4.17. Esquemas de hibridacin ciclo del campo solar GDV con un ciclo de Rankine convencional. 248
Mara Jos Montes Pita Tesis Doctoral
xvi
Figura 4.18. Esquema de planta termosolar GDV con hibridacin en serie con el generador de vapor de un
ciclo combinado convencional ............................................................................................................249
Figura 4.19. Esquema de planta termosolar GDV con hibridacin por suplemento solar en la parte de baja
presin de la turbina de vapor de un ciclo combinado convencional ...................................................250
Figura 4.20. Esquema de una planta termosolar GDV con almacenamiento e hibridacin ...........................251
Figura 4.21. Rendimiento de la caldera de gas natural en funcin del grado de carga...................................251
Figura 4.22. Costes de electricidad producida para cada tamao de campo solar GDV considerado, en funcin
del porcentaje de hibridacin para el ao 1998 ....................................................................................253
Figura 4.23. Esquema de una planta termosolar GDV con almacenamiento e hibridacin ...........................254
Figura 4.24. Operacin de una planta termosolar con mltiplo solar mayor que uno y almacenamiento
trmico..................................................................................................................................................256
Figura 4.25. Potencia trmica del campo solar a cargas parciales en funcin del nmero de lazos...............258
Figura 4.26. Ejemplos de das claros en el ao tipo utilizado para el clculo ................................................260
Figura 4.27. Ejemplos de das nublados en el ao tipo utilizado para el clculo ...........................................260
Figura 4.28. Radiacin solar directa y potencia trmica producida por los campos solares GDV considerados
para un da claro con horario de invierno (23 de febrero) ....................................................................264
Figura 4.29. Estrategia de operacin para la planta termosolar GDV de 44 lazos en un da claro con horario
de invierno (23 de febrero) ...................................................................................................................265
Figura 4.30. Estrategia de operacin para la planta termosolar GDV de 60 lazos en un da claro con horario
de invierno (23 de febrero) ...................................................................................................................265
Figura 4.31. Estrategia de operacin para la planta termosolar GDV de 84 lazos en un da claro con horario
de invierno (23 de febrero) ...................................................................................................................266
Figura 4.32. Radiacin solar directa y potencia trmica producida por los campos solares GDV considerados
para un da claro con horario de verano (21 de julio) ...........................................................................266
Figura 4.33. Estrategia de operacin para la planta termosolar GDV de 44 lazos en un da claro con horario
de verano (21 de julio)..........................................................................................................................267
Figura 4.34. Estrategia de operacin para la planta termosolar GDV de 60 lazos en un da claro con horario
de verano (21 de julio)..........................................................................................................................267
Figura 4.35. Estrategia de operacin para la planta termosolar GDV de 84 lazos en un da claro con horario
de verano (21 de julio)..........................................................................................................................268
Figura 4.36. Radiacin solar directa y potencia trmica producida por los campos solares GDV considerados
para un da nublado de invierno (13 de marzo) ....................................................................................269
Figura 4.37. Estrategia de operacin para la planta termosolar GDV de 44 lazos en un da nublado con
horario de invierno (13 de marzo) ........................................................................................................269
Figura 4.38. Estrategia de operacin para la planta termosolar GDV de 60 lazos en un da nublado con
horario de invierno (13 de marzo) ........................................................................................................270
Figura 4.39. Estrategia de operacin para la planta termosolar GDV de 84 lazos en un da nublado con
horario de invierno (13 de marzo) ........................................................................................................270
Figura 4.40. Radiacin solar directa y potencia trmica producida por los campos solares GDV considerados
para un da nublado con horario de verano (3 de septiembre) ..............................................................271
Figura 4.41. Estrategia de operacin para la planta termosolar GDV de 44 lazos en un da nublado con
horario de verano (3 de septiembre) .....................................................................................................271
Figura 4.42. Estrategia de operacin para la planta termosolar GDV de 60 lazos en un da nublado con
horario de verano (3 de septiembre) .....................................................................................................272
Figura 4.43. Estrategia de operacin para la planta termosolar GDV de 84 lazos en un da nublado con
horario de verano (3 de septiembre) .....................................................................................................272
Figura 4.44. Coste del kWhe para diferentes tamaos de plantas termosolares GDV con almacenamiento e
hibridacin............................................................................................................................................275
Mara Jos Montes Pita Tesis Doctoral
xvii
LISTA DE TABLAS
Tabla 1.1. Parmetros de los principales colectores cilindro parablicos ...................................................... 14
Tabla 1. 2. Absortividad y emisividad del recubrimiento selectivo NAC a 550 C, despus de 3 y 100 horas
de funcionamiento (Fuente: Benz et al., 2008) ...................................................................................... 18
Tabla 1.3. Caractersticas bsicas de las plantas SEGS-I a SEGS-IX ............................................................. 30
Tabla 1. 4. Materiales utilizados en el almacenamiento para sistemas solares de concentracin de media y alta
temperatura (Fuente: Winter et al., 1990) .............................................................................................. 38
Tabla 1.5. Experiencias de sistemas de almacenamiento en plantas termosolares. ......................................... 43
Tabla 1.6. Caractersticas principales de la fila de colectores DISS................................................................ 53
Tabla 1.7. Modos de operacin principales de la fila de colectores DISS....................................................... 54
Tabla 1.8. Resultados de la simulacin del funcionamiento anual de la planta ALMERA GDV .................. 60
Tabla 2.1. Parmetros pticos del colector Eurotrough .................................................................................. 77
Tabla 2.2. Relacin de los nmeros empleados en los subndices................................................................... 89
Tabla 2.3. Definiciones de los flujos de calor que intervienen en el balance energtico................................. 90
Tabla 2.4. Correlaciones para el clculo del coeficiente global de transmisin de calor en ebullicin ........... 93
Tabla 2.5. Parmetros pticos del colector Eurotrough ................................................................................ 118
Tabla 2.6. Parmetros geomtricos del colector Eurotrough ........................................................................ 119
Tabla 2.7. Valores del coeficiente y, para distintos tipos de acero, en funcin de la temperatura................. 120
Tabla 2.8. Valores de la tensin mxima admisible para el acero A335 ....................................................... 120
Tabla 2.9. Condiciones para el punto de diseo elegido ............................................................................... 121
Tabla 2.10. Configuracin para un lazo tipo de generacin directa de vapor, en una planta de 50 MWe ..... 122
Tabla 2.11. Condiciones de entalpa, temperatura y presin para los caudales msicos de los puntos marcados
en la figura (2.15)................................................................................................................................. 123
Tabla 2.12. Resultado de la simulacin de la fila tipo GDV en condiciones nominales ............................... 123
Tabla 3.1. Caractersticas de las sales de nitrato empleadas en aplicaciones solares .................................... 144
Tabla 3.2. Parmetros caractersticos en el punto de diseo para la planta termosolar de 20 MWe .............. 150
Tabla 3.3. Parmetros caractersticos de los ciclos de Rankine en funcin de la potencia............................ 152
Tabla 3.4. Parmetros en condiciones nominales de los ciclos de potencia elegido para cada tecnologa HTF
............................................................................................................................................................. 153
Tabla 3.5. Propiedades termofsicas, en condiciones nominales, de los puntos principales del ciclo de
Rankine acoplado a un campo solar refrigerado por Therminol VP-1 ................................................. 163
Tabla 3.6. Resultados globales de la simulacin en condiciones nominales del ciclo de Rankine acoplado al
campo solar refrigerado por Therminol VP-1 ...................................................................................... 164
Tabla 3.7. Parmetros trmicos de los cambiadores de calor del ciclo de potencia acoplado al campo solar
refrigerado por Therminol VP-1........................................................................................................... 164
Tabla 3.8. Propiedades termofsicas, en condiciones nominales, de los puntos principales del ciclo de
Rankine acoplado a un campo solar refrigerado por Solar Salt ........................................................... 166
Tabla 3.9. Resultados de la simulacin del ciclo de Rankine acoplado a un campo solar refrigerado por Solar
Salt ....................................................................................................................................................... 167
Tabla 3.10. Parmetros trmicos de los cambiadores de calor del ciclo de potencia acoplado al campo solar
refrigerado por Solar Salt..................................................................................................................... 167
Tabla 3.11. Propiedades termofsicas en los puntos principales del ciclo de Rankine acoplado a un campo
solar GDV............................................................................................................................................ 169
Tabla 3.12. Resultados de la simulacin del ciclo de Rankine acoplado a un campo solar GDV................. 170
Resumen
xviii
Tabla 3.13. Parmetros trmicos de los cambiadores de calor del ciclo de potencia acoplado al campo solar
GDV .....................................................................................................................................................170
Tabla 3.14. Parmetros principales de los ciclos de potencia acoplados a cada uno de los campo solares....170
Tabla 3.15. Potencia trmica y caudal de fluido calorfero necesario en condiciones de diseo para cada uno
de los casos considerados .....................................................................................................................174
Tabla 3.16. Configuracin de las conexiones entre colectores para un mismo lazo ......................................175
Tabla 3.17. Parmetros geomtricos del lazo de colectores para el campo solar refrigerado por Therminol
VP-1......................................................................................................................................................176
Tabla 3.18. Propiedades termofsicas del Therminol VP-1, mdulo a mdulo, a lo largo del lazo de colectores
en condiciones de diseo ......................................................................................................................177
Tabla 3.19. Resultados de la simulacin del lazo de colectores de Therminol VP-1 en condiciones de diseo
..............................................................................................................................................................179
Tabla 3.20. Propiedades termofsicas de la Solar Salt, mdulo a mdulo, a lo largo del lazo de colectores en
condiciones de diseo...........................................................................................................................181
Tabla 3.21. Resultados de la simulacin del lazo de colectores de Solar Salt en condiciones de diseo .....183
Tabla 3.22. Propiedades termofsicas del agua-vapor, mdulo a mdulo, a lo largo de la zona de
precalentamiento y ebullicin, en condiciones de diseo.....................................................................185
Tabla 3.23. Propiedades termofsicas del agua-vapor, mdulo a mdulo, a lo largo de la zona de
sobrecalentamiento, en condiciones de diseo .....................................................................................187
Tabla 3.24. Resultados de la simulacin del lazo de colectores GDV en condiciones de diseo .................188
Tabla 3.25. Comparacin entre los resultados de la simulacin del lazo de colectores para cada una de las
tecnologas HTF, en condiciones de diseo .........................................................................................188
Tabla 3.26. Configuracin de las tuberas colectores de la planta termosolar ...............................................189
Tabla 3.27. Propiedades termofsicas del Therminol VP-1, tramo a tramo, a lo largo de la tubera colectora de
entrada al sub-campo oeste (aceite fro) ...............................................................................................190
Tabla 3.28. Propiedades termofsicas del Therminol VP-1, tramo a tramo, a lo largo de la tubera colectora de
entrada al sub-campo este (aceite fro) .................................................................................................191
Tabla 3.29. Propiedades termofsicas del Therminol VP-1, tramo a tramo, a lo largo de la tubera colectora de
salida del sub-campo oeste (aceite caliente) .........................................................................................191
Tabla 3.30. Propiedades termofsicas del Therminol VP-1, tramo a tramo, a lo largo de la tubera colectora de
salida del sub-campo este (aceite caliente) ...........................................................................................192
Tabla 3.31. Propiedades termofsicas de la sal Solar Salt, tramo a tramo, a lo largo de la tubera colectora de
entrada al sub-campo oeste (sal fra) ....................................................................................................193
Tabla 3.32. Propiedades termofsicas de la sal Solar Salt, tramo a tramo, a lo largo de la tubera colectora de
entrada al sub-campo este (sal fra) ......................................................................................................193
Tabla 3.33. Propiedades termofsicas de la sal Solar Salt, tramo a tramo, a lo largo de la tubera colectora de
salida del sub-campo oeste (sal caliente)..............................................................................................194
Tabla 3.34. Propiedades termofsicas de la sal Solar Salt, tramo a tramo, a lo largo de la tubera colectora de
salida del sub-campo oeste (sal caliente)..............................................................................................194
Tabla 3.35. Propiedades termofsicas del agua, tramo a tramo, a lo largo de la tubera colectora de entrada a
los sub-campos este y oeste del campo solar GDV ..............................................................................195
Tabla 3.36. Propiedades termofsicas del vapor, tramo a tramo, a lo largo de la tubera colectora de salida de
los sub-campos este y oeste del campo solar GDV ..............................................................................196
Tabla 3.37. Rendimiento global de la planta termosolar en condiciones nominales para cada una de las tres
tecnologas HTF consideradas..............................................................................................................197
Tabla 3.38. Medias mensuales de los datos de radiacin directa para un ao meteorolgico tipo.................199
Tabla 3.39. Desviaciones mximas y mnimas respecto a los valores mensuales de radiacin directa .........199
Tabla 3.40. Comparacin del ao tipo con los valores de los aos escogidos para la simulacin .................199
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xix
Tabla 3.41. Anlisis del comportamiento trmico del ciclo a caras parciales, para cada una de las tecnologas
HTF consideradas. ............................................................................................................................... 207
Tabla 3.42. Potencia trmica del campo solar en funcin de la radiacin directa, para cada uno de los tres
casos de fluido calorfero considerados. .............................................................................................. 209
Tabla 3.43. Datos de coste utilizados para el anlisis econmico de las tres tecnologas HTF..................... 211
Tabla 3.44. Produccin anual y coste del kWhe para cada una de las tres tecnologas HTF consideradas ... 212
Tabla 4.1. Parmetros caractersticos de los ciclos de Rankine en funcin de la potencia............................ 220
Tabla 4.2. Parmetros en condiciones nominales de los ciclos de potencia considerados ............................ 222
Tabla 4.3. Parmetros caractersticos en el punto de diseo para la planta termosolar GDV de 50 MWe ... 227
Tabla 4.4. Propiedades termofsicas en los puntos principales del ciclo de Rankine de 50 MWe acoplado a un
campo solar GDV ................................................................................................................................ 230
Tabla 4.5. Propiedades termofsicas del agua-vapor, mdulo a mdulo, a lo largo de la zona de
precalentamiento y evaporacin, en condiciones de diseo................................................................. 233
Tabla 4.6. Propiedades termofsicas del agua-vapor, mdulo a mdulo, a lo largo de la zona de
sobrecalentamiento, en condiciones de diseo..................................................................................... 235
Tabla 4.7. Resultados de la simulacin del lazo de colectores GDV en condiciones de diseo................... 236
Tabla 4.8. Propiedades termofsicas del agua fra, tramo a tramo, a lo largo de la tubera colectora de entrada
al campo solar ...................................................................................................................................... 236
Tabla 4.9. Propiedades termofsicas del agua fra, tramo a tramo, a lo largo de la tubera colectora de entrada
al campo solar ...................................................................................................................................... 237
Tabla 4.10. Mltiplo solar para cada tamao de campo considerado............................................................ 238
Tabla 4.11. Parmetros caractersticos del ciclo de potencia para distintos niveles de carga........................ 239
Tabla 4. 12. Potencia trmica del campo solar en funcin de la radiacin solar directa incidente ................ 241
Tabla 4.13. Produccin anual de energa elctrica para cada tamao de campo solar GDV considerado y para
los cinco aos en estudio...................................................................................................................... 243
Tabla 4.14. Datos de coste utilizados para el anlisis econmico de las plantas termosolares GDV............ 244
Tabla 4.15. Costes de la electricidad producida para cada tamao de campo solar GDV considerado y para
los cinco aos en estudio...................................................................................................................... 245
Tabla 4.16. Produccin anual de energa elctrica para cada tamao de campo solar GDV considerado, en
funcin del porcentaje de hibridacin fsil para el ao 1998............................................................... 252
Tabla 4.17. Costes de electricidad producida para cada tamao de campo solar GDV considerado, en funcin
del porcentaje de hibridacin para el ao 1998.................................................................................... 252
Tabla 4.18. Consumo de combustible fsil para cada tamao de campo solar GDV considerado, en funcin
del porcentaje de hibridacin ............................................................................................................... 253
Tabla 4.19. Configuracin del lazo de colectores para la planta GDV considerada...................................... 257
Tabla 4.20. Mltiplo solar para cada tamao de campo considerado............................................................ 257
Tabla 4.21. Regresiones lineales para el clculo de la potencia trmica del campo solar GDV en funcin de la
radiacin solar directa .......................................................................................................................... 258
Tabla 4.22. Meses elegidos para la elaboracin del ao meteorolgico tipo en la Plataforma Solar de Almera
............................................................................................................................................................. 259
Tabla 4. 23. Clasificacin de los das del ao meteorolgico tipo utilizado para el clculo ......................... 261
Tabla 4.24. Porcentaje mensual de das claros, nublados y cubiertos en Almera, Espaa ........................... 262
Tabla 4.25. Discriminacin horaria para el sistema de tarifas espaol (BOE, 661/2007) ............................. 262
Tabla 4.26. Energa elctrica anual producida para cada tamao de campo solar GDV considerado ........... 273
Tabla 4.27. Consumo de combustible fsil y porcentaje de hibridacin para cada tamao de campo solar
GDV considerado ................................................................................................................................ 273
Tabla 4.28. Coste del kWhe para cada tamao de campo solar GDV considerado........................................ 274
Mara Jos Montes Pita Tesis Doctoral
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RESUMEN
Esta tesis doctoral se ha centrado en el estudio de la generacin directa de vapor en colectores cilindro parablicos, como una alternativa viable a corto plazo para la produccin de electricidad mediante sistemas de concentracin solar. Las dos lneas de investigacin principales de esta tesis han sido el estudio termofluidodinmico del proceso de generacin directa de vapor dentro del tubo receptor del colector cilindro parablico -proceso GDV- y la integracin de dicho proceso en plantas termosolares para la produccin de electricidad. La novedad de esta tesis reside en que, hasta el momento, no existe ninguna planta termosolar de generacin directa de vapor con colectores cilindro parablicos, y slo se ha construido un lazo de pruebas para ensayar esta tecnologa en la Plataforma Solar de Almera, dentro del proyecto DISS (DIrect Steam Generation). A partir de este proyecto, que sirvi para demostrar la viabilidad tcnica de la generacin directa de vapor, se han puesto en marcha dos nuevos proyectos para la construccin de centrales termosolares basadas en esta tecnologa, de pequea potencia (3 MWe y 5 MWe), aunque el objetivo final sigue siendo la construccin, en un futuro, de una planta de 50 MWe. Para iniciar el estudio de la generacin directa de vapor en colectores cilindro parablicos, se ha desarrollado un modelo termofluidodinmico del tubo receptor a travs del cual pasa el fluido calorfero, en este caso, agua-vapor. Dicho modelo estudia de forma muy detallada las correlaciones para la transmisin de calor entre las diferentes superficies, con especial atencin a la simulacin de la zona de flujo bifsico por el interior del tubo receptor, tanto en la determinacin del coeficiente de transmisin de calor por conveccin como en la prdida de presin en este rgimen. Debido a que el modelo termofluidodinmico est basado en balances tericos de energa en lugar de coeficientes globales de transmisin de calor, presenta dos ventajas importantes sobre otros modelos similares de generacin directa de vapor. Por un lado, permite analizar y optimizar los parmetros de diseo -pticos, trmicos y geomtricos- del tubo receptor. Por otro lado, permite estudiar el comportamiento trmico del colector cuando circulan otros fluidos de trabajo a travs del tubo receptor, sin ms que cambiar las propiedades caractersticas del fluido de trabajo. De esta forma, se ha realizado en primer lugar un anlisis de sensibilidad para identificar los parmetros de diseo que ms influyen en el comportamiento trmico de un lazo de colectores tipo integrado en una planta GDV de 50 MWe. El anlisis se ha realizado desde un punto de vista energtico y exergtico. Se ha considerado importante incorporar la variable exerga, pues informa sobre la calidad de la energa transmitida y las irreversiblidades asociadas a dicha transmisin. En segundo lugar, se ha podido realizar un anlisis comparativo de la generacin directa de vapor con otras tecnologas que emplean diferentes fluidos de trabajo en el receptor del colector cilindro parablico. Estas tecnologas, en las que el fluido calorfero del campo solar no coincide con el fluido de trabajo del bloque de potencia se engloban bajo el nombre de tecnologas HTF (Hear Transfer Fluid). Los fluidos de trabajo que se han considerado para este estudio han sido: agua-vapor, aceite (Therminol VP-1) y sales fundidas (Solar Salt). Con el fin de fijar una adecuada ventana de diseo en la que cada tecnologa pueda ser comparada en condiciones similares, el estudio comparativo se ha centrado en una planta de 20 MWe para cada una de las tecnologas consideradas, sin hibridacin ni almacenamiento trmico. Los resultados obtenidos en este estudio ponen de manifiesto que la generacin directa de vapor presenta unos rendimientos, en condiciones de diseo y anuales, claramente superiores a los de las otras tecnologas HTF. Existen multitud de factores que influyen en estas diferencias. Entre otros, la ausencia de un generador
Resumen
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de vapor intermedio entre el campo solar y el bloque de potencia, adems de la menor superficie de espejos que se precisa en el caso de la generacin directa de vapor. Para terminar este trabajo de investigacin, el estudio se ha centrado en una planta termosolar GDV de 50 MWe. Se ha elegido este tamao de planta porque es el tamao ptimo para trabajar con colectores cilindro parablicos. No se recomienda ir a tamaos de planta mucho mayores, ya que el control y la estabilidad entre lazos paralelos se complica a medida que aumenta la extensin del campo solar; las prdidas de cargas en las tuberas de interconexin crecen exponencialmente al aumentar el tamao del campo; de igual forma, los costes de inversin tambin se multiplican al aumentar la superficie de espejos. Una vez fijado el tamao de planta, el estudio se ha centrado en la optimizacin del acoplamiento campo solar-bloque de potencia. Como resultado de dicho anlisis se han identificado los parmetros de acoplamiento, proponindose valores ptimos para cada uno de ellos. Por ltimo, se han propuesto tres esquemas de plantas termosolares GDV de 50 MWe: plantas sin almacenamiento ni hibridacin, plantas con hibridacin mediante caldera auxiliar de gas natural, y plantas con almacenamiento e hibridacin. Se ha considerado que los dos primeros esquemas no tienen control sobre el intervalo de produccin, mientras que el ltimo esquema s que tiene un intervalo de produccin fijo en el que la planta est conectada a la red elctrica. Respecto a la planta termosolar sin almacenamiento ni hibridacin, se ha realizado una optimizacin del sobredimensionamiento del campo solar respecto del bloque de potencia. Dicha optimizacin consiste en encontrar el tamao de campo solar ptimo, es decir, aquel para el que el precio del kWhe se minimiza. Los estudios realizados, basados en datos semi-horarios de 5 aos, proponen como valor ptimo un mltiplo solar igual a 1.25. En segundo lugar, se ha analizado el esquema de planta termosolar con hibridacin fsil y sin almacenamiento. Se ha comprobado que el hecho de introducir hibridacin siempre supone una reduccin del coste del kWhe. No se puede concluir con este resultado que la configuracin ptima consiste en minimizar el aporte solar. Puede que esto sea cierto con el estado de costes actuales, pero en el momento que se encarezca el precio del combustible fsil o se abaraten los costes de la tecnologa solar, la afirmacin anterior deja de cumplirse. Sin embargo la hibridacin con combustible fsil es una solucin a corto-medio plazo para el desarrollo de sta y otras tecnologas de concentracin solar. Esta propuesta toma ms fuerza incluso si se tiene presente que los sistemas de almacenamiento se encuentran todava en un nivel de desarrollo muy incipiente. Por ltimo, se ha analizado el esquema de planta termosolar ms completo, con almacenamiento, hibridacin con caldera auxiliar y un intervalo de produccin elctrica definido. Para este ltimo anlisis, se han tomado datos cada 5 minutos de un ao meteorolgico tipo. Este ltimo esquema se propone como la mejor opcin a futuro, ya que el hecho de poder establecer con anterioridad el intervalo de produccin en el que la planta va a estar en funcionamiento supone una ventaja importante de esta tecnologa sobre otras formas de produccin de energa elctrica mediante fuentes renovables. De esta forma, se podra vender la electricidad en los periodos de mayor demanda, beneficindose de precios mejores: y se eliminara uno de los
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