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Análisis energético de una planta de producción de frío solar mediante tecnología Fresnel 2012
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Julio Martí Romero
2. Capítulo 2: Descripción de la planta.
Este apartado se va a centrar en dar una visión detallada de la planta, profundizando en los aspectos
relevantes y analizando los elementos y procesos más importantes.
La planta piloto se puso en marcha durante el mes de febrero de 2008 y es la primera de estas
características en el mundo. Con esta instalación, Gas Natural pretende disponer de una herramienta
de estudio que permita establecer los parámetros técnicos, económicos y medioambientales del
diseño de instalaciones de este tipo para el sector terciario, mediante un control y monitorización
adecuados.
Uno de los objetivos es disponer de una instalación de referencia para poder demostrar la viabilidad
técnica de estas aplicaciones. El proyecto global de la planta ha sido subvencionado por la
Corporación Tecnológica de Andalucía.
Como se observa en la Figura 10 las partes fundamentales de la planta son 6, por un lado los 3
elementos controlados en la superficie de la escuela como son el sistema de captación, la máquina de
absorción y el tanque de almacenamiento. Otro de los elementos principales es la radiación solar
puesto que es la energía primaria del sistema. Y finalmente los 2 circuitos de conexión de la planta
como son el de condensación con el anillo circulante del rio y el circuito de climatización propio de
la escuela, ambas conexiones se realizan en el sótano de la escuela.
2.1. Localización
La planta se encuentra en la cubierta del edificio universitario de la escuela técnica superior de
ingenieros de Sevilla (ETSI), cuya dirección es “Camino de los Descubrimientos s/n. Isla de la
Cartuja 41092”. Las coordenadas de la instalación son 37.41º de latitud ,6º de longitud oeste y una
altitud de 34 metros sobre el mar. (Ver mapa de la Figura 9)
Figura 9. Localización de la Planta
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2.2. Utilidad
Aprovechamiento de la energía solar para la obtención de frío a partir de dicha energía, esto se puede
entender como un buen aliciente para desarrollar esta tecnología puesto que los días de mayor
demanda de frío coinciden normalmente con los de mayor radiación solar.
La planta piloto además de servir de estudio, se encuentra conectada a la instalación de refrigeración
de la escuela, suponiendo una novena parte de la potencia total instalada en el edificio (ETSI). Su
principal objetivo es el estudio de los resultados proporcionados por la planta
Figura 10. Elementos de la planta de tecnología Fresnel
2.3. Climatología del lugar.
La planta se encuentra en Sevilla, dicha ciudad posee un clima mediterráneo levemente
continentalizado, con precipitaciones variables, veranos secos muy cálidos e inviernos suaves. Según
la clasificación climática de Köppen, corresponde a un clima Csa. La temperatura media anual es de
18,3 °C, una de las mayores de Europa. Enero es el mes más frío con una media de temperaturas
mínimas de 5,2 °C; y julio es el mes más caluroso, con una media de temperaturas máximas diarias
de 36,3 °C. Se superan los 45 °C varias veces al año.
Las precipitaciones, con una media de 534 mm al año, se concentran entre octubre y abril; siendo
diciembre el mes más lluvioso, con 95 mm. Hay un promedio de 52 días de lluvia al año, 2898 horas
de sol y varios días de heladas.
Río
Guadalquivir
Captador solar
Escuela de Ingenieros
Acumulador
Maquina
de
absorción
Agua sobrecalentada
13/bar/165ºC
Gas natural
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Mes/Media mensual Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Anual
T. diaria máxima(°C) 15,9 17.9 21.2 22.7 26.4 31.0 35.3 35.0 31.6 25.6 20.1 16.6 24.9
T. diaria promedio(°C) 10.6 12.2 14.7 16.4 19.7 23.9 27.4 27.2 24.5 19.6 14.8 11.8 18.6
T. diaria mínima(°C) 5.2 6.7 8.2 10.1 13.1 16.7 19.4 19.5 17.5 13.5 9.3 6.9 12.2
Precipitación (mm) 65 54 38 57 34 13 2 6 23 62 84 95 533
Fuente: Valores climatológicos normales en el observatorio del Aeropuerto de Sevilla34 9 diciembre 2008
Tabla 5. Valores climatológicos (observatorio de Sevilla)
En esta Tabla 6, se puede ver los valores promedios de algunas de las variables más determinantes
para el estudio de la planta como son la temperatura (más detallada en la Tabla 5), y por otro lado se
observa los valores del viento, que como máximo alcanzan los 50 Km/h, de ahí que no sea un
problema excesivo para la estructura portante de la planta y por último se muestran los valores
máximos de radiaciones existentes.
MINIMO MEDIO MAXIMO
BÁSICAS Tseca (ºC) 2 18,3 41,1
Vviento (m/s) 0 2 14
RADIACIÓN
Directa (W/m2) 0 180 718
Difusa (W/m2) 1 58 229
Global (W/m2) 1 276 806
Tabla 6. Climatología (Datos de AMD-A)
En la Figura 11 se observa la evolución de la radiación total el día en el cual se produce el máximo
según los datos climáticos obtenidos por departamento de termotecnia de la universidad de Sevilla.
Como se puede ver, difieren un poco de los valores máximos otorgados por los datos de AMD-A.
Figura 11. Radiación total día del máximo (Datos RH Clima)
-200
0
200
400
600
800
1000
1200
0 5 10 15 20
Evolución de la Radiación total
dia 29/Mayo
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2.4. Elementos principales.
Este apartado realizar una descripción de los elementos principales de la planta, indicando sus
funciones y características.
2.4.1. Sistema de captación
El sistema de captación está formado por el captador tipo Fresnel (ver Figura 13), la característica
principal de esta tecnología es la utilización de captadores lineales planos para la reflexión de la
radiación (recordar 1.2.2.3. ventajas de este sistema). Dicha radiación la reflejan sobre el tubo
absorbedor por el cual pasa el agua a calentar que posteriormente se dirigirá hacia la máquina de
absorción.
Dicho sistema está situado en la cubierta del edificio, paralelo a la fachada Sur. Esta fachada no está
orientada puramente al Sur sino que tiene una desviación de 12° 3’ 1’’ hacia el Oeste como puede
observarse en la Figura 12.
Figura 12. Orientación sistema de captación
La planta se ha dividido en dos sectores controlados independientemente con motivo de la variación
de la orientación anteriormente descrita. Esto lleva a considerar (como se puede ver en Tabla 7) 22
filas de espejos independientes en lugar de 11 como físicamente se observan en la Figura 13.
El sistema poseerá otros elementos reflectores, portantes y de actuación. Sus principales elementos
son:
- Reflectores planos. - Reflectores secundarios.
- Tubo absorbedor. - Estructura portante.
- Mecanismo de arrastre. - Sensores.
- Sistema de control.
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Características del sistema de captación
Extensión de terreno ocupada 480 m2
Superficie reflectora total 352 m2
Orientación planta Este - Oeste
Número de líneas receptoras 1
Longitud línea receptor 64 m
Tipo de receptor De cavidad con reflector secundario y cubierta de vidrio
Altura línea receptor 4 m sobre los espejos
Anchura receptor 0,3 metros
Fluido de trabajo Agua
Generación de vapor No
Presión de diseño 13 bar
Relación de concentración 25
Orientación 12° 3’ 1’’
Tabla 7. Características del sistema de captación
Figura 13. Sistema de captación
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2.4.1.1. Reflectores primarios.
El sistema de captación estará compuesto por un total de 176 reflectores dispuestos en 22 filas que
como se ha comentado anteriormente, físicamente son 11 filas. Cada uno de los reflectores posee
unas dimensiones de 4 x 0.5 metros.
Los reflectores son planos y están ligeramente curvados elásticamente en su colocación, dichos
reflectores van apoyados sobre los servomotores que les permiten realizar el mecanismo de
seguimiento solar. Los espejos pueden estar en funcionamiento (Figura 14), en espera (Figura 15),
así como pueden colocarse totalmente horizontales para facilitar el limpiado de los propios
reflectores.
Características de los reflectores planos
Número de filas de reflectores por línea de absorbedor 22 filas
Número de particiones de reflectores por línea 16 columnas
Número total de reflectores 176
Longitud de cada módulo reflector 4 m
Anchura reflector 0,5 m
Reflectividad 0,92
Tabla 8. Características de los reflectores planos.
Figura 14. Espejos en posición de seguimiento
Figura 15. Espejos en posición de stand-by
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2.4.1.2. Reflectores secundarios.
Se trata de un reflector situado con una reflectividad nominal de 0.77 realizado mediante una
envolvente delgada de metal alrededor del tubo absorbedor para reflejar hacia este la radiación que
no incide directamente sobre tubo. De esta forma se optimiza la eficiencia óptica del sistema. Estos
reflectores están fijos.
Otra ventaja secundaria de este dispositivo es la protección que aporta sobre el tubo absorbedor, en
su contra hay que considerar que al tener una mayor envergadura provocara una mayor sombra sobre
los reflectores primarios.
Figura 16. Reflector secundario
2.4.1.3. Tubo absorbedor.
Desempeña un papel clave en la eficiencia de la planta además de otros factores como la precisión
óptica de los espejos. Su misión es la conversión de la radiación solar en energía térmica.
Los tubos son de 4 m de longitud, sellados al vacío con una envolvente de vidrio. El tubo envolvente
está hecho de un robusto vidrio boro silicato de gran transparencia, que recibe un recubrimiento y
que debe garantizar el vacio dentro del tubo.
Figura 17. Esquema de un tubo absorbedor
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El tubo receptor Schott PTR® 70 utilizado, incorpora un novedoso recubrimiento anti reflectante, que
es resistente de forma duradera a la abrasión y, al mismo tiempo, deja pasar más del 96% de la
radiación solar. Este recubrimiento presenta un grado de absorción de aprox. el 95% y emite como
máximo el 10% de radiación térmica a una temperatura de aprox. 400 °C siendo menor en nuestro
caso ya que trabajamos con temperaturas del orden de 180ºC.
En el tubo receptor Schott PTR® 70 la unión vidrio-metal y el fuelle para la compensación de las
distintas dilataciones lineales del vidrio y el metal no están dispuestos uno a continuación del otro,
como era habitual hasta ahora, sino superpuestos. Gracias a ello se aprovecha realmente el 96% de la
longitud del tubo receptor.
Por tanto se puede comprobar que con este tubo conseguimos los tres objetivos perseguidos para un
tubo absorbedor que son: Elevada absortancia, baja emisividad en onda larga y durabilidad.
En los extremos del sistema del tubo hay bridas DN 50 (DIN 2633, PN16) (Figura 19) para conectar
el captador solar con el resto del circuito hidráulico. La temperatura en el circuito hidráulico está
limitada a un máximo de 200 °C y la presión a un máximo de 16 bar. La presión estándar de
operación está limitada a 13 bar, posee una válvula de liberación de presión ajustada a 16 bar. El
caudal nominal de agua es de 13 m3/h. Toda esta información es obtenida de [1].
2.4.1.4. Estructura portante.
La función de dicha estructura es dar el soporte estructural al resto de equipos del sistema de
captación. Como se observa en la Figura 18 la estructura es ligera, un total de 34 barras verticales,
17 transversales y 2 longitudinales, que dan a la estructura un peso total aproximado de 1500 Kg
La estructura es de acero recubierto con pintura roja en polvo, que le da una capa antioxidante, ya
que dicha estructura se encuentra obviamente sometida a todos los condicionantes climáticos del
ambiente. No necesita mantenimiento la estructura de acero.
Figura 19. Tubo absorbedor Figura 18. Estructura portante
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2.4.1.5. Mecanismo de Arrastre.
Proporciona el movimiento de seguimiento solar mediante la utilización de motores de corriente
alterna. Sobre ellos actúa el sistema de control para guiar la reflexión del rayo sobre el tubo
absorbedor.
El motor transmite la energía mediante una correa como se observa en la Figura 20, al ser el sistema
de espejos muy ligero, se puede observar que con un motor de una dimensión pequeña se consigue
mover una fila de espejos muy amplia y que el eje para proporcionar dicho par está formado por una
sencilla barra de chapa.
La transmisión de energía del motor Impulsor es liberada por una banda poly V con una
reducción de velocidad de aproximadamente 1:2.8 en la polea de banda de salida. Cada
mecanismo de arrastre mueve ocho filas de espejos, cuatro en cada lado.
Los mecanismos de arrastre están diseñados para un torque máximo de 40 Nm en la fila de espejos.
Torques mayores que 60 Nm en la fila de espejos pueden destruir los mecanismos de arrastre.
Figura 20. Mecanismo de arrastre
2.4.1.6. Sistema de control.
El sistema de control de los paneles no es independiente, sino que forma parte del sistema global que
se especifica en el apartado 2.4.3. Cabe destacar que la posición de las distintas filas de paneles están
desacopladas, es decir que cada fila puede ser orientada o desorientada independientemente según
sea necesario. (La Figura 21 muestra el controlador).
Figura 21. Sistema de control de paneles.
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Figura 23. Sensor solar conectado a
interfaz CANO
2.4.1.7. Sensores.
- Potenciómetro:
Se utilizan para determinar la posición instantánea de las distintas filas de espejos, se encuentran
colocados junto a los mecanismos de arrastre. Las lecturas se transmiten mediante un CAN bus.
- Sensor de radiación:
Se utiliza para detectar líneas focales no centradas provenientes de los espejos primarios, de esta
forma se puede proceder mediante el sistema de control a realizar una calibración automatica de
dichos paneles. Dicho sensor se monta exterior al sistema de reflexión secundaria para evitar el
sobrecalentamiento y los fallos derivados de este aumento de temperatura.
Cada sensor consiste en un módulo PV sellado en un estuche de aluminio y agrupado por una
interfaz CAN (circulo naranja de la Figura 22) de 4 canales (circulos rojos de la Figura 22) que
transfieren el valor medio de V.
- Sensor de temperatura (PT100):
Dos sensores situados a la entrada y a la salida del tubo de absorción que proporcionan una lectura
utilizada para desenfocar los espejos en caso de que se supere la máxima temperatura soportada por
el sistema. (Figura 24)
Figura 22. Sensores de radiación desenfocada
Figura 24. Sensor de temperatura
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2.4.2. Acumulador.
2.4.2.1. Sustancia seleccionada.
La última incorporación a la planta ha sido la utilización de un acumulador latente que se basa en la
entalpía de cambio de fase de determinados materiales en nuestro caso, el material es la hidronina
(Figura 25), este material es capaz de cambiar de fase cíclica y reversiblemente, acumulando así
grandes cantidades de energía con pequeños saltos térmicos, próximos a su punto de
fusión/cristalización. Además es estable químicamente, no toxico y soporta la fatiga térmica.
Figura 25. Hidronina.
La utilización de la Hidronina es por un motivo justificado, como podemos observar en la (Tabla 9),
la temperatura de fusión se encuentra en torno a 180 º que es la temperatura de trabajo de la planta.
Al poseer un calor latente y específico, densidad y conductividad térmica elevados se reduce el
tamaño del intercambiador.
Las principales propiedades de la hidroquinona se muestran en la Tabla 9.
Sólido Líquido
Densidad 1358 1155 kg/m3
Calor específico 2310 2670 J/kg/ºC
Tª fusión 170,3 ºC
Calor latente 230000 J/kg
Tabla 9. Propiedades de la hidroquinona
2.4.2.2. Ventajas del almacenamiento.
Las ventajas de la utilización del sistema de almacenamiento con la situación anterior en la cual
dicho sistema no estaba, supone según los estudios realizados por Gas natural (ver bibliografía [2])
un aumento del 20% gracias a que se aprovecha la energía sobrante en horas de mucha radiación y se
utiliza dicha energía almacenada para horas en la que es necesario un aporte extra al sistema de
captación.
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Otra de las ventajas adicionales que conseguimos mediante la utilización del sistema de
almacenamiento es la estabilidad del sistema puesto que no debemos estar desorientando los espejos
para no excedernos de la energía máxima requerida por el equipo de absorción.
2.4.2.3. Intercambiador de calor
El acumulador térmico es un intercambiador de carcasa y tubo (Figura 26). Por los tubos circula el
fluido caloportador, en este caso agua presurizada a 13 bar que se regula mediante una válvula de 3
vías existente a la entrada del depósito, y en la carcasa se encuentra la hidronina. En la Figura 26 se
muestra la sección longitudinal del acumulador de cambio de fase.
Figura 26. Esquema Sistema de almacenamiento
El caudal de agua caliente que le llega al acumulador procede del captador solar Fresnel a mayor
temperatura que a la que se produce el cambio de fase de la hidroquinona provocándole el paso de
estado sólido al liquido.
Figura 27. Sistema de almacenamiento
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En la Tabla 10 se muestran algunas características del acumulador de PCM.
Peso en vacío 4100 kg
Peso lleno de agua 8150 kg
HIDROQUINONA
(CARCASA)
Temperatura de diseño 200 ºC
Presión de diseño 1 bar
Volumen 3300 L
AGUA PRESURIZADA
(TUBOS)
Temperatura de diseño 200 ºC
Presión de diseño 15 bar
Volumen 750 L
GENERAL
Capacidad Almacenamiento 291 kWh
Potencia Almacenamiento 149,9 kW
Salto máximo 30ºC
Tabla 10. Características del acumulador de cambio de fase
2.4.3. Maquina de absorción.
2.4.3.1. Introducción
La máquina de absorción permite la compresión térmica del refrigerante en lugar de utilizar un
compresor para la realización de una compresión mecánica de los sistemas convencionales. Ello
proporciona un ahorro de energía eléctrica de aporte con lo cual se obtendría un beneficio a largo
plazo dado que la inversión necesaria es mayor, por el contrario es necesario poseer un aporte
térmico “gratuito” para poder ser rentable, es decir que el flujo de calor enviado a la máquina sea el
sobrante de un proceso o como en nuestro caso producido por energías renovables.
Las ventajas de la utilización de la máquina de absorción son las siguientes:
- Poder emplear varias fuentes de calor (no en nuestro caso).
- Amplia gama de potencias disponibles.
- No generan ruidos o vibraciones al no poseer compresor. Menor sustitución de piezas y una
causa menos de interrupciones.
Desventajas, por supuesto no todo son ventajas, existen unos factores importantes que son los
responsables de que los sistemas de absorción estén poco utilizados en la actualidad.
- COP mucho más bajo.
- La mayoría condensa por agua. Uso de torres (problema de legionela)
- Mayor espacio y costes iniciales.
- Necesita operaciones de mantenimiento más concretas
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Como se observa en la Figura 29, el sistema de absorción necesita la existencia de 2 tanques de
almacenamiento donde se sitúa el absorbedor, en el primero se procede a la condensación de la
mezcla agua (el refrigerante en sistema en estudio) procedente del sistema de refrigeración y el
absorbente (bromuro de litio) procedente de la recirculación del otro tanque. El condensado se
bombea al tanque 2 donde se aporta calor y se evapora el componente de menor punto de ebullición
(el agua que se dirige al condensador del sistema frigorífico) y el absorbente se dirige previamente
pasando por un intercambiador donde se enfría de nuevo al tanque 1. De esta forma hemos tomado el
agua a baja presión y a alta temperatura y hemos generado agua a alta presión y a una temperatura
alta. Es decir realizamos el proceso 1 – 2 del diagrama p – h de la Figura 28
Figura 28. Diagrama p - h del ciclo de refrigeración
Figura 29. Esquema Máquina de Absorción de simple efecto
Se pueden distinguir tres flujos de energía en la máquina de absorción:
- , Potencia frigorífica resultante de enfriar un fluido en el evaporador. (Útil)
- , Potencia disipada en el condensador.
- , Potencia introducida en el generador de la máquina. (Aportada)
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2.4.3.2. Máquina de absorción de la planta
La Máquina de absorción existente en la planta es de doble efecto. El ciclo de doble efecto surge a
partir de la adición de equipos al ciclo de simple efecto, para poder mejorar su rendimiento. Esto es
posible en las maquina que operan con el par LiBr-H2O como la de la planta en estudio, ya que
trabajan con niveles de presión muy bajos. Las máquinas de doble efecto requieren de una
temperatura mínima en el generador de 120 – 140 °C para valores de de 1,3.
Figura 30. Esquema Máquina de absorción de doble efecto
En la Figura 31, se muestra la máquina de absorción BROAD BZH15 ubicada en la planta, su
situación es la esquina Noroeste de la azotea del edificio de la ESI. Se encuentra dentro de un cuarto
interior protegida de las condiciones climáticas internas, como se puede intuir el tamaño de la
máquina es considerablemente elevado y requiere de un amplio espacio y de una obra previa para su
instalación.
Figura 31. Máquina de absorción, BROAD BZH15
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La máquina de absorción existente en la planta es la BROAD BZH15, sus características las
podemos observar en la Tabla 11.
Características Máquina de Absorción
Potencia frigorífica máxima 174 kW
COP nominal 1.34
Temp. Generador (HTG) 145ºC
Temp. salida evaporador 7 °C
Temp. entrada evaporador 12 °C
Caudal evaporador 30 m3/h
Temp. salida condensador 37 °C
Temp. entrada condensador 30 °C
Caudal condensador 36,6 m3/h
Combustible Gas natural
Tabla 11. Características BROAD BZH15
2.4.3.3. Descripción de los componentes de los equipos de absorción
El equipo de absorción está formado por un recipiente de acero conteniendo el condensador, el
evaporador y el absorbedor, un generador de calor (dos en los equipos de doble efecto), unos
intercambiadores de calor y un sistema de regulación y control.
- Evaporador
Lo constituye un haz de tubos de cobre por los que circula el agua a refrigerar, sobre cuya superficie
se evapora el agua refrigerante que fluye desde unos distribuidores. La presión en el interior de la
envolvente es muy baja (6 mmHg) lo que hace que el agua se evapore a baja temperatura (5°C),
extrayendo el calor latente de vaporización del agua a refrigerar que circula por el interior del haz de
tubos.
- Absorbedor
Ocupa una parte de la misma cámara del evaporador con el que está directamente comunicado. A él
llega la solución de bromuro de litio concentrada y, dada la gran afinidad de este producto con el
agua, absorbe el refrigerante en fase vapor procedente del evaporador. Como el bromuro de litio
proviene del generador de calor (el de baja temperatura en el ciclo de doble efecto) y la presión en el
recipiente es tan baja como en el evaporador, se hace necesario eliminar el calor, lo que se realiza a
través de un haz de tubos de cobre por el que circula agua enfriada exteriormente, por ejemplo, en
una torre de enfriamiento evaporativo o en nuestro caso mediante el agua bruta de río. La solución de
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bromuro de litio y agua, diluida por el vapor absorbido, es enviada por la bomba de solución al
generador de alta temperatura.
- Generador de alta temperatura
Está formado por un haz de tubos en el que se calienta la solución diluida procedente del absorbedor,
hasta llevarla a ebullición. Al ascender, se separa parte del vapor de agua de la solución de bromuro
de litio incrementándose la concentración de ésta (se denomina solución semi-concentrada). El vapor
de agua separado seguirá su camino para convertirse en refrigerante en las etapas posteriores. El
calentamiento en el generador, puede efectuarse, mediante el agua procedente de los captadores o el
acumulador o en caso necesario mediante la quema de gas natural en la cámara de combustión.
- Generador de baja temperatura
En los equipos de doble efecto, un segundo generador, llamado de baja temperatura, actúa como
intercambiador de calor aprovechando parte del calor contenido en el vapor de agua procedente del
generador de alta temperatura, para obtener de nuevo vapor de agua de la solución semiconcentrada.
Con este vapor de agua liberado, la solución concentrada fluye hacia el absorbedor, mientras que el
vapor se une al que procede directamente del generador de alta temperatura en el recipiente
condensador.
- Condensador
El condensador, que en los ciclos de doble efecto forma un único recipiente con el generador de baja
temperatura, recibe el vapor de agua procedente de ambos generadores y lo condensa convirtiéndolo
en líquido. Para ello el vapor es enfriado en contacto con el haz de tubos por el que circula el agua de
enfriamiento exterior, procedente del agua bruta del anillo de la cartuja.
- Intercambiador de calor
La eficacia del ciclo de absorción descrito, se ve incrementada al intercambiar calor en dos puntos
del circuito, sendos intercambiadores de calor de haz tubular, denominados de alta y baja
temperatura respectivamente. Con el de baja temperatura se utiliza el calor contenido en la solución
concentrada procedente del generador de baja temperatura, para recalentar en una primera etapa, la
solución diluida del absorbedor en su camino hacia el generador de alta temperatura. Con el
intercambiador de alta temperatura se utiliza el calor contenido en la solución semiconcentrada
procedente directamente del generador de alta temperatura, para recalentar en una segunda etapa, la
solución diluida que procede fría del absorbedor y del intercambiador de calor de baja temperatura,
hacia el generador de alta temperatura. Ambos intercambios reducen la energía necesaria para llevar
a ebullición la solución diluida en el generador de alta temperatura, mejorando el rendimiento del
ciclo.
2.4.4. Sistema de control
La planta de refrigeración se encuentra controlada mediante un sistema distribuido. Un controlador
independiente, basado en PC 104 bajo Linux gobierna la acción de los espejos y otro basado en la
plataforma CJ de OMRON se encarga del control de la máquina de absorción. Estos controladores
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están integrados en una plataforma METASYS de la empresa Johnson Control, compuesta de tres
controladores tipo FX (dos FX15 y un FX7) para el control de los circuitos hidráulicos y la captación
de señales del sistema, una NAE (Network Automation Engine) para la centralización de todas las
señales y el desarrollo de programas de nivel superior, un sistema de integración (Integrator) con la
máquina de absorción y un Gateway (PC 104) para la integración con el colector solar.
En la Figura 32 puede observarse un diagrama de la interconexión de los elementos citados. En él se
describen las conexiones de distintos equipos, se enumeran los sensores instalados, para
posteriormente en las tablas (Tabla 12,Tabla 13,Tabla 14,Tabla 15,Tabla 16), se enumeren los
sensores de la planta.
2.4.4.1. Sensores
BacNE
T
N2
ModBU
NA
PC/104 Gateway
con control paneles
PC/104
control paneles
FX-15 Control Circuito
Captadores Solares
FX-7 control
colector calor
FX-15 Control
Circuitos para
Máquina de
Absorción
Integrator:
integración control
Máquina de
Absorción
PLC de Máquina de
Absorción
RED ESI
INTERNET
PCs Externos
PC Supervisión
Figura 32. Conexión de los elementos de control
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2.4.4.1. Sensores
- Sensores meteorológicos
Sensor Ubicación Rango/precisión Descripción (mide) Control
RM2 Estación 0 – 2000 W/m2 radiación global y calcula directa -
RM3 Reflector secund. - Sensor de radiación Espejos
TM1 Estación - Temperatura exterior -
HM1 Estación - Humedad relativa exterior -
VM1 Estación 0.7 – 50 m/s / 2% Velocidad del viento -
DM1 Estación 0 – 360ºC / 2% Veleta (dirección y sentido) -
Tabla 12. Sensores meteorológicos
- Sensores del circuito solar
Sensor Ubicación Precisión Descripción (mide) Control
TS1 Sala MADE - T entrada a la MADE -
TS2 Sala MADE - T salida de la MADE -
TS3 Antes t. absorb. - T entrada captador Fresnel -
TS4 Tras t. absorbedor - T salida captador Fresnel BS1
TS5 Tras t. absorbedor - Igual a TS4 CTX
QS1 En la Impulsión 0.75% Caudal que atraviesa la MADE BF1
QS2 Bajante circ. frío 0.75% Caudal por el captador -
PS1 Caseta bombas - Presión del circuito BS2
Tabla 13. Sensores circuito solar
- Sensores del circuito de frío
Sensor Ubicación Rango/precisión Descripción (mide) Control
TF1 Sala MADE 0-150ºC / 1% T entrada a la MADE -
TF2 Sala MADE 0-150ºC / 1% T salida de la MADE -
TF3 Bajante circ. frío 0-150ºC / 1% T de retorno a la impulsión VF1
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TF4 Interno a la MADE - Igual al TF1 VS1
QF1 En la Impulsión 0,8 - 300 m3/h / 2% Caudal que atraviesa la MADE BF1
QF2 Bajante circ. frío 0,8 - 300 m3/h / 2% Caudal de retorno a impulsión -
PF1 En la Impulsión 1 – 8 bar / 1% Presión del circuito -
Tabla 14. Sensores circuito frío
- Sensores del circuito de condensación
Sensor Ubicación Rango/precisión Descripción (mide) Control
TB1 Sala MADE 0-150ºC / 1% T entrada a la MADE VB1
TB2 Sala MADE 0-150ºC / 1% T salida de la MADE -
TB3 Interno a la MADE - Igual al TB1 MADE
QB1 En la Impulsión 0,8 - 300 m3/h / 2% Caudal que atraviesa la MADE BB1
PB1 En la Impulsión 1 – 8 bar / 1% Presión del circuito -
Tabla 15. Sensores circuito condensación
- Sensores del circuito de calor
Senso
r Ubicación Rango/precisión Descripción (mide) Control
TC1 Sala MADE 0-150ºC / 1% T entrada a la MADE -
TC2 Sala MADE 0-150ºC / 1% T salida de la MADE -
TC3 Bajante circ. frío 0-150ºC / 1% T de entrada al primario de IC2 -
TC4 Sotano 0-150ºC / 1% T de entrada al secundario de IC1 -
TC5 Sotano 0-150ºC / 1% T de entrada al primario de IC1 VC1
TC6 Interno MADE - Igual a TC1 VS1
QC1 En la Impulsión 0,8 - 60 m3/h / 2% Caudal que atraviesa la MADE BC1
QC2 Bajante circ. frío 0,8 - 60 m3/h / 2% Caudal atraviesa el primario IC2 -
QC3 Aspiración bomba 0,8 - 60 m3/h / 2% Caudal atraviesa el secundario IC2 BC2
PC1 Sala MADE 1 – 8 bar / 1% Presión del circuito -
PC2 Sotano 1 – 8 bar / 1% Presión del circuito secundario -
Tabla 16. Sensores Circuito calor
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2.4.5. Otros elementos.
2.4.5.1. Bombas
Realizan el transporte del fluido caloportador entre los diferentes equipos del circuito. La mayoría
son de la marca WILO. Existen:
Bomba Circuito Descripción
B1 y B1’ Condensación Entre el condensador de la MADE
y el intercambiador de agua de rio ubicado en el sótano de la ESI
B2 y B2’ Calor Entre MADE e intercambiador circuito de calor (I2).
B3 y B3’ Frío Entre los colectores de frio de la ESI y MADE.
B4 y B4’ Calor Entre el intercambiador de calor (IC1)
y los colectores de calor de la ESI.
B5 y B5’ Solar Entre captador solar y la MADE.
B6 Solar Bomba de apoyo.
B7 Solar Bomba de llenado para mantener la presión y evitar formación de
vapor. Se caracteriza por un caudal bajo (0.5 m3/h.).
Tabla 17. Bombas en la planta
2.4.5.2. Válvulas
Válvulas de 3 vías: Se utilizan para mantener la temperatura controlando la mezcla de 2 corrientes.
Existen instaladas las siguientes:
Válvula Circuito Descripción
VS1 Solar Mezcla entrada captador, salida MADE, retorno
captador.
VS7 Solar Igual a la VS1 pero puede ser controlada.
VS2,3,4,5,6 Solar Sirven para efectuar los modos de operación.
VB1 Condensación Conecta tuberías retorno e ida del intercambiador del
rio.
VF1 Frío Conecta tuberías retorno e ida del colector de frío.
VC1 Calor Conecta tuberías entrada y salida de la MADE.
Tabla 18. Válvulas en la planta
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Otras válvulas:
- Válvulas de alivio del circuito solar: Su función es evitar que la presión en el circuito solar
supere un valor de seguridad fijado por el valor de consigna CPA.
- Válvula tele-operada del intercambiador de agua de rio (VB2): Válvula tele-operada a la
salida del primario del intercambiador de calor de agua de rio (I1).
2.4.5.3. Intercambiadores de calor
- Intercambiador de agua de rio (I1): Intercambiador ubicado en el sótano de la ESI que
refrigera la corriente de agua procedente del condensador de la MADE con agua de rio.
- Intercambiador de calor (I2): Se encarga del intercambio de energía entre el circuito primario
y secundario de calor.
2.4.5.4. Otros
Además de los elementos anteriormente citados, existen otros como son:
- Juntas de dilatación.
- Válvulas de corte.
- Filtros.
- Sondas.
- Purgas.
- Manguitos.
- Pirostatos
Estos pueden ser observados en el esquema general de la planta (Figura 33).
2.5. Conexionado con la refrigeración de la ESI
En la Figura 34 se puede ver el sistema de conexionado de la planta con las enfriadoras de la ESI, en
ella se observan que nuestra planta piloto se encuentra conexionada en paralelo con el sistema de
refrigeración de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros. Dicho sistema posee una potencia
frigorífica instalada de 1.16 MW y posee un COP = 4.5. Los puntos de conexión se han resaltados
con dos círculos de color morado. Al igual que los circuitos de la planta son en este color.
En la figura puede verse las diferentes enfriadoras existentes y como se conecta como una más la
planta piloto, suponiendo un 20% de la potencia total instalada.
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Figura 33. Esquema general de la planta
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Figura 34. Esquema de conexionado con la ESI
2.6. Modos de operación de la planta.
En este apartado se va a describir los 7 modos de operar de la planta con acumulador. Los modos de
operación posibles son:
- Cargando Acumulador.
- Cargando Acumulador y alimentando a la MADE o Captador y Acumulador alimentando a la
MADE.
- Captador precalentando tuberías y Acumulador alimentando a la MADE.
- Acumulador precalentando tuberías.
- Acumulador alimentando a la MADE.
- Captador alimentando a la MADE.
- Captador precalentando tuberías.
Nota: Los circuitos por donde se está circulando agua se encuentran en Azul, así como el estado del
captador, acumulador y Equipo de absorción se observa si está ON/OFF si está Azul/Rojo. Mismo
procedimiento se ha seguido con las bombas B6 y B5.
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2.6.1. Cargando Acumulador
Figura 35. Modo de operación 1
- Descripción:
El flujo de agua se encuentra intercambiando energía entre el captador y el acumulador. Es decir, el
flujo es impulsado por B5 hacia el captador donde el flujo aumenta su energía (aumenta su entalpía),
pasa por el acumulador donde realiza el aporte de energía a la hidroquinona, resultando un descenso
de su energía, posteriormente toma el camino de retorno hacia la bomba B5 de nuevo sin hacer paso
por la bomba B6.
- Utilización:
Este método de funcionamiento será de utilidad, cuando la demanda del edificio sea nula y exista
radiación suficiente para comenzar el funcionamiento de la planta.
- Resumen:
Captador Acumulador MADE B5 B6 VS1 VS2 VS3 VS4 VS5 VS6
ESTADO ON ON OFF ON OFF C A A A C C
Tabla 19. Resumen modo de operación 1
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2.6.2. Cargando Acumulador y alimentando a la MADE o Captador y Acumulador
alimentando a la MADE
Figura 36. Modo de operación 2
- Descripción:
El flujo de agua se encuentra intercambiando energía el captador con la MADE y el acumulador o en
su caso entre el captador y el acumulador con la MADE. Es decir, el flujo es impulsado por B5 hacia
el captador donde el flujo aumenta su energía (aumenta su entalpía), llega a la válvula de regulación
VS6 donde parte del flujo se destina a intercambiar calor en el acumulador y otra parte se envía a la
MADE, pudiendo suceder dos alternativas, que el flujo que se destina al acumulador sea para lograr
un calentamiento puesto que la energía captada no es suficiente o si esta lo es para acumular parte de
la energía si hay en exceso. Posteriormente toma el camino de retorno hacia la bomba B5 de nuevo
sin hacer paso por la bomba B6.
- Utilización:
En el primer caso, se carga el acumulador con la energía sobrante del funcionamiento normal de la
planta, puesto que existe un exceso de dicha energía demandada, en el segundo caso, la energía
absorbida por el campo de captadores no es suficiente y se apoya con el acumulador para alimentar
la MADE.
- Resumen:
Captador Acumulador MADE B5 B6 VS1 VS2 VS3 VS4 VS5 VS6
ESTADO ON ON ON ON OFF R A A A C R
Tabla 20. Resumen modo de operación 2
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2.6.3. Captador precalentando tuberías y Acumulador alimentando a la MADE
Figura 37. Modo de operación 3
- Descripción:
El flujo de agua se encuentra intercambiando energía el captador con las tuberías, sirviendo este
calor para precalentar las tuberías, este flujo es movido por B5. Por su parte la MADE se encuentra
alimentada por el acumulador, movido este flujo por la bomba B6, este caso es como si tuviéramos 2
circuitos independientes, separados por las válvulas VS4 y VS3.
- Utilización:
Este modo se utiliza en el arranque de la planta, es decir cuando la radiación es aún muy baja y no
hay suficiente energía en el captador para alimentar la MADE, dicha energía se aprovecha realizando
un precalentamiento de las tuberías para tenerlo a temperatura cuando inicie su funcionamiento
normal, por su parte la demanda se cubre mediante la utilización del acumulador alimentando a la
MADE.
- Resumen:
Captador Acumulador MADE B5 B6 VS1 VS2 VS3 VS4 VS5 VS6
ESTADO ON ON ON ON ON R A C C A C
Tabla 21. Resumen modo de operación 3
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2.6.4. Acumulador precalentando tuberías
Figura 38. Modo de operación 4
- Descripción:
El flujo se hace circular por el circuito solar utilizando la energía almacenada en el acumulador para
precalentar las tuberías. Para ello se mantiene encendida la bomba B5. Así como abiertas las válvulas
VS4, VS3 y VS2.
- Utilización:
Su utilización principal se produce cuando no existe demanda, se presenta un nuevo día de
funcionamiento en el cual se presupone que la existirá energía excedente para ser almacenado, y el
tanque se encuentra casi lleno, por ello se utiliza dicha energía del tanque para precalentar las
tuberías con el fin de poder arrancar con anterioridad el sistema de captación, para producir energía
útil, y ya posteriormente en horas centrales se recuperará la energía del acumulador cuando exista
sobrante.
- Resumen:
Captador Acumulador MADE B5 B6 VS1 VS2 VS3 VS4 VS5 VS6
ESTADO OFF ON OFF ON OFF C A A A C C
Tabla 22. Resumen modo de operación 4
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2.6.5. Acumulador alimentando a la MADE
Figura 39. Modo de operación 5
- Descripción:
El flujo se hace circular por el acumulador para aumentar su energía y enviarlo a la MADE para
cubrir la demanda. El flujo se encuentra impulsado por la bomba B6.
- Utilización:
Se utiliza cuando la radiación solar no es suficiente o es nula y existe demanda que poder cubrir con
la energía almacenada en el acumulador. Este modo será posible siempre y cuando exista energía
almacenada en el acumulador.
- Resumen:
Captador Acumulador MADE B5 B6 VS1 VS2 VS3 VS4 VS5 VS6
ESTADO OFF ON ON OFF ON R A C C A C
Tabla 23. Resumen modo de operación 5
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2.6.6. Captador alimentando a la MADE
Figura 40. Modo de operación 6
- Descripción:
Se trata del funcionamiento normal, es decir el funcionamiento que existía antes de la instalación del
acumulador, el flujo se bombea por el captador y la energía aquí captada se manda a la MADE,
donde retorna para ser de nuevo impulsada.
- Utilización:
Se utiliza cuando la radiación solar es suficiente o en su caso cuando existe energía en exceso pero el
acumulador se encuentra cargado al máximo y no se le puede enviar más flujo.
- Resumen:
Captador Acumulador MADE B5 B6 VS1 VS2 VS3 VS4 VS5 VS6
ESTADO ON OFF ON ON OFF R A A A C A
Tabla 24. Resumen modo de operación 6
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2.6.7. Captador precalentando tuberías
Figura 41. Modo de operación 7
- Descripción:
Se trata del funcionamiento normal anteriormente descrito, con la salvedad de que el flujo no pasa
por la MADE sino que se recircula al llegar a la VS1 de tal forma que precaliente las tuberías del
circuito.
- Utilización:
Se utiliza cuando la demanda es nula y existe poca radiación para utilizarla llevándola al acumulador,
de esta forma mantiene la planta preparada para entrar en operación cuando se produzca demanda o
para llenar el acumulador, si este no está completo.
- Resumen:
Captador Acumulador MADE B5 B6 VS1 VS2 VS3 VS4 VS5 VS6
ESTADO ON OFF OFF ON OFF C A A A C A
Tabla 25. Resumen modo de operación 7
