Mono Graf i a Central Solar

8/13/2019 Mono Graf i a Central Solar

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA

Facultad de Ingeniera Mecnica

CENTRAL TERMICA A ENERGIA SOLAR

DE 10 MW Curso : Fuerza Motriz Trmica

Profesor : Ing. Aguilar Vizcarra, Duilio

Alumnos : Sarmiento Aguilar Pedro Manuel 20061110EGamboa Alarcn Jhon Javier 20050034KVilla Salsavilca Willy Joel 20061012C

Vargas Pinto Csar Eduardo 20064040H

Presentacin : 27 de Noviembre 2011.

2011


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Universidad Nacional de Ingeniera FUERZA MOTRIZ TERMICAFacultad de Ingeniera Mecnica.

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Introduccin

Ha pasado ya casi siglo y medio desde que Mouchot, profesor de matemticas del Liceo

de Pars, y Pifre, su ayudante, hacia 1880 consiguieron aprovechar por primera vezla energa proveniente del sol como foco caliente para construir un ciclo de vaporque alimentaba una pequea imprenta. El motor solar que hizo posible esto haba sido patentado aos antes por el mismo Mouchot.

Abel Pifre, operario de Mouchout, utilizaun antecesor de los colectores de los

actuales discos parablicos paraproporcionar la potencia que necesita

una prensa de imprenta en 1880

Desde entonces surgieron otros emprendedores como: Ericsson (1888), Eneas (1901),Shuman (1913) y Francia (1961) quienes fueron desarrollando la maquinaria adecuada para producir energa mecnica partiendo del sol como fuente energtica con finesindustriales.

Pero no se deben olvidar ideas anteriores, como el caso de Leonardo da Vinci, que en1515 inicia el proyecto, nunca acabado, para la construccin con espejos cncavosde un concentrador de 6 km de dimetro para la produccin de vapor y calorindustrial. Del mismo modo el desarrollo de la qumica y la metalurgia en los siglosXVII y XVIII recoge numerosas experiencias de uso de la radiacin solar concentrada para la fundicin de metales y la elaboracin de aleaciones, como es el caso de AntoineLavoisier, quien construy un gran concentrador solar para fundir Platino, en la mismapoca en que Inglaterra y Holanda comienzan a desarrollar industrialmenteinvernaderos con paredes de vidrio para la agricultura intensiva.

Pese a esta dilatada historia, no es hasta los aos 80 del pasado siglo cuando un sistemade produccin elctrica de origen termo-solar es conectado a una red de distribucin.Esteadormecimientodel desarrollo solar termo-elctrico se debi a los grandes aos deloro negro, hasta que en los 70, con la crisis del petrleo, lleg el despertar, que tomforma en las primeras instalaciones de colectores cilindro-parablicos, discos Stirling ycentrales de receptor central.

De aquellas instalaciones, las SEGS (1985) con colectores de tecnologa LS (LuzSystem, en honor de la empresa propietaria de la tecnologa) siguen en funcionamientoactualmente, sirviendo como referencia a los desarrollos ms avanzados de hoy en daque estn surgiendo al albor de la nueva crisis del petrleo y medioambiental que se est

gestando.


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Objetivos

Por la naturaleza del trabajo a desarrollar, el diseo conceptual de un sistemanovedoso de produccin de energa solar termo-elctrica, se buscar principalmente:

- Aproximacin al diseo, desde un punto de vista macroscpico.Buscando el valor de los consumos ms representativos aproximados para unas determinadas condiciones de funcionamiento, y una

estimacin del rendimiento de la conversin energtica de solartrmica.

- Potencial comercial del concepto, atendiendo a posibles ubicacionesgeogrficas basadas en el estudio previo de las caractersticas ptimasnecesarias para su funcionamiento .

- Lograr una central de potencia que se plantee con un ciclo Rankine devapor de agua de 10 MW de energa sin uso de combustible.


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I. Marco tericoI.1 Colectores Solares

Un captador solar, tambin llamado colector solar, es cualquier dispositivo diseado para recoger la energa irradiada por el sol y convertirla en energa trmica. Loscolectores se dividen en dos grandes grupos: los captadores de baja temperatura,utilizados fundamentalmente en sistemas domsticos de calefaccin yACS, y loscolectores de alta temperatura, conformados medianteespejos, y utilizadosgeneralmente para producir energa elctrica.

CAPTADORES DE BAJA TEM PERATURA

Fig1. captadores solares planos.

Captador solar plano, tambin llamado colector solar plano o panel solartrmico, consistente en una caja plana metlica por la que circula un fluido, quese calienta a su paso por el panel. Puede ser a su vez:

o Captador plano protegido: con un vidrio que limita las prdidas de calor.o Captador plano no protegido: sistema ms econmico y de bajorendimiento, utilizado esencialmente para climatizacin de piscinas.

Panel de tubos de vaco, donde la superficie captadora est aislada del exterior por un doble tubo de vidrio que crea una cmara al vaco. Existen dos sistemas:

o Flujo directo: el fluido circula por los tubos, como en los captadores planos.

o Flujo indirecto o Heat pipe:1 el calor evapora un fluido en el tubo, y ste

transmite su energa al condensarse en el extremo.
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Captadores de alta temperatura

Fig,2 espejos planos en concentrador solar.

Fig 3.espejos parablicos en concentrador solar.

Concentrador solar: el fluido se calienta a alta temperatura mediante espejos

parablicos. Pueden ser:o Sistemas lineales (disposicin cilndrica): el fluido se calienta al recorrerla lnea situada en el foco de la parbola

o Sistemas puntuales (disposicin esfrica): con forma de plato, utilizado para concentrar ms los rayos y obtener as temperaturas ms altascuando la infraestructura es de dimensiones limitadas.

Espejos planos olentes Fresnal lineales,2 con idntica funcin que losconcentradores solares lineales.

Espejos en unacentral trmica solar, que concentran la radiacin solar en unnico punto situado en una torre, en donde se genera vapor de agua para producir electricidad.

Espejos en un horno solar, variante donde se utilizan espejos planos y posteriormente espejos parablicos para obtener muy altas temperaturas.

Colectores planos protegidos

Son los ms utilizados por tener la relacin coste-produccin de calor ms favorable. Enellos, el captador se ubica en una caja rectangular, cuyas dimensiones habituales oscilanentre los 80 y 120cm de ancho, los 150 y 200cm de alto, y los 5 y 10cm de espesor (si
http://es.wikipedia.org/wiki/Concentrador_solarhttp://es.wikipedia.org/wiki/Concentrador_solarhttp://es.wikipedia.org/wiki/Concentrador_solarhttp://es.wikipedia.org/wiki/Par%C3%A1bola_(matem%C3%A1tica)http://es.wikipedia.org/wiki/Lente_de_Fresnelhttp://es.wikipedia.org/wiki/Colector_solar#cite_note-1http://es.wikipedia.org/wiki/Central_t%C3%A9rmica_solarhttp://es.wikipedia.org/wiki/Horno_solar_de_Odeillohttp://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Solar_Array.jpghttp://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Fresnel_reflectors_ausra.jpghttp://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Solar_Array.jpghttp://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Fresnel_reflectors_ausra.jpghttp://es.wikipedia.org/wiki/Horno_solar_de_Odeillohttp://es.wikipedia.org/wiki/Central_t%C3%A9rmica_solarhttp://es.wikipedia.org/wiki/Colector_solar#cite_note-1http://es.wikipedia.org/wiki/Lente_de_Fresnelhttp://es.wikipedia.org/wiki/Par%C3%A1bola_(matem%C3%A1tica)http://es.wikipedia.org/wiki/Concentrador_solarhttp://es.wikipedia.org/wiki/Concentrador_solarhttp://es.wikipedia.org/wiki/Concentrador_solarhttp://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Solar_Array.jpghttp://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Fresnel_reflectors_ausra.jpg


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larga o (infrarrojos), menos energtica. Pero como el vidrio es muy opaco para esaslongitudes de onda, a pesar de las prdidas por transmisin, (el vidrio es un mal aislantetrmico), el recinto de la caja se calienta por encima de la temperatura exterior.

Al paso por la caja, el fluido calo portador que circula por los conductos se calienta, ytransporta esa energa trmica a donde se desee.

El rendimiento de los colectores mejora cuanto menor sea la temperatura de trabajo, puesto que a mayor temperatura dentro de la caja (en relacin con la exterior), mayoressern las prdidas por transmisin en el vidrio. Tambin, a mayor temperatura de la placa captadora, ms energtica ser su radiacin, y ms transparencia tendr el vidrio aella, disminuyendo por tanto la eficiencia del colector.

Aplicaciones

Preparacin de agua caliente para usos sanitarios, Calefaccin Climatizacin de piscinas. Central trmica

Dependiendo de la estacin del ao, tanto en viviendas unifamiliares como en edificios,las instalaciones de energa solar trmica proporcionan habitualmente entre el 30% y el100% del agua caliente demandada, con medias anuales en torno al 40-50%, por lo quenecesitan el apoyo de sistemas convencionales de produccin de agua caliente.

Utilizados para calefaccin slo son indicados para sistemas de baja temperatura, como

el suelo radiante, donde se emplean para precalentar el agua de la caldera. Segn losdiferentes estudios que se consulten, la reduccin del consumo obtenida se estima entreun 25-45%, aunque en la prctica no suele ser econmicamente rentable dimensionar lainstalacin para reducciones de consumo mayores a un 30%. El problema con el uso

para calefaccin es que los das en que las necesidades de calefaccin son mayores, lacaptacin y el rendimiento de los colectores son menores. Mientras que cuando los paneles son ms eficientes, las necesidades de calefaccin son menores.

Para calefactar espacios se puede tambin hacer circular aire a travs de panelesespecialmente diseados para ello, proporcionando calefaccin directa sin los riesgos

operativos que presenta el agua (aunque con menos eficiencia debido a la menorcapacidad caloportadora del aire).

El uso de paneles solares trmicos es particularmente adecuado para la climatizacin de piscinas, pues la baja temperatura de trabajo requerida permite incluso tipologas decolectores sin vidrio protector, lo que abarata enormemente tanto los costes como elimpacto ambiental de la instalacin. Adems, no necesitan acumulador puesto que es la propia agua de la piscina la que acta como tal.
http://es.wikipedia.org/wiki/Radiaci%C3%B3n_infrarrojahttp://es.wikipedia.org/wiki/Suelo_radiantehttp://es.wikipedia.org/wiki/Suelo_radiantehttp://es.wikipedia.org/wiki/Radiaci%C3%B3n_infrarroja


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Est en desarrollo el empleo de colectores para refrigeracin conmquinas deabsorcin, pues al contrario que en calefaccin, la mayor demanda de refrigeracincoincide con el mejor rendimiento de los colectores.

I.2 Central trmica Solar

Una central trmica solar o central termosolar es una instalacin industrial en la que, a partir del calentamiento de un fluidomediante radiacin solary su uso en un ciclotermodinmico convencional, se produce la potencia necesaria para mover un alternador para generacin de energa elctricacomo en una central trmicaclsica.

Constructivamente, es necesario concentrar la radiacin solar para que se puedanalcanzar temperaturaselevadas, de 300 C hasta 1000 C, y obtener as un rendimientoaceptable en elciclo termodinmico, que no se podra obtener con temperaturas ms bajas. La captacin y concentracin de los rayos solares se hacen por medio de espejos

con orientacin automtica que apuntan a una torre central donde se calienta el fluido, ocon mecanismos ms pequeos de geometra parablica. El conjunto de la superficiereflectante y su dispositivo de orientacin se denomina heliostato.

Los fluidos y ciclos termodinmicos escogidos en las configuraciones experimentalesque se han ensayado, as como los motores que implican, son variados, y van desde elciclo Rankine(centrales nucleares, trmicas de carbn) hasta el ciclo Brayton(centralesde gas natural) pasando por muchas otras variedades como el motor de Stirling, siendolas ms utilizadas las que combinan la energa termosolar con el gas natural.

LAS CENTRALES DE TORRE

Una central de torre tambin conocida como sistema de receptor central estcompuesta por un sistema concentrador o campo de heliostatos, que capta y concentra la

componente directa de la radiacin solar sobre un receptor donde se produce laconversin de la energa radiante en energa trmica que suele instalarse en la partesuperior de una torre. El fluido de trabajo puede ser, entre otros, aire, vapor de agua,sodio fundido o sales fundidas, segn la tecnologa escogida. En las de vapor de agua,este mueve directamente una turbina. En los otros, el fluido transporta el calor a ungenerador de vapor de agua, con el que se hace funcionar una turbina que mueve algenerador elctrico.

Uno de los componentes ms crticos de las centrales de torre es el receptor, situado enlo alto de la misma. Debido a las altas temperaturas y gradientes que puede alcanzar, locual est adems ntimamente ligado al rendimiento del ciclo termodinmico, losestudios actuales se centran bsicamente en la eleccin de materiales y la disposicin deestos de forma que existan las menores prdidas de calor posibles, incrementando as noslo la eficiencia global del ciclo sino la del receptor en s. Existen receptoresvolumtricos, de tubos, abiertos, de cavidad, circulares, etc.
http://es.wikipedia.org/wiki/Refrigeraci%C3%B3n_por_absorci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Refrigeraci%C3%B3n_por_absorci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_solarhttp://es.wikipedia.org/wiki/Alternadorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Generaci%C3%B3n_de_energ%C3%ADa_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Central_t%C3%A9rmicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Temperaturahttp://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_termodin%C3%A1micohttp://es.wikipedia.org/wiki/Heliostatohttp://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_Rankinehttp://es.wikipedia.org/wiki/Central_nuclearhttp://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_Braytonhttp://es.wikipedia.org/wiki/Gas_naturalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_Stirlinghttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_solar_h%C3%ADbridahttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_solar_h%C3%ADbridahttp://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_Stirlinghttp://es.wikipedia.org/wiki/Gas_naturalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_Braytonhttp://es.wikipedia.org/wiki/Central_nuclearhttp://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_Rankinehttp://es.wikipedia.org/wiki/Heliostatohttp://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_termodin%C3%A1micohttp://es.wikipedia.org/wiki/Temperaturahttp://es.wikipedia.org/wiki/Central_t%C3%A9rmicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Generaci%C3%B3n_de_energ%C3%ADa_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Alternadorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_solarhttp://es.wikipedia.org/wiki/Refrigeraci%C3%B3n_por_absorci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Refrigeraci%C3%B3n_por_absorci%C3%B3n


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En cuanto al sistema ptico, ste es la principal caracterstica que distingue a tecnologatermosolar de otras convencionales de produccin de electricidad. Debido a las grandesextensiones de superficie reflectante necesaria, una parte importante de los costes deuna planta estn ligados a los helistatos, o los colectores cilindro parablicos en sucaso. El sistema de apunte es crtico a fin de optimizar el campo maximizando laradiacin anual reflejada incidente en el receptor de la torre evitando gradientes en elmismo. El seguimiento solar se lleva a cabo mediante un sistema de control automticoque puede estar ms o menos centralizado, el cual hace funcionar pequeos motoreselctricos que mueven la superficie reflectora con dos grados de libertad, esto son, dosejes. Se estn llevando a cabo tambin estudios de mejora del sistema de control,intentando reducir los costes totales de las plantas.

Durante finales de los aos 1970 y principios de los aos 1980 se construyeron variascentrales elctricas termosolares en distintos lugares del planeta y con diversas variantestecnolgicas, con objeto de demostrar la viabilidad de la generacin de energa elctricaa partir de la energa solar mediante la conversin trmica. Entre estas plantas dedemostracin pueden mencionarse las siguientes:

SSPS/CRS

Situada cerca de Tabernas, en Almera, Espaa(1981). El receptor era de sodiofundidoque alcanzaba temperaturas de 520 C y generaba 0,5 MW elctricos con 3700 m2 deheliostatos. Tena 90 heliostatos. El sodio fundido se empleaba para generarvapor deaguaque a su vez mova un motor Spilling acoplado a un generador elctrico.

Sunshine

Situada en Nio, Japn(1981). Receptor de vapor de agua. Generaba 1 MW elctrico con12.900 m2 de heliostatos. Funcion durante tres aos, demostrando la viabilidadtecnolgica del proyecto, pero se consider econmicamente no viable en EEUU

Themis

Central solar Thmis: situada en Targasonne, Francia (1982). Receptor de salesfundidas, y generaba 2,5 MW elctricos con 11.800 m2 de heliostatos.

CESA 1

Situada cerca de Tabernas, en Almera, Espaa(1983). Receptor de vapor de agua (a520 C y 10 barde presin, y generaba 1,2 MW elctricos con 11.900 m2 de espejo en

300 heliostatos. Dispona de un sistema de almacenamiento trmico de sales fundidas.El vapor alimentaba directamente una turbina, o se enviaba para calentar las salesfundidas. CESA es acrnimo de Central Electro Solar de Almera (CESA-1).
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SPP5

Situada en Shchelkino, Ucrania, en la costa de la pennsula de Crimea(1985). Receptorde vapor de agua y generaba 5 MW elctricos con 40.000 m2 de heliostatos.

Solar Two

Situada en Barstow, California, USA (1996-1999). Utiliz parte de la infraestructura deSolar One (Torre, heliostatos, etc.). Receptor de sales fundidas, generaba 10 MWelctricos con 71.500 m2 de heliostatos.

El ao 2002, ninguna de estas centrales segua en funcionamiento.

LAS CENTRALES DE CILINDROS PARABLICOS

Fig 4

La diferencia con las anteriores est en el modo de recolectar la energa del Sol. Enlugar de heliostatos, se emplean espejosde forma cilindro parablica. Por el foco de la parbola pasa una tubera que recibe los rayos concentrados del Sol, donde se calienta elfluido, normalmente unaceite trmico. Una vez calentado el fluido, el proceso es elmismo que el de las centrales de torre. Actualmente el fluido alcanza temperaturas prximas a 400 C.

En el desierto de Mojave, California, hay 9 centrales SEGS (Solar Electric GeneratingStation), que forman la mayor instalacin solar del planeta. Las hay entre 14 MWe y 80MWe, y su capacidad total es de 354 MWe. Son centrales hbridas, esto es, que producen electricidad a partir de las energa solar y de combustible fsil. La produccina partir de combustible fsil no puede sobrepasar un determinado porcentaje de la produccin total para as tener derecho a subvenciones.

SEGS I y II se encuentran en Dagget.
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SEGS III a VII estn en Kramer Junction. SEGS VIII y IX estn en Harper Lake. Estaba previsto construir tres ms, SEGS X, XI y XII, pero el proyecto se

suspendi.

Alguna est en funcionamiento desde 1985, y la ltima (SEGS IX) empez a produciren 1991. La compaa que gestion estas centrales quebr, pero la que la sustituycontinu la produccin.

ACTUALIDAD

Centrales de torre

Fig5 . PS10.

La centralPS10, construida porAbengoa Solaren colaboracin con elCIEMAT enSanlcar la Mayor(Sevilla), est conectada a la red elctricay produciendo desde el 28de febrero de 2007. Fue inaugurada oficialmente por el presidente de la junta deAndaluca, Manuel Chaves, el 30 de marzo de 2007. Se prev una vida operativa de almenos 25 aos; es la primera central de explotacin comercial de su tipo. El receptor esde tipo cavidad y trabaja con vapor saturado como fluido de transferencia. La potencia

es de 11 MW y se espera una produccin anual de 24,2 GWh. El campo solar est endisposicin norte y est formado por 624 helisotatos. La torre tiene una altura de 114metros.

La PS20, de Abengoa Solar igualmente, se puso en funcionamiento la segunda semanade mayo de 2009 con una potencia de 20 MW, situada al oeste de la PS10. El camposolar est compuesto por 1255 helistatos en disposicin norte, la torre de 150 metros yreceptor de vapor saturado. Estn en distintas fases de ingeniera otras plantas, tanto detorre (como PS10 y PS20), cilindro parablicos y mixtas, hasta un total de 305 MW.

Puesta en funcionamiento a finales de mayo de 2011, la tercera planta comercial delmundo es Gemasolar, de la joint venturehispano-rabe Torresol Energy, esta en Fuentesde Andaluca, (Sevilla).1 Cuenta con tecnologa de sales fundidas de nitrato potsico yun almacenamiento trmico que puede funcionar hasta 15 horas tericas sin recibir
http://es.wikipedia.org/wiki/PS10http://es.wikipedia.org/wiki/PS10http://es.wikipedia.org/wiki/Abengoa_Solarhttp://es.wikipedia.org/wiki/CIEMAThttp://es.wikipedia.org/wiki/Sanl%C3%BAcar_la_Mayorhttp://es.wikipedia.org/wiki/Red_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Junta_de_Andaluc%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Junta_de_Andaluc%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Manuel_Chaveshttp://es.wikipedia.org/wiki/GWhhttp://es.wikipedia.org/wiki/PS20http://es.wikipedia.org/wiki/Gemasolarhttp://es.wikipedia.org/wiki/Joint_venturehttp://es.wikipedia.org/wiki/Fuentes_de_Andaluc%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Fuentes_de_Andaluc%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Sevillahttp://es.wikipedia.org/wiki/Central_t%C3%A9rmica_solar#cite_note-0http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Luz.jpghttp://es.wikipedia.org/wiki/Central_t%C3%A9rmica_solar#cite_note-0http://es.wikipedia.org/wiki/Sevillahttp://es.wikipedia.org/wiki/Fuentes_de_Andaluc%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Fuentes_de_Andaluc%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Joint_venturehttp://es.wikipedia.org/wiki/Gemasolarhttp://es.wikipedia.org/wiki/PS20http://es.wikipedia.org/wiki/GWhhttp://es.wikipedia.org/wiki/Manuel_Chaveshttp://es.wikipedia.org/wiki/Junta_de_Andaluc%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Junta_de_Andaluc%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Red_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Sanl%C3%BAcar_la_Mayorhttp://es.wikipedia.org/wiki/CIEMAThttp://es.wikipedia.org/wiki/Abengoa_Solarhttp://es.wikipedia.org/wiki/PS10http://es.wikipedia.org/wiki/PS10http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Luz.jpg


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suficiente radiacin solar. La potencia nominal es de 19,9 MW y cuenta con un camposolar de unas 185 hectreas compuesto por 2650 heliostatos en disposicin circular.

Centrales de cilindros parablicos

En Espaa estn en proyecto o en construccin bastantes centrales termosolares decilindros parablicos, entre algunas de ellas estn:

La central deAndasol, diseada y construida por Milenio Solar y Cobra (filialde ACS), de 50 MW cada una.

Las centrales de colectores cilindro parabolicos de Solnova 1, ya en marcha,2Solnova 3 y Solnova 4 de 50 MWe cada una. En la plataforma solar de Sanlcar

la Mayor(Sevilla), cerca de las centrales de torre y campo de helistatos PS10 yPS20.

En el resto del mundo:

En Australiase est estudiando tambin la instalacin de una de estas torres de 1km de altura, campo colector de 5 km de dimetro y que generara 200 MW.

En Boulder City, cerca de Las Vegas, Nevada, est prevista una de 64 MW.
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1 Cuerpo de la caldera2 Hervidor3 Campo Solar

4 Bomba de condensado5 Bomba de recirculacin6 Tubera bajante7 Aislamiento8 Separador de fases9 Salida del vapor10 Secador del vapor11 Sobre-calentador12 Tubera de vapor

sobrecalentado13 Cimentacin

I.3 Caldero solarCaldera Solarse entiende un sistema que sirve para generar vapor calentando agua, ideafundamental del sistema, aunque una evolucin futura podra utilizar, por ejemplo, ungas, con lo que posiblemente habra que cambiar el nombre: Recuperador solar,calentador solar?

As, por Caldera Solar este texto se refiere al sistema que se plantea de formaesquemtica en las siguientes figuras

Imagen esquemtica de la Caldera Solar

Distintos esquemas representativos de la idea deCaldera solar : Torre y helistatos (izquierda) yesquema general con generacin de energa mecnica (derecha)


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Atendiendo a las figuras indicadas, el concepto deCaldera Solarresulta evidente. Uncampo de helistatos como el de los receptores de torre central alcanza la superficiereceptora, que a diferencia del sistema de torre central no es una cavidad o sistema derea relativamente pequea frente a la superficie lateral de la torre que la sustenta,sino una superficie extensarepartida a lo largo de una fachada.

De esta forma se tiene un sistema con puntos en comn con los dereceptor de torrecentral , pero con un receptor que conceptualmente no tiene nada que ver. Mientras queuno es de superficie pequea, con materiales especiales que resistan fuertes densidadesde potencia, el otro es extenso, con bajas densidades de potencia a soportar.

Una de las primeras objeciones desde el punto de vista trmico aparece ante la extensinde captacin de las parrillas de laCaldera Solar , pues un rea tan extensa debera causarimportantes prdidas trmicas. Esto no ocurre por los siguientes motivos:

- Las temperaturas de trabajo que se plantean no son excesivas (~400C-500C) frente a las que se pueden alcanzar en sistemas de torre central (700C-900C).

- El aislamiento trmico no es muy complejo, pero resulta suficiente. Se ha planteadoun vaco en los mdulos entre la cubierta de vidrio y la parrilla metlica por cuyointerior circula el fluido calorfero. Como se podr ver en el epgrafe correspondiente alvaco de las parrillas, este efecto es suficiente para reducir considerablemente las prdidas trmicas .

De esta forma con condiciones de funcionamiento moderadas, aislamientos no muyexigentes, y densidades de potencia lo suficientemente altas como para alcanzar unrendimiento suficiente, pero sin generar tensiones trmicas superiores a las de lascentrales trmicas convencionales, se tiene una nueva tipologa de sistemas deaprovechamiento solar termo-elctrico de alto rendimiento y mayor simplicidad queaquellos sistemas con los que se puede comparar en cuanto a generacin directa devapor (GDV):colectores cilindro parablicosy receptores de torre central . Conrespecto a los primeros la ventaja constructiva reside en la menor longitud de tuberaque debe recorrer el fluido, con los segundos, por los menores requerimientos

estructurales en las parrillas debido a las menores temperaturas.

Por ir afinando ms el concepto deCaldera Solar , atendiendo al fluido de trabajo,agua/vapor, se pueden tener en cuenta diferentes configuraciones de funcionamiento, lasmismas que se barajan para trabajar con generacin directa de vapor en colectorescilindro-parablicos.


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Diferentes modos de funcionamiento del fluido agua/vapor [4-3].

Se ha optado por la configuracin Recirculation concept de la figura 4 -3, que apartede ser la ms estable en sistemas de colectores cilindro-parablicos con GDV es laconfiguracin tpica de centrales trmicas convencionales y consiste en recircular elcaudal que no ha pasado a fase vapor constantemente por los conductos en los que segenera el vapor.

En base a la configuracin seleccionada aparecen varios elementos: por un lado elseparador de fases y por otro una parrilla de sobre-calentamiento del vapor, esta ltima para aumentar la entalpa del fluido antes de que alcance la turbina. El separar las fases

implica la aparicin de un elemento donde se vuelvan a juntar, el mezclador, y de una bomba de recirculacin.

El ttulo de vapor en las centrales trmicas convencionales no suele superar el 20% y ladensidad de potencia tpica en centrales de carbn viene siendo inferior a los 120kW/m2

Bloque de potencia

El bloque de potencia es una de las principales partes en que se puede dividir unacentral trmica, junto con el foco caliente y el conjunto generador de vapor. En

el presente escrito no se intenta realizar aportacin alguna a la ciencia de lasturbo-mquinas ni del aprovechamiento del vapor en ciclos Rankine, que ser el que seva a acoplar en el modelo.


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Una de las principales caractersticas que se pueden observar de estos conjuntoses el aumento de su complejidad con la potencia. Se pasa de esquemas como elde la figura 4-13, con un cuerpo de turbina, un condensador y una bomba de presurizacin para bajas potencias a equipos de 4 extracciones (tres recalentadores msun desgasificador) y un recalentamiento intermedio para un equipo de ~ 50MWe.

Bloque de potencia acoplado aCaldera Solar para pequea potencia ~5MWe

Bloque de potencia acoplado aCaldera Solar para grandes potencias ~

50MW


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Caldera Solar de Pequea Potencia ~ 5 MW e

Similar al caso tomado como referencia, 5MWe, con la diferencia que para una plantacomercial de esta potencia se incluiran extracciones. Por ello el esquema que se presenta en este epgrafe considera una turbina con dos extracciones.

Indicar que el elevado rendimiento se debe a la temperatura alcanzada en elsobrecalentador, 800K, alcanzable segn lo comentado en el captulo del estado dela tcnica; si bien, estos resultados tienen inters nicamente desde el punto de vistaterico, una aplicacin prctica de la viabilidad del sistema y de la validez del modeloen forma de prototipo industrial pre-competitivo nos llevara a hiptesis mucho ms

conservadoras.

Resumen del resultado para configuracin 5 MWe

Rendimiento turbina 0.9 Potencia turbina (MWm) 5.8 Temperatura vapor entrada turbina (K) 800 Presin vapor entrada (bar) 99 Caudal vapor (kg/s) 5,53 Ttulo a la salida 0.86

Presin del condensacin (Pa) 7385 Temperatura de condensacin (K) 313 Rendimiento bomba presurizacin 0.8 Potencia de la bomba de presurizacin (kWe) 76 Rendimiento bomba recirculacin 0.8 Potencia bomba recirculacin (kWe) 3 Nmero de extracciones 2 Recalentamiento No Rendimiento parte solar 0.73 Rendimiento ciclo de potencia 0.40 Rendimiento total 0.276

Caldera Solar de Mediana Potencia ~ 20 MW e

Pasar a una potencia cuatro veces superior puede ser problemtico desde el punto devista del diseo, ya que se deben cumplir todas las restricciones impuestas (ttulosalida del hervidor, ttulo salida turbina, temperatura entrada turbina).

Para realizar el diseo de una planta de estas caractersticas, como primer paso se opt por multiplicar el rea de captacin por el factor que se desea aumentar la potencia, para despus, decrementar el rea en la justa medida para alcanzar la potencia buscada en proporcin a la diferencia y por ltimo atender a las restricciones en ttulosajustando caudales y densidades de potencia en hervidor y sobrecalentador.


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Rendimiento turbina 0.9 Potencia turbina (MWm) 22 Temperatura vapor entrada turbina (K) 800 Presin vapor entrada (bar) 99 Caudal vapor (kg/s) 23.1 Ttulo a la salida 0.86 Presin del condensacin (Pa) 7385 Temperatura de condensacin (K) 313 Rendimiento bomba presurizacin 0.8 Potencia de la bomba de presurizacin (kWe) 339 Rendimiento bomba recirculacin 0.8 Potencia bomba recirculacin (kWe) 66 Nmero de extracciones 2 Recalentamiento No Rendimiento parte solar 0.73 Rendimiento ciclo de potencia 0.413 Rendimiento total 0.266

Se observa un rendimiento total algo menor como consecuencia de las mayoresnecesidades de bombeo.

Caldera Solar de Gran Potencia ~ 50 MW e

Para la planta de 50 MWe el ciclo se puede complicar bastante, en concreto se haoptado por una turbina de dos cuerpos (alta presin y baja presin) con recalentamientointermedio entre ellos y un total de cuatro extracciones. Dicho recalentamientointermedio se producir mediante la inclusin de una nueva parrilla, la parrilla derecalentamiento.

En principio se optar por una parrilla de recalentamiento con las mismas caractersticasque la de sobrecalentado, pero con tubos de superior tamao para disminuir las prdidas de presin, que se pueden hacer excesivas.


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Rendimiento turbina 0.9 Potencia turbina (MWm) 52.2 Rendimiento alternador 0.98 Potencia alternador (MWe) 50 Temperatura vapor entrada turbina (K) 670 Presin vapor entrada (bar) 99 Caudal vapor (kg/s) 59 Ttulo a la salida 0.85 Presin del condensacin (Pa) 7385 Temperatura de condensacin (K) 313 Rendimiento bomba presurizacin 0.9 Potencia de la bomba de presurizacin (kWe) 842 Rendimiento bomba recirculacin 0.8 Potencia bomba recirculacin (kWe) 250 Nmero de extracciones 4 Recalentamiento S Rendimiento parte solar 0.73 Rendimiento ciclo de potencia 40 Rendimiento total 28.4

En este caso se han tomado valores del vapor a la entrada de la turbinacercanos a 400C, pues con esta configuracin de los parmetros de trabajo nominalesse obtiene el objetivo de la tesis: el pre-diseo de una planta termosolar de potenciacon una densidad de potencia inferior al de las plantas de receptor central, con unatemperatura que permite utilizar el estado de la tcnica ms comn de las centralesde CCP y evita el principal problema de stas, la longitud de las tuberas.


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II. Datos generales del ProyectoII.1 Ubicacin del proyectoDepartamento de Madre de DiosMadre de Dios es un departamentodel Persituada en el suroriente del pas, abarcadoen su totalidad por laAmazonia. Fue creado el26 de diciembrede 1912 a partir deterritorios deldepartamento de Punoy del departamento de Cuzco. Recibe su nombredel ro Madre de Dios, de cuya cuenca son tributarios la mayor parte de los ros de laregin y sobre cuyas orillas se emplaza la capital, Puerto Maldonado.

Departamento ntegramente selvtico; tiene zonas de selva alta y selva baja. Limita alnorte con Ucayaliy Brasil; al este con Brasil y Bolivia; al oeste con Cusco; al sur con

Cusco y Puno. Su capitalPuerto Maldonado, est en la confluencia delro Madre deDios y el ro Tambopata. Su geografa es de las ms difciles para la construccin decarreteras, pues los Andesse precipitan hacia la selva formando abismos.

Superficie: 85.300,54 km. Poblacin Total: 112.814 habitantes. (Censo 2007) Capital del Departamento: Puerto Maldonado. Altura de la capital: 186 msnm. Nmero de provincias: 3. Nmero de distritos: 11.

Clima: Tropical, clido, hmedo, con precipitaciones anuales superiores a 1.000 mm.La temperatura media anual en la capital es de 26 C con una mxima de 38 C enagosto y septiembre y una mnima de 21 C, con lluvias de diciembre a marzo. En aosexcepcionales el territorio es invadido por masas de aire frio provenientes del surdurante los meses de julio y agosto, ocasionando descensos excepcionales de latemperatura hasta 8 C

Anlisis sociodemogrfico:Tiene una poblacin de 112.814 habitantes que representael 0,4% de la poblacin nacional; concentra el 0,5% de la poblacin econmicamenteactiva - [PEA] y tiene un aporte econmico de 0,4% al [PBI] nacional. Durante el 2007

registr un crecimiento econmico de 11,7% respecto al 2006 y en el periodo 2004-2007 la tasa de crecimiento anual fue 8,5%.
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Fig6.

II.2 Proceso de generacin de energa

II.2.3 Generacin directa de vapor

Actualmente, la forma ms utilizada para generar vapor de agua mediante energa solar para despus transformarla en energa elctrica viene siendo los colectores cilindro- parablicos, con diferentes presiones y temperaturas. Desarrollos recientes descubrenuna nueva va como es el caso de la PS10, sistema de torre con el mismo objetivo,generar vapor.

Ambas tecnologas presentan inconvenientes que pueden ser solventados mediante elconcepto de Caldera Solar, por lo que en un primer momento se introducirn dichastecnologas para posteriormente comentar los puntos dbiles que se encuentran en lasmismas y que se buscan solventar con la Caldera Solar.

Luego de pasar por el generador de vapor solar , puede haber una etapa desobrecalentamiento; aqu el vapor saturado se recalienta an ms. Posteriormente estevapor recalentado es inyectado en la Turbina a Vapor donde se expande en las filas dealabes haciendo girar el eje de esta Turbina lo que genera trabajo, el cual estransformado en energa elctrica en el generador acoplado a la Turbina a Vapor.

El vapor que sale de la Turbina de Vapor, pasa a un condensador donde se transformaen agua. Este condensador es refrigerado mediante un sistema que inyecta agua fra porla superficie del condensador, lo que ocasiona la disipacin del calor latente contenidoen el vapor.

Posteriormente el agua pasa a un desgasificador/tanque de agua de alimentacin. En eldesgasificador se eliminan todos los gases no condensables. El tanque enva, a travs de bombas, el agua a alta presin hacia la chimenea de recuperacin para iniciarnuevamente el ciclo.

La tensin que se genera en los generadores de las vapor es de aproximadamente 13kVque es elevada en los transformadores principales conectados a cada generador, pudiendo ser del orden de los 220kV. Esto se realiza porque a baja tensin la intensidadde corriente es muy alta, necesitndose cables de transmisin de gran seccin quesoporten el flujo de electrones y generando adicionalmente grandes prdidas detransmisin. Al elevarse la tensin, la intensidad de corriente es baja lo que origina unareduccin en las prdidas de transmisin.

COMPONENTES:

Una o ms Turbinas a Vapor, que representan 1/3 de la generacin total de la planta.


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Uno o ms HRSG. Este equipo realiza la evaporacin del agua, para inyectarla enforma de vapor en la Turbina a Vapor.

Sistema de control basado en microprocesadores para la central. Sistema de refrigeracin si es que la zona donde se instalar la planta no cuenta

con sistemas de refrigeracin naturales (agua de mar, pozos profundos, etc.). Campo de helistatos Receptor tipo torre

ESQUEMA SIMPLIFICADO DEL PROCESO:

Fig. 7 Esquema general del proceso del ciclo de gas.

Cabe resaltar que para un ptimo funcionamiento de toda Planta es necesario unadecuado Programa de Mantenimiento de los equipo.


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III Clculo Termodinmico del Ciclo SeleccionadoDatos Principales

Presin de Vapor: 140 baresTipo de Vapor: SobrecalentadoUbicacin de la Planta: Madre de Dios

Temperatura ambiente (T5): 26C

Presin Atmosfrica (P5): 0,95 bar

Datos ConsideradosEficiencia mecnica ( m): 95%Eficiencia de los generadores ( g): 90%Eficiencia adiabtica Turbina a Vapor ( tv): 90%Eficiencia adiabtica Bomba ( b): 80%Presin a la salida de la Turbina a Vapor (P4): 1 barEstado de Vapor Sobrecalentado: P3:140 bar

T3:400C

6.4. TURBINA A VAPOR

Fig8.Clculo de la Potencia Neta del Ciclo Rankine (Wn2)Teniendo en cuenta que el Potencia Neta en la Turbina a Vapor (Wn2), est

determinada:


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Para la entrada tenemos:

K Kg KJ

s Kg KJ

h satutadoliquidoC T T KPa P P 6492,0,192 _ ,8,45,10 114141

Teniendo en cuenta que en lo ideal: K Kg KJ

s s 6492,021

Para la salida tenemos lquido comprimido de agua:

C T Kg KJ

h K Kg

KJ s MPa P P 5,46,47,2076492,0,14 22232

Clculo de la entalpia real a la salida de la bomba (h2r)

12

128,0hh

hhn

r b

Reemplazando los parmetros determinados tenemos: Kg KJ

h r 3,2112

MW hhmW r vapor bomba 2235.0)1923.211(*58.11)(* 1200

6.6.COLECTOR SOLAR (ETAPA DE CALENTAMIENTO)

Fig10.

r vapocr r g oCR hhmnT T Cpg mQ 2398 **)(** (7) 3.2113001*4.7787.0*)898(*0854.1*5.582 9 T

C K T 5.2335.5069


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III.1 Seleccin de los componentes de la planta de generacin

6.7 SELECCIN DE LA TURBINA A VAPORSegn se puede observar en el catlogo deTurbinas a Vapor Siemens podemosseleccionar las caractersticas de Turbina a Vapor:

CALCULADO SELECCIONADO

POTENCIA 11 MW Hasta 100MWTEMP. INGRESO 400 C Hasta 540C

PRESIN INGRESO 140 bar 140 bar


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Se seleccionar laTurbina a Vapor de Marca SIEMENS Modelo SST-600

6.8 SELECCIN DE LA BOMBA DE ALIMENTACIN A LA CALDERA

RECUPERADORA

Caractersticas de la Bomba:CALCULADO SELECCIONADO

CAUDAL 42 m3/h Hasta 2300m3/hALTURA 1500 m Hasta 5300m

TEMPERATURA 47 C Hasta 210CPRESIN 140 Bar Hasta 560 bar

Por lo tanto se seleccionar laBomba de marca KSB con modelo HG/HD (bomba dealimentacin de calderas).


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Mono Graf i a Central Solar