¿Qué es una central termosolar de concentrador cilindro parabólico? 

Este artículo, de carácter divulgativo, trata de describir de una manera sencilla como son las centrales de concentradores lineales parabólicos o CCP. Forma parte del primer volumen de la colección OIPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE CENTRALES TERMOSOLARES, en la que se describen en detalle cada uno de los elementos que componen una central, se analiza la operación y se detalla el mantenimiento a que deben estar sometidas estas centrales

foto central termosolar ccp

 

Las tecnologías de aprovechamiento de la radiación solar para la conversión en energía eléctrica utilizando una transformación intermedia en energía térmica se clasifican en dos grandes grupos: las que concentran la radiación solar a lo largo de una línea o las que concentran la radiación solar en un punto. Dentro de las primeras existen dos tecnologías que la emplean: las de concentrador cilindro parabólico y las de espejos fresnel. En las que concentran la radiación solar en un punto, con ratios de concentración mucho mayores y con la posibilidad de realizar el seguimiento a dos ejes, también hay dos tecnologías aplicables: las de torre central y las que utilizan motores Stirling.

Las centrales cuya tecnología se considera más madura en estos momentos, y que supone más del 95% de la potencia de generación termosolar instalada en España, es la tecnología CCP. Básicamente consiste en la concentración de la radiación solar a lo largo de una linea recta con una longitud que oscila entre los 600 y los 800 metros. El fluido caloportador, esto es, el fluido que transportará la energía que es captada en los concentradores cilindro parabólicos, entra por uno de los extremos a una temperatura y con una velocidad determinados, y sale por el otro extremo a una temperatura superior. 

El fluido utilizado puede ser agua, pero actualmente no se han superado los problemas derivados de la vaporización que se produciría en un punto intermedio del recorrido. Por esta razón se prefiere el uso de otros fluidos que no cambian de estado entre un extremo y otro de la linea recta en la que se concentra la radiación solar. De todos los fluidos posibles, los fluidos orgánicos sintéticos son los que mayores ventajas presentan, y entre ellos destaca la mezcla eutéctica de oxido de difenilo al 26,5% en peso y bifenilo al 73,5%. Esta mezcla presenta el mejor compromiso entre coste y prestaciones, aunque como se verá más adelante, presenta grandes dificultades en su manejo que condicionan enormemente los resultados de explotación de las plantas. A este fluido se le denomina habitualmente HTF (Heat Transfer Fluid) 

Por esta compromiso entre economía y técnica las centrales termosolares CCP construidas hasta la fecha de edición de este libro utilizan esta mezcla de hidrocarburos aromáticos sintéticos, cuyas prestaciones y comportamiento es necesario conocer y dominar si se quiere diseñar, construir, operar y/o mantener plantas termosolares CCP.

El HTF trabaja entre unos 290 ºC a la entrada de la  linea en la que se concentra la radiación y los 390 a la salida. A mayor temperatura de salida, mayor rendimiento global de la planta, pero las características químicas del fluido no hacen posible utilizarlo por encima de los 400ºC, pues las reacciones de degradación aumentan exponencialmente de velocidad, originándose hidrocarburos volátiles y pesados que modifican el comportamiento de la planta y que plantean incluso problemas de seguridad. Por ellos las centrales CCP tienen limitada la temperatura máxima de trabajo del fluido orgánico a unos 400 ºC. Además, requieren de sistemas que eliminen los productos originados en la degradación, normalmente utilizando filtraciones y destilaciones sucesivas.

El lugar donde se realiza la captación de radiación y su posterior transferencia en forma de calor al HTF se denomina campo solar y es una basta extensión de terreno de aproximadamente 2 hectáreas por MW eléctrico instalado. Así, una planta de 49,9 MW, la máxima posible de acuerdo con la actual legislación española que limita a 50 MW la generación en régimen especial con derecho a percepción de una prima por cada MWh exportado a la red eléctrica, ocupa unas 100 hectáreas.

El calor absorbido por el HTF a continuación es transferido a un circuito de agua para generar vapor. Esta agua, que anteriormente ha sido presurizado en una bomba centrífuga multietapa hasta presiones comprendidas entre los 50 y los 100 bar de presión, se vaporiza y se sobrecalienta hasta aproximadamente 380 ºC enfriándose el HTF hasta los 290 ºC, A esa temperatura el fluido caloportador se devuelva al campo solar para que continue transportando la energía captada en el campo solar. Los equipos responsables del intercambio de calor entre el HTF y el ciclo agua-vapor son intercambiadores del tipo carcasa-tubo de gran tamaño y cierto grado de complejidad. En ellos se realiza la transferencia de calor entre los dos fluidos de forma especializada: el tren de generación de vapor incluye equipos diseñados para calentar agua, para producir vapor y para sobrecalentar ese vapor. Con los conocimientos actuales no es posible construir un equipo que realice con eficiencia y sin problemas técnicos esas tres funciones, razón por la que el tren de generación tiene equipos especializados para cada una de estos procesos. 

El vapor generado es entonces conducido hasta la turbina de vapor, donde se producirá una nueva transformación energética. La energía contenida en el vapor en forma de presión (energía potencial) se transforma de forma escalonada en energía mecánica rotativa, con un excelente rendimiento teniendo en cuenta la baja temperatura del vapor (380ºC). El rendimiento de esta transformación oscila entre el 27% y el 40%, dependiendo de la carga a la que esté la planta (mayor rendimiento a mayor carga) alcanzando su máximo valor cuando la central está al 100% de potencia.

El vapor a la salida de la turbina es vapor “muerto”, sin capacidad para realizar trabajo mecánico. Su temperatura es inferior a 50ºC y su presión ronda los 0,05 a 0,08 bar(a), es decir, una presión inferior a la presión atmosférica. Para aprovechar ese caudal de agua desmineralizada, unos 54 Kg/s cuando la planta está a plena carga, es necesario condensarla y volver a tenerla en forma líquida. De esta forma se consiguen tres objetivos:

  • Se aprovecha el agua a la salida de la turbina para reutilizarlo nuevamente
  • Se genera en el condensador una presión inferior a la atmosférica, imposible de conseguir si el vapor se tirara a la atmósfera. Con ello el salto de presión entre la entrada y la salida de la turbina es mayor y por tanto también lo es la potencia generada y el rendimiento de la planta
  • Se puede presurizar el fluido de forma económica antes de introducirlo en la caldera. Presurizar un líquido siempre es más barato que que presurizar vapor, por la incompresibilidad de los líquidos. Así, si se intentar comprimir vapor hasta los 100 bares se  consumiría más energía de la que generaría su posterior expansión. Comprimir agua resulta energéticamente más favorable. 

 

foto central termosolar ccp 2

 www.centralestermosolares.com

 

Para condensarlo es necesario introducir un nuevo fluido en el sistema, al que el vapor pueda cederle el calor latente de vaporización. Hay que recordar que los procesos de evaporación o de condensación requieren al aporte o la sustracción de grandes cantidades de calor (unas 2418 KJ por cada Kg de vapor que llega al condensador a esa temperatura).   Existen dos posibilidades: utilizar agua como fluido frío al que se transferirá el calor que debe sustraérsela al vapor para que condense, o utilizar aire. 

En el primer caso el agua fría se obtiene habitualmente de una torre evaporativa. El agua enfriada en la torre se conduce hasta el condensador, que no es más que un intercambiador carcasa-tubos. En el condensador el agua de refrigeración captará el calor de condensación y lo transferirá posteriormente al ambiente con la ayuda de la torre. La torre disipa calor evaporando parte del agua, por lo que es necesario reponer tanto el agua evaporada como el agua purgada de la torre para mantener la concentración de sales dentro de unos límites seguros. El consumo de agua ronda los 400.000-500.000m3/año.  

En lugares en los que hay escasez de agua no puede emplearse este sistema se recurre a grandes aerocondensadores, en los cuales se transfiere el calor de condensación directamente al aire ambiental. Es una forma menos eficiente y más cara de condensar, y por tanto solo se emplea si no hay otras alternativas.

La energía mecánica rotativa requiere ahora una última transformación en energía eléctrica. Esta transformación se realiza en el generador, que es un equipo eficiente y maduro. La energía eléctrica generada se transporta a la red eléctrica mediante las líneas de transporte. Estas líneas pueden ser aéreas o enterradas y requieren de una serie de una serie de equipos que facilitan la conexión:

  • Transformadores, que igualan las tensión eléctrica entre la generada en la planta y la de la linea a la que se conecta
  • Aparamenta de maniobra, que permite la conexión y desconexión
  • Protección eléctricas, para garantizar que generador y red eléctrica se encuentran en las condiciones adecuadas para estar interconectadas sin causarse daños
  • Red de tierras, a la que se transferirán las corrientes de defecto
  • Equipos de medida, que informan a las protecciones eléctricas d de los valores de tensión e intensidad, y a las que se conectan también los equipos de facturación que miden la energía que entra y sale de la planta. 

 

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CENTRALES TERMOSOLARES CCP:

Fundamentos técnicos, principales equipos y sistemas

 

 

 

El libro Centrales Termosolares CCP es un libro de carácter técnico que estudia los principios de funcionamiento y los principales equipos que forman parte de una central termosolar de concentrador cilindroparabólico. 

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