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

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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

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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.

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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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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

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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

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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

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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

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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

Mara Jos Montes Pita Tesis Doctoral

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