Plantas de energía solar térmica de torre, sistemas de concentración de energía solar

El sol es una fuente de energía extremadamente "limpia". Hoy, en todo el mundo, el trabajo sobre el uso del Sol se está desarrollando en muchas direcciones. En primer lugar, se está desarrollando la llamada industria de pequeña energía, que incluye principalmente la calefacción y el suministro de calor de edificios. Pero ya se han dado pasos serios en el campo de la energía a gran escala: se están creando plantas de energía solar sobre la base de la fotoconversión y la conversión térmica. En este artículo, le informaremos sobre las perspectivas de las estaciones de la segunda dirección.

La tecnología de energía solar concentrada, conocida mundialmente como CSP (Concentrated Solar Power), es un tipo de planta de energía solar que utiliza espejos o lentes para concentrar grandes cantidades de luz solar en un área pequeña.

La CSP no debe confundirse con la energía fotovoltaica concentrada, también conocida como CPV (concentrated photovoltaics). En la CSP, la luz solar concentrada se convierte en calor y, a continuación, el calor se convierte en electricidad.Por otro lado, en CPV, la luz solar concentrada se convierte directamente en electricidad a través de efecto fotoeléctrico.

Uso industrial de concentradores solares

Energía solar

El sol envía una poderosa corriente de energía radiante en dirección a la tierra. Incluso si tenemos en cuenta que 2/3 de ella es reflejada y dispersada por la atmósfera, aún así la superficie terrestre recibe 1018 kWh de energía en 12 meses, que es 20.000 veces más de lo que el mundo consume en un año.

Es natural que utilizar esta fuente inagotable de energía con fines prácticos siempre haya parecido muy tentador. Sin embargo, pasó el tiempo, el hombre en busca de energía creó una máquina térmica, bloqueó ríos, partió un átomo y el Sol siguió esperando entre bastidores.

¿Por qué es tan difícil controlar su energía? Primero, la intensidad de la radiación solar cambia durante el día, lo cual es extremadamente inconveniente para el consumo. Esto significa que la estación solar debe tener una instalación de baterías o trabajar en conjunto con otras fuentes. Pero esto todavía no es el mayor inconveniente. Mucho peor, la densidad de la radiación solar en la superficie terrestre es muy baja.

Entonces, en las regiones del sur de Rusia, es solo 900 — 1000 W / m2... Esto es suficiente solo para calentar el agua en los colectores más simples a temperaturas de no más de 80 — 90 ° C.

Es apta para suministro de agua caliente y en parte para calefacción, pero en ningún caso para generación de electricidad. Aquí se necesitan temperaturas mucho más altas. Para aumentar la densidad de flujo, es necesario recogerlo de un área grande y transformarlo de disperso a concentrado.

Producción de energía con sistemas de concentración solar

Los métodos para concentrar la energía solar se conocen desde la antigüedad.Se ha conservado una leyenda sobre cómo el gran Arquímedes, con la ayuda de espejos cóncavos de cobre pulido, quemó la flota romana que la asediaba en el siglo III a.C. NS. Siracusa. Y aunque esta leyenda no está confirmada por documentos históricos, la posibilidad misma de calentar en el foco de un espejo parabólico cualquier sustancia a temperaturas de 3500 — 4000 °C es un hecho indiscutible.

Los intentos de utilizar espejos parabólicos para generar energía útil comenzaron en la segunda mitad del siglo XIX. Se llevó a cabo un trabajo particularmente intenso en los EE. UU., Inglaterra y Francia.

Un espejo parabólico experimental para el uso de energía solar térmica en Los Ángeles, EE. UU. (hacia 1901).

En 1866, Augustin Mouchaud usó un cilindro parabólico para generar vapor en la primera máquina de vapor solar.

La planta de energía solar de A. Mouchaud, demostrada en la Exposición Industrial Mundial en París en 1882, causó una gran impresión en los contemporáneos.

La primera patente de un colector solar la obtuvo el italiano Alessandro Battaglia en Génova (Italia) en 1886. En los años siguientes, inventores como John Erickson y Frank Schumann desarrollaron dispositivos que funcionan concentrando la energía solar para riego, refrigeración y movimiento.

Motor solar, 1882

Planta solar de Frank Schumann en El Cairo

En 1912, se construyó cerca de El Cairo la primera planta de energía solar con una capacidad de 45 kW con concentradores cilíndricos parabólicos con un área total de 1200 m22 que se utilizó en el sistema de riego. Se colocaron tubos en el foco de cada espejo. Los rayos del sol se concentraron en su superficie.El agua de las tuberías se convierte en vapor, que se recoge en un colector común y se alimenta a la máquina de vapor.

En general, cabe señalar que este fue un período en el que la creencia en el fantástico poder de enfoque de los espejos se apoderó de muchas mentes. La novela de A. Tolstoi "El hiperboloide del ingeniero Garin" se convirtió en una especie de prueba de estas esperanzas.

De hecho, en una serie de industrias, estos espejos se utilizan ampliamente. Sobre este principio, muchos países han construido hornos para fundir materiales refractarios de alta pureza. Por ejemplo, Francia tiene el horno más grande del mundo con una capacidad de 1 MW.

¿Y las instalaciones de generación de energía eléctrica? Aquí los científicos se han enfrentado a una serie de dificultades. En primer lugar, el costo de los sistemas de enfoque con superficies de espejo complejas resultó ser muy alto. Además, a medida que aumenta el tamaño de los espejos, el costo aumenta exponencialmente.

Además, cree un espejo con un área de 500 a 600 m2 técnicamente difícil, y no puede obtener más de 50 kW de potencia de él. Está claro que en estas condiciones la potencia unitaria del receptor solar está significativamente limitada.

Y otra consideración importante sobre los sistemas de espejos curvos. En principio, se pueden ensamblar sistemas bastante grandes a partir de módulos individuales.

Para instalaciones actuales de este tipo ver aquí: Ejemplos de uso de concentradores solares

Cilindro parabólico utilizado en la planta de energía solar concentrada de Lockhart cerca de Harper Lake, California (Proyecto Mojave Solar)

Se han construido centrales eléctricas similares en muchos países. Sin embargo, existe un serio inconveniente en su trabajo: la dificultad para recolectar energía.Después de todo, cada espejo tiene su propio generador de vapor en el foco y todos están repartidos en un área grande. Esto significa que el vapor debe recogerse de muchos receptores solares, lo que complica mucho y aumenta el coste de la estación.

Torre solar

Incluso en los años anteriores a la guerra, el ingeniero N. V. Linitsky propuso la idea de una planta de energía solar térmica con un receptor solar central ubicado en una torre alta (planta de energía solar tipo torre).

A fines de la década de 1940, científicos del Instituto Estatal de Investigación de la Energía (ENIN) que lleva el nombre de V.I. G. M. Krzhizhanovsky, R. R. Aparisi, V. A. Baum y B. A. Garf desarrollaron un concepto científico para la creación de dicha estación. Propusieron abandonar los complejos y costosos espejos curvos, reemplazándolos con los helióstatos planos más simples.

El principio de funcionamiento de las plantas de energía solar desde una torre es bastante simple. Los rayos del sol son reflejados por múltiples helióstatos y dirigidos a la superficie de un receptor central: un generador de vapor solar colocado en la torre.

De acuerdo con la posición del Sol en el cielo, la orientación de los helióstatos también cambia automáticamente. Como resultado, a lo largo del día, una corriente concentrada de luz solar, reflejada por cientos de espejos, calienta el generador de vapor.

Diferencia entre diseños de SPP usando concentradores parabólicos, SPP con concentradores de disco y SPP de una torre

Esta solución resultó ser tan simple como original. Pero lo más importante fue que, en principio, se hizo posible crear grandes plantas de energía solar con una potencia unitaria de cientos de miles de kW.

Desde entonces, el concepto de planta termosolar tipo torre ha ganado reconocimiento mundial. Solo a fines de la década de 1970, se construyeron estaciones de este tipo con una capacidad de 0,25 a 10 MW en los EE. UU., Francia, España, Italia y Japón.

Torre solar SES Themis en los Pirineos Orientales en Francia

Según este proyecto soviético, en 1985 en Crimea, cerca de la ciudad de Shtelkino, se construyó una planta de energía solar experimental tipo torre con una capacidad de 5 MW (SES-5).

En SES-5, se utiliza un generador de vapor solar circular abierto, cuyas superficies, como dicen, están abiertas a todos los vientos. Por lo tanto, a bajas temperaturas ambientales y altas velocidades del viento, las pérdidas por convección aumentan bruscamente y la eficiencia disminuye significativamente.

Ahora se cree que los receptores de tipo cavidad son mucho más eficientes. Aquí, todas las superficies del generador de vapor están cerradas, por lo que las pérdidas por convección y radiación se reducen drásticamente.

Debido a los bajos parámetros de vapor (250 °C y 4 MPa), la eficiencia térmica de SES-5 es de solo 0,32.

Después de 10 años de operación en 1995 se cerró SES-5 en Crimea, y en 2005 la torre se entregó como chatarra.

Modelo SES-5 en el Museo Politécnico

Las plantas de energía solar de torre actualmente en funcionamiento utilizan nuevos diseños y sistemas que utilizan sales fundidas (40 % de nitrato de potasio, 60 % de nitrato de sodio) como fluidos de trabajo. Estos fluidos de trabajo tienen una capacidad calorífica superior a la del agua de mar, que se utilizó en las primeras instalaciones experimentales.

Esquema tecnológico de una central termosolar moderna

Planta de energía solar de torre moderna

Por supuesto, las plantas de energía solar son un negocio nuevo y complicado y, naturalmente, tienen suficientes oponentes. Muchas de las dudas que expresan tienen muy buenas razones, pero uno difícilmente puede estar de acuerdo con los demás.

Por ejemplo, a menudo se dice que se requieren grandes áreas de terreno para construir plantas de energía solar de torre. Sin embargo, no se pueden excluir las áreas donde se produce combustible para la operación de centrales eléctricas tradicionales.

Hay otro caso más convincente a favor de las plantas de energía solar de torre. El área específica de la tierra inundada por embalses artificiales de centrales hidroeléctricas es de 169 hectáreas / MW, que es muchas veces mayor que los indicadores de tales centrales solares. Además, durante la construcción de centrales hidroeléctricas, a menudo se inundan tierras fértiles muy valiosas, y se supone que las SPP de torre se construyen en áreas desérticas, en tierras que no son aptas para la agricultura ni para la construcción de instalaciones industriales.

Otro motivo de crítica a los SPP de torre es su alto consumo de material. Incluso existe la duda de que SES pueda devolver la energía gastada en la producción de equipos y la obtención de materiales utilizados para su construcción durante el período estimado de operación.

De hecho, tales instalaciones requieren muchos materiales, pero es esencial que prácticamente todos los materiales con los que se construyen las plantas de energía solar modernas no escaseen.Los cálculos económicos realizados después del lanzamiento de las primeras plantas de energía solar de torre modernas mostraron su alta eficiencia y períodos de recuperación bastante favorables (ver más abajo para ejemplos de proyectos económicamente exitosos).

Otra reserva para aumentar la eficiencia de las plantas solares con torre es la creación de plantas híbridas, en las que las plantas solares trabajarán junto con las centrales térmicas convencionales de combustible tradicional.En la planta combinada, en las horas de intensa radiación solar, el combustible planta reduce su potencia y 'acelera' en tiempo nublado y en cargas máximas.

Ejemplos de plantas de energía solar modernas

En junio de 2008, Bright Source Energy abrió un centro de desarrollo de energía solar en el desierto de Negev en Israel.

En el sitio se encuentra en el polígono industrial de Romema, se han instalado más de 1.600 helióstatos que siguen al sol y reflejan la luz en una torre solar de 60 metros. La energía concentrada luego se usa para calentar la caldera en la parte superior de la torre a 550°C, generando vapor que se envía a una turbina donde se genera electricidad. Capacidad de la planta de energía 5 MW.

En 2019, la misma empresa construyó una nueva planta de energía en el desierto de Negev:Ashalim… Toya Compuesta por tres tramos con tres tecnologías diferentes, la planta combina tres tipos de energía: energía solar térmica, energía fotovoltaica y gas natural (central híbrida). La capacidad instalada de la torre solar es de 121 MW.

La estación incluye 50.600 helióstatos controlados por computadora, suficientes para alimentar 120.000 hogares. La altura de la torre es de 260 metros.Era el más alto del mundo, pero recientemente fue superado por la torre solar de 262,44 metros en el Parque Solar Mohammed bin Rashid Al Maktoum.

Una central eléctrica en el desierto de Negev en Israel

En el verano de 2009, la empresa estadounidense eSolar construyó una torre solar Torre Solar Sierra para una central eléctrica de 5 MW ubicada en Lancaster, California, a unos 80 km al norte de Los Ángeles.La central eléctrica cubre un área de unas 8 hectáreas en un valle seco al oeste del desierto de Mojave a 35°N de latitud.

Torre Solar Sierra

Al 9 de septiembre de 2009, con base en el ejemplo de las plantas de energía existentes, se estimó que el costo de construir una planta de energía solar de torre (CSP) es de US $ 2,5 a US $ 4 por vatio, mientras que el combustible (radiación solar) es gratuito. . Por lo tanto, la construcción de una central eléctrica de este tipo con una capacidad de 250 MW cuesta entre 600 y 1000 millones de dólares estadounidenses. Esto significa de 0,12 a 0,18 dólares/kWh.

También se descubrió que las nuevas plantas de CSP pueden ser económicamente competitivas con los combustibles fósiles.

Nathaniel Bullard, analista de Bloomberg New Energy Finance, estimó que el costo de la electricidad generada por la planta de energía solar Iwanpa, inaugurada en 2014, es menor que la electricidad generada por Planta de energía fotovoltaica, y es casi lo mismo que la electricidad de una planta de energía de gas natural.

La más famosa de las plantas de energía solar en este momento es la planta de energía Gemasolar con una capacidad de 19,9 MW, ubicado al oeste de la ciudad de Esia en Andalucía (España). La central fue inaugurada por el rey Juan Carlos de España el 4 de octubre de 2011.

planta de energía gemsolar

Este proyecto, que recibió una subvención de 5 millones de euros de la Comisión Europea, utiliza tecnología probada por la empresa americana Solar Two:

• 2.493 helióstatos con una superficie total de 298.000 m2 utilizan vidrio con mejor reflectividad, cuyo diseño simplificado reduce los costes de producción en un 45%.

• Un sistema de almacenamiento de energía térmica de mayor tamaño con una capacidad de 8.500 toneladas de sales fundidas (nitratos), proporcionando una autonomía de 15 horas (aproximadamente 250 MWh) en ausencia de luz solar.

• Diseño de bomba mejorado que permite bombear sales directamente desde los tanques de almacenamiento sin necesidad de un sumidero.

• Sistema de generación de vapor que incluye recirculación forzada de vapor.

• Turbina de vapor con mayor presión y mayor eficiencia.

• Circuito de circulación de sales fundidas simplificado, reduciendo a la mitad el número de válvulas necesarias.

La planta de energía (torre y heliostatos) cubre un área total de 190 hectáreas.

Torre Solar Gemasolar SPP

Abengoa ha construido hola soleado en Sudáfrica, una central eléctrica con una altura de 205 metros y una capacidad de 50 MW. La ceremonia de apertura tuvo lugar el 27 de agosto de 2013.

hola soleado

Sistema de generación eléctrica solar Ivanpah — una planta de energía solar de 392 megavatios (MW) en el desierto de Mojave en California, 40 millas al suroeste de Las Vegas. La central fue puesta en servicio el 13 de febrero de 2014.

Sistema de generación eléctrica solar Ivanpah

La producción anual de este SPP cubre el consumo de 140.000 hogares. Se instalaron 173.500 espejos de helióstatos que concentran la energía solar en generadores de vapor ubicados en tres torres solares centrales.

En marzo de 2013, se firmó un acuerdo con Bright Source Energy para construir una planta de energía quemado en California, consistente en dos torres de 230 m (250 MW cada una), con puesta en marcha prevista para 2021.

Otras centrales solares de torre operativas: Solar Park (Dubai, 2013), Nur III (Marruecos, 2014), Crescent Dunes (Nevada, EE. UU., 2016), SUPCON Delingha y Shouhang Dunhuang (Kathai, ambas en 2018), Gonghe, Luneng Haixi y Hami (China, todo 2019), Cerro Dominador (Chile, abril 2021).

Una solución innovadora para la energía solar

Debido a que esta tecnología funciona mejor en áreas con alta insolación (radiación solar), los expertos predicen que el mayor crecimiento en el número de plantas de energía solar de torre se dará en lugares como África, México y el suroeste de los Estados Unidos.

También se cree que la energía solar concentrada tiene serias perspectivas y que puede cubrir hasta el 25% de las necesidades energéticas del mundo para 2050. Actualmente, se están desarrollando más de 50 nuevos proyectos de este tipo de centrales eléctricas en el mundo.