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| » INSTALACIONES CON CONCENTRADORES DE FOCO LINEAL |
La PSA cuenta actualmente con diversas instalaciones para el ensayo y validación de componentes y aplicaciones con tecnología de concentración de foco lineal, tanto del tipo cilindroparabólico como del tipo Fresnel lineal. En el caso de las instalaciones con captadores cilindroparabólicos, la PSA tiene una posición privilegiada pues dispone de instalaciones que trabajan con aceite térmico, con agua presurizada, con agua-vapor e incluso con gases comprimidos. En general, se trata de laboratorios a intemperie acondicionados para escalar y cualificar sistemas en su fase previa a la etapa de demostración comercial.
El lazo de ensayo HTF fue instalado en el año 1997, partiendo de un captador cilindroparabólico del tipo LS-3, y constituye una instalación idónea para evaluar, en condiciones reales de operación con energía solar concentrada, componentes para instalaciones con captadores cilindroparabólicos.
La instalación original constaba de un circuito cerrado de aceite térmico conectado a un captador solar formado por 4 módulos cilindroparabólicos del tipo LS-3, de 12 m de longitud y 5,7 m de apertura, con una superficie total de captación solar de 274 m2. El aceite térmico usado en esta instalación (Syltherm 800) tiene una temperatura máxima de trabajo de 420ºC, y un punto de congelación de –40ºC. El captador solar tiene su eje de rotación orientado en dirección Este-Oeste, lo que permite aumentar el número de horas al año en las que el ángulo de incidencia de la radiación solar es menor de 5º.
Esquema de la instalación de ensayo de captadores solares cilindropara-bólicos "Lazo HTF"
El circuito de aceite de esta instalación tiene una presión de trabajo máxima de 16 bar y está constituido por los siguientes elementos:
- Tanque de expansión para el aceite, de 1m3 de capacidad, con sistema automático de inertización mediante nitrógeno.
- Tanque de drenaje del circuito de aceite.
- Enfriador de aceite mediante flujo de aire, con un poder de enfriamiento máximo de 400 kW. Dispone de un variador de velocidad para controlar el caudal de aire.
- Bomba centrífuga de aceite, con un caudal de hasta 8,3 litros por segundo.
- Calentador de aceite, de 40 kW, 3 x 380 V.
El circuito de aceite de esta instalación tiene una presión de trabajo máxima de 16 bar y está constituido por los siguientes elementos:
- Tanque de expansión para el aceite, de 1m3 de capacidad, con sistema automático de inertización mediante nitrógeno.
- Tanque de drenaje del circuito de aceite.
- Enfriador de aceite mediante flujo de aire, con un poder de enfriamien-to máximo de 400 kW. Dispone de un variador de velocidad para controlar el caudal de aire.
- Bomba centrífuga de aceite, con un caudal de hasta 8,3 litros por se-gundo.
- Calentador de aceite, de 40 kW, 3 x 380 V.
El captador original tipo LS-3 fue sustituido por el primer prototipo de captador EUROTrough, que fue desarrollado por un consorcio europeo con la ayuda financiera de la Comisión Europea. y tras la finalización del proyecto fue cedido al CIEMAT para su operación y mantenimiento, pasando a formar parte de los sistemas con colectores cilindroparabólicos que actualmente existen en la PSA. Este captador se utiliza en la actualidad para la evaluación de nuevos tubos absorbedores y otros componentes.
La instalación cuenta con dispositivos de medida y monitorización adecuados para la evaluación de los siguientes componentes:
- Prototipos de captadores cilindroparabólicos (hasta 75m de longitud).
- Espejos para captadores cilindroparabólicos.
- Tubos absorbedores para captadores cilindroparabólicos.
- Nuevos prototipos de interconexiones para captadores cilindroparabólicos.
- Sistemas de seguimiento solar.
- Etc.
| » LAZO DE ENSAYOS DE GASES PRESURIZADOS EN CAPTADORES CILINDROPARABÓLICOS |
El objetivo de esta instalación experimental es el estudio de gases a presión como fluidos de trabajo en captadores cilindroparabólicos, que no se hayan estudiado hasta el momento, evaluando su comportamiento bajo diversas condiciones reales de operación.
El lazo experimental de ensayos se encuentra situado al norte del edificio de control del lazo DISS, albergando los equipos necesarios para su control y adquisición de datos.
Vista del lazo de ensayos de gases presurizados en captadores cilindroparabólicos acoplado a un sistema de almacenamiento térmico con sales fundidas
La instalación se diseñó inicialmente para trabajar a presiones y temperaturas de hasta 100 bar y 400 ºC, constando de los siguientes elementos:
- Dos captadores cilindroparabólicos de tipo Eurotrough II orientados Este-Oeste, con una superficie total de captación por colector de 274,2 m2 y una longitud de 50 m cada uno.
- Un enfriador refrigerado por aire, de 400 kW de potencia nominal.
- Una soplante que suministra el caudal necesario para la refrigeración adecuada de los captadores.
- Un sistema de adquisición de datos y control que permite una completa monitorización del lazo en cuanto a temperatura, caudal, presión, radiación y presencia de humedad en el circuito.
- Válvulas automáticas de control que permiten variar de forma precisa y segura el caudal de fluido de alimentación a los colectores.
- Un circuito auxiliar que permite el llenado con gases del lazo de ensayo.
A finales de 2009, se decidió modificar el lazo de ensayos para probar fluidos hasta 500 ºC, así como integrar con el lazo un sistema de almacenamiento térmico de sales fundidas, con objeto de probar la capacidad conjunta de captación y almacenamiento de energía térmica de origen solar a alta temperatura, con vistas a su aprovechamiento en ciclos térmicos gestionables de alto rendimiento de conversión.
Esquema simplificado del lazo de alta temperatura con almacenamiento de sales
Este incremento de las condiciones de diseño del lazo para ensayos hasta 100 bar y 500 ºC ha necesitado de las siguientes modificaciones:
- Sustitución de los tubos absorbedores convencionales del captador 2 por unos tubos avanzados de alta temperatura.
- Cambio del material de la tubería principal del circuito desde la salida del captador 2 hasta la salida del aerorrefrigerador. Igualmente, modificación del haz tubular de este último.
- Modificación del trazado del lazo de ensayos para operar sólo en serie, eliminándose el by-pass y las válvulas automáticas de regulación de caudal.
El sistema de almacenamiento térmico de sales fundidas, que forma parte de un circuito experimental de sales más amplio, está provisto básicamente de:
- Dos tanques de sales, caliente y frío, con una capacidad cada uno de 39 toneladas y capaces de proporcionar unas 6 horas de almacenamiento térmico.
- Un aerorrefrigerante de 344 kW para enfriar las sales con aire ambiente.
- Un intercambiador gas-sales de 344 kW que aporta al circuito de sales la energía solar captada en el lazo de ensayos de fluidos innovadores.
El lazo de ensayos para alta temperatura se ha puesto en marcha a finales del 2010 y el sistema de almacenamiento de sales asociado estará en funcionamiento a lo largo de 2011.
| » PLANTA EXPERIMENTAL DISS |
La planta DISS fue puesta en funcionamiento en el año 1998, con el fin de llevar a cabo experimentos relacionados con la generación directa de vapor a alta presión y temperatura (100 bar/400ºC) en los tubos absorbedores de captadores solares cilindroparabólicos. Fue la primera instalación construida en el mundo para el estudio bajo condiciones solares reales de todos aquellos procesos en los que se genere un flujo bifásico agua/vapor en este tipo de concentradores solares.
La instalación consta de dos subsistemas: el Campo Solar y el Sistema de Potencia. En el Campo Solar, el agua de alimentación se precalienta, evapora y convierte en vapor sobrecalentado hasta una presión máxima de 100 bar y una temperatura máxima de 400ºC conforme circula por los tubos absorbedores de un lazo de captadores cilindroparabólicos de 665 m de longitud y 3838 m2 aprox. de superficie de captación solar. El caudal nominal de vapor sobrecalentado que se puede generar en el sistema es de 1 kg/s aproximadamente. En el Sistema de Potencia este vapor sobrecalentado se condensa, procesa y se utiliza de nuevo como agua de alimentación para el Campo Solar (funcionamiento en ciclo cerrado).
Esquema simplificado del lazo DISS existente en la PSA
La planta en su conjunto posee un alto grado de flexibilidad de operación, permitiendo operar el sistema desde muy bajas presiones hasta 100 bar. Además está equipada con un completo sistema de válvulas que permite la configuración del Campo Solar en modo recirculación (zonas de evaporación y sobrecalentamiento perfectamente diferenciadas) y en modo Once Through (el separador intermedio de agua-vapor y la bomba de recirculación situados en el Campo Solar no se utilizan en este modo de funcionamiento). La instalación se completa con una completa gama de instrumentos que permiten una total monitorización del sistema (caudales y temperaturas de fluido en las distintas zonas de Campo Solar, pérdidas de carga en los captadores y en las interconexiones, temperatura y gradiente térmico en las secciones transversales de los tubos absorbedores, etc.) y un sistema de adquisición de datos y control de proceso que dispone de una base de datos donde se registran todos los datos de proceso cada 5 s durante las 24 horas.
Entre las capacidades asociadas a esta instalación se encuentran las siguientes:
- ensayo de componentes para campos solares de captadores solares cilindroparabólicos con generación directa de vapor en sus tubos receptores (receptores, juntas de unión, separadores para agua-vapor, instrumentación específica, etc.).
- estudio y desarrollo de esquemas de control para campos solares que funcionan con generación directa de vapor
- estudio y optimización de los procedimientos de operación que deben implementarse en este tipo de campos solares
- estudio de los coeficientes de transferencia de calor en tubos horizontales por cuyo interior circula un flujo bifásico agua/vapor
- estudio de correlaciones para el cálculo de la pérdida de carga con flujo bifásico agua/vapor en tuberías horizontales
Lazo DISS en operación
La instalación CAPSOL es una instalación de ensayos de energía solar térmica de concentración que ha sido diseñada y construida en la PSA para llevar a cabo ensayos de captadores solares cilindroparabólicos de pequeño tamaño, con una elevada precisión y bajo condiciones ambientales reales.
La instalación está diseñada para operar con agua a presión en un amplio rango de condiciones de operación: temperaturas de fluido desde ambiente hasta 230ºC, caudales desde 0,3 hasta 2,0 m3/h y presiones hasta 25 bar. Además, permite el ensayo de diferentes orientaciones de captadores y tamaños de los mismos (anchos de apertura hasta 3 m). Se ha instalado instrumentación de alta precisión para la medida de todos los parámetros requeridos para la adecuada evaluación de captadores cilindroparabólicos. En particular, la instalación incorpora un caudalímetro (de tipo Coriolis, fabricado por Yokowaga, con una precisión de ±0,1% respecto al valor medido), un piheliómetro (fabricado por Eppley Co., con una sensibilidad de 8 μV/(Wm-2)), y dos tipos de sensores de temperatura a la entrada y salida del campo solar (termorresistencias Pt-100 de cuatro hilos con una precisión de ±0,3 ºC en el rango de temperaturas entre 150 y 200ºC, y termopares tipo T con una precisión de ±0,3ºC a ±0,7ºC en el rango de temperaturas entre 100 y 200ºC). Además de estos instrumentos, la instalación dispone de sensores para la medida de otros parámetros, como temperatura del fluido en varios puntos del circuito, presión, nivel del depósito, temperatura ambiente, velocidad y dirección de viento, etc.
La siguiente figura muestra una fotografía de la instalación de ensayos, con dos prototipos del captador CAPSOL-02 instalados, prototipos desarrollados en el ámbito del proyecto CAPSOL financiado por el MICINN (CIT-440000-2008-5).
Instalación de ensayos solares térmicos CAPSOL, para captadores solares cilindroparabólicos de pequeño tamaño
Esta instalación de ensayos permite la obtención de los parámetros de eficiencia requeridos para la caracterización de un captador cilindroparabólico: eficiencia óptica-geométrica pico, modificador por ángulo de incidencia, eficiencia global y pérdidas térmicas con los captadores desenfocados. Las condiciones de estado estacionario que se necesitan para la correcta realización de estos ensayos se alcanzan gracias al depósito de inercia y a los sistemas auxiliares de calefacción y refrigeración. El sistema de adquisición y control de datos incorporado facilita la monitorización y grabación de los parámetros medidos, así como la operación del sistema desde la sala de control.
En esta instalación es posible ensayar tanto captadores solares cilindroparabólicos de pequeño tamaño completos, como componentes individuales de los mismos, tales como tubos absorbedores, reflectores o sistemas de seguimiento. Además, la instalación permite los análisis de aspectos técnicos de los captadores en condiciones reales de operación, tales como la durabilidad de los materiales, la resistencia estructural, el ensamblaje de componentes, etc.
El lazo FRESDEMO es una planta piloto para la demostración de la tecnología de concentración solar denominada 'Concentrador Lineal' Fresnel. Esta planta experimental pertenece actualmente al CIEMAT, ya que por acuerdo con el grupo empresarial 'Solar Power Group', y la compañía MAN Ferrostaal, su propiedad fue cedida al CIEMAT tras la finalización de la Fase I del proyecto FRESDEMO. No obstante, el CIEMAT sigue poniendo esta planta a disposición de Solar Power Group y Man Ferrostaal para la ejecución de la segunda fase del proyecto FRESDEMO, llevándose a cabo nuevos ensayos para la evaluación de su funcionamiento con el apoyo científico-técnico de la PSA.
Se trata de un módulo de 100 m de longitud y 21 m de ancho, con una superficie total de espejo primario de 1.433 m2. Esta superficie de espejo se distribuye en 1.200 facetas que están montadas sobre 25 filas paralelas que abarcan toda la longitud del lazo. Este lazo colector está diseñado para la producción directa de vapor a una presión máxima de 100 bar y una temperatura máxima de 450ºC.
Foto del collector de demostración Fresnel lineal MAN instalado en la Plataforma Solar de Almería (PSA).
En la actualidad, este lazo se conecta mediante tuberías a la instalación DISS (Direct Solar Steam) de la PSA, desde donde se le suministra vapor de origen solar a diferentes regímenes de presión y temperatura con el fin de realizar ensayos en tres regímenes de trabajo diferentes: precalentamiento, evaporación y sobrecalentamiento.
Un problema actual para la industria solar termoeléctrica es la falta de normativa y de componentes solares homologados en el mercado, de manera que no es posible para un inversor determinar de forma satisfactoria cuáles son las propiedades comparativas de un producto frente a otro.
Este problema puede actuar como freno para el despliegue comercial e incluso dar lugar a situaciones de riesgo en plantas existentes.
Desde nuestra posición de centro de referencia mundial para esta tecnología, es nuestra obligación lanzar las iniciativas necesarias para paliar este problema. En estos momentos hay varias iniciativas concretas en proceso de lanzamiento, concretamente, en el marco de la cooperación hispano-alemana que mantiene el CIEMAT con el DLR en la PSA se van a construir/adaptar algunas de las instalaciones de ensayo para la iniciativa QUARZ-CSP.
Esta iniciativa aborda la necesidad de disponer de las instalaciones de ensayo y los procedimientos de evaluación necesarios para, entre otros, los siguientes componentes de sistemas CSP:
- Colectores cilindro-parabólicos completos: módulo experimental rotatorio KONTAS
- Adaptación de dos discos parabólicos DISTAL-II para ensayos de envejecimiento acelerado de materiales absorbedores para receptores solares.
- Caracterización fotogramétrica de espejos
Cimientos de la nueva instalación para caracterización de CCPs ‘Kontas’
Estas nuevas instalaciones serán gestionadas conjuntamente por ambas instituciones dentro de esta iniciativa internacional.
Uno de los objetivos que se persiguen es obtener la capacidad de emitir certificados técnicos para ciertos componentes, avalados por el reconocimiento internacional de que gozan el CIEMAT y el DLR en este campo.
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Plataforma Solar de Almería - Ctra. de Senés km. 4,5 Tabernas (04200) Almería