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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Plantas de energía solar. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Fuentes alternativas de energía La cantidad total de energía solar que llega a la superficie de la Tierra en una semana supera la energía de todas las reservas mundiales de petróleo, gas, carbón y uranio. El calor solar se puede almacenar de muchas maneras. Las tecnologías modernas incluyen concentradores parabólicos, espejos parabólicos solares y torres de energía solar. Pueden combinarse con plantas de combustión de combustibles fósiles y, en algunos casos, adaptarse para el almacenamiento de calor. La principal ventaja de dicha hibridación y almacenamiento térmico es que dicha tecnología puede proporcionar la programación de la producción de electricidad (es decir, la generación de electricidad se puede realizar en los momentos en que se necesita). La hibridación y el almacenamiento de calor pueden aumentar el valor económico de la electricidad producida y reducir su coste medio. Concentradores parabólicos solares
Estas instalaciones utilizan espejos parabólicos (bandejas) que concentran la luz solar en tubos receptores que contienen un fluido caloportador. Este líquido se calienta a casi 400°C y se bombea a través de una serie de intercambiadores de calor; esto produce vapor sobrecalentado, que impulsa un generador de turbina convencional para producir electricidad. Para reducir la pérdida de calor, el tubo receptor puede estar rodeado por un tubo de vidrio transparente colocado a lo largo de la línea focal del cilindro. Por regla general, este tipo de instalaciones incluyen sistemas de seguimiento solar uniaxiales o biaxiales. En casos raros, son estacionarios. Construidos en la década de 80 en el desierto del sur de California por Luz International, nueve de estos sistemas conforman la planta de energía solar térmica más grande del mundo en la actualidad. Estas centrales eléctricas suministran electricidad a la red eléctrica pública del sur de California. En 1984, Luz International instaló un Sistema de generación eléctrica solar I (o SEGS I) de 13,8 MW en Deggett, en el sur de California. En los tubos receptores, el aceite se calentaba a una temperatura de 343°C y se generaba vapor para generar electricidad. El diseño de "SEGS I" preveía 6 horas de almacenamiento de calor. Utilizaba hornos de gas natural, que se utilizaban en ausencia de radiación solar. La misma empresa construyó centrales eléctricas similares "SEGS II - VII" con una capacidad de 30 MW. En 1990, se construyeron los "SEGS VIII y IX" en Harper Lake, cada uno con una capacidad de 80 MW.
Las estimaciones de la tecnología muestran que es más costosa que las plantas de energía solar tipo torre y plato (ver más abajo), principalmente debido a la menor concentración de radiación solar y, por lo tanto, a temperaturas más bajas y, en consecuencia, a la eficiencia. Sin embargo, con más experiencia operativa, tecnología mejorada y costos operativos reducidos, los concentradores parabólicos pueden ser la tecnología menos costosa y más confiable del futuro cercano. Tipo de placa solar
Este tipo de planta solar es una pila de espejos parabólicos (de forma similar a una antena parabólica) que concentran la energía solar en receptores ubicados en el punto focal de cada antena. El líquido en el receptor se calienta hasta 1000 grados y se usa directamente para generar electricidad en un pequeño motor y generador conectado al receptor. Los motores Stirling y Brayton están actualmente en desarrollo. Varios sistemas piloto que van desde 7 kW a 25 kW están en funcionamiento en los Estados Unidos. La alta eficiencia óptica y el bajo costo inicial hacen que los sistemas de espejo/motor sean los más eficientes de todas las tecnologías solares. El motor Stirling y el sistema de espejos parabólicos tienen el récord mundial de la conversión más eficiente de la energía solar en electricidad. En 1984, el Rancho Mirage en California logró una eficiencia práctica del 29%.
Además, gracias a su diseño modular, estos sistemas representan la mejor opción para satisfacer las necesidades energéticas tanto de consumidores autónomos (en el rango de kilovatios) como híbridos (en el rango de megavatios) conectados a la red pública. Esta tecnología se ha implementado con éxito en varios proyectos. Uno de ellos es el proyecto STEP (Solar Total Energy Project) en el estado estadounidense de Georgia. Este es un gran sistema de espejos parabólicos que funcionó en 1982-1989. en Shenandoah. Consistía en 114 espejos, cada uno de 7 metros de diámetro. El sistema producía vapor de alta presión para la generación de energía, vapor de media presión para la industria del tejido y vapor de baja presión para el sistema de aire acondicionado en la misma fábrica de tejido. Otras empresas también se interesaron en compartir espejos parabólicos y motores Stirling. Por ejemplo, Stirling Technology, Stirling Thermal Motors y Detroit Diesel, junto con Science Applications International Corporation, formaron una empresa conjunta de $36 millones para desarrollar un sistema de 25 kilovatios basado en el motor Stirling. Torres de energía solar con un receptor central
Estos sistemas utilizan un campo giratorio de reflectores de helióstatos. Enfocan la luz solar en un receptor central construido en la parte superior de la torre, que absorbe la energía térmica y acciona un generador de turbina. Un sistema de seguimiento biaxial controlado por computadora posiciona los helióstatos de modo que los rayos solares reflejados sean estacionarios y siempre caigan sobre el receptor. El líquido que circula en el receptor transfiere calor al acumulador de calor en forma de vapor. El vapor mueve una turbina para generar electricidad o se utiliza directamente en procesos industriales. Las temperaturas del receptor oscilan entre 538 y 1482 °C. La primera planta de torre, llamada "Solar One" cerca de Barstow, en el sur de California, demostró con éxito la aplicación de esta tecnología a la generación de energía. La empresa operó a mediados de la década de 1980. Utilizaba un sistema de agua-vapor con una capacidad de 10 MW. En 1992, un consorcio de empresas energéticas estadounidenses decidió actualizar Solar One para demostrar un receptor de sales fundidas y un sistema de almacenamiento térmico. Gracias al almacenamiento de calor, las centrales eléctricas de torre se han convertido en una tecnología solar única que permite el despacho de electricidad con un factor de carga de hasta el 65%. En un sistema de este tipo, la sal fundida se bombea desde un tanque "frío" a 288 °C y se pasa a través de un receptor donde se calienta a 565 °C y luego se devuelve al tanque "caliente". Ahora se puede usar sal caliente para generar electricidad según sea necesario. En los modelos modernos de tales instalaciones, el calor se almacena de 3 a 13 horas.
Solar Two, una torre de energía de 10 MW en California, es el prototipo de las grandes centrales eléctricas industriales. Suministró electricidad por primera vez en abril de 1996, marcando el comienzo de un período de 3 años de prueba, evaluación y generación de energía piloto para demostrar la tecnología de sales fundidas. El calor solar se almacena en sales fundidas a una temperatura de 550°C, gracias a lo cual la estación puede generar electricidad día y noche, en cualquier clima. La finalización exitosa del proyecto "Solar Two" debería facilitar la construcción de tales torres a nivel industrial en el rango de capacidad de 30 a 200 MW. Comparación de especificaciones Las torres y los concentradores cilíndricos parabólicos funcionan de manera óptima como parte de grandes centrales eléctricas conectadas a la red con una capacidad de 30-200 MW, mientras que los sistemas de tipo disco consisten en módulos y se pueden usar tanto en instalaciones independientes como en grupos con un capacidad total de varios megavatios. Las instalaciones cilíndricas parabólicas son, con mucho, las tecnologías de energía solar más desarrolladas y es probable que se utilicen en un futuro próximo. Las centrales eléctricas de tipo torre, debido a su eficiente capacidad de almacenamiento de calor, también pueden convertirse en un futuro próximo en plantas de energía solar. El carácter modular de las "bandejas" permite su uso en instalaciones más pequeñas. Las torres y los “platos” permiten alcanzar valores de eficiencia más altos para convertir la energía solar en energía eléctrica a un costo menor que los concentradores parabólicos. Sin embargo, no está claro si estas tecnologías podrán lograr la reducción requerida en los costos de capital. Los concentradores parabólicos son ahora una tecnología probada, esperando su oportunidad de mejorar. Las centrales eléctricas de torre deben demostrar la eficiencia y la fiabilidad operativa de la tecnología de sales fundidas utilizando helióstatos económicos. Para los sistemas tipo poppet, es necesario crear al menos un motor comercial y desarrollar un concentrador económico.
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