Análisis energético de una planta de producción de frío solar mediante tecnología Fresnel 2012
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Julio Martí Romero
1. Capítulo 1: Introducción.
1.1. Objetivo y alcance del proyecto.
El objetivo del presente proyecto es la realización de un análisis energético de la planta de
producción de frió solar mediante tecnología fresnel, con objeto de poder comparar dichos resultados
con los de otras instalaciones y estudiar la viabilidad de dicha tecnología frente a otras más presentes
actualmente en el mercado.
En el primer capítulo se va a realizar una breve introducción de las diferentes tecnologías
actualmente existentes y las cuales son la competencia directa de la tecnología de la planta en
estudio, así como las diferentes configuraciones posibles que se podría realizar entre los distintos
equipos de la planta, puesto que se tiene 4 elementos muy característicos como son el sistema de
captación Fresnel, el tanque de almacenamiento con hidroquinona, la máquina de absorción de doble
efecto y la condensación del sistema.
En el segundo capítulo se va a realizar una descripción de la planta existente en la escuela técnica
superior de Ingenieros de Sevilla, así como de sus diferentes elementos. Dicha descripción de la
planta servirá para una posterior evaluación energética de los diversos componentes existentes en
ella.
En el tercer capítulo se introducirá el análisis energético de la planta, en primer lugar se definirá un
estudio teórico así como una simulación de diferentes situaciones de funcionamiento de la planta, de
esta forma definiremos unas características de funcionamiento teóricas que deberán ser corroboradas
en el estudio experimental de los datos recogidos durante 12 días tipo de funcionamiento normal de
la planta. Además se incluirá una referencia al funcionamiento en modo calefacción y a la evolución
nocturna de la planta.
En el cuarto capítulo se finalizará el estudio mostrando las conclusiones obtenidas y las expectativas
de futuro de la presente tecnología desde el punto de vista técnico.
1.2. Comparación directa con las tecnologías competentes en refrigeración.
En este apartado se va a realizar una comparación entre las diversas tecnologías en la producción de
frío, para ello se comparara las diferentes partes que componente la planta respecto a su competidor
más importante o más similar. Para situar las próximas comparaciones se debe observar el esquema
de la Figura 1.
En primer lugar se realizará una comparación entre los dos ciclos posibles de producción de frío
utilizando compresión mecánica o como en el caso de estudio mediante una maquina de absorción de
doble efecto. En este punto se omitirá otros sistemas posibles como pudieran ser los de adsorción,
refrigeración desecante y enfriamiento evaporativo.
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En segundo lugar se comparará los diferentes sistemas de captación solares entre los tres mostrados
en la Figura 1. En este caso no se comparará otros sistemas como pudieran ser captadores sin
cubierta, solares de aire o de tubos de vacío.
En tercer lugar se analizará las posibilidades de condensación que existen en caso de no disponer del
anillo de agua del rio como es el caso del proyecto en estudio.
Para finalizar las comparaciones se realizará un recorrido por las diferentes formas de
almacenamiento existentes en la actualidad.
Figura 1. Comparación entre tecnologías
1.2.1. Comparación del ciclo de producción de frío
Se va a realizar una comparación entre los distintos sistemas existentes con función de producción de
frío, en primer lugar se realiza una breve introducción de dichos sistemas para posteriormente
comparar ventajas e inconvenientes entre ellos. Las principales formas de producción de frío son la
compresión mecánica y en mucha menor medida la absorción. Para ello podemos observar la Figura
2, donde se observa los diferentes sectores de trabajo de cada tecnología.
1.2.1.1. Compresión Mecánica.
El sistema de compresión se basa en un ciclo frigorífico realizado por un refrigerante, el cual es
llevado cíclicamente a unas condiciones tales que se produzca su evaporación a baja temperatura
siendo capaz de producir frío (absorber calor). Para completar el ciclo frigorífico es necesaria la
Tecnología Fresnel
Captadores planos
Canal Parabólico
Escuela de Ingenieros
Acumulador
Maquina de absorción
Sistema mecánico
Gas natural
Río
Torre de refrigeración
Aerocondensadores
Sol
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intervención de un compresor de refrigerante que consume una potencia eléctrica. Además podemos
observar como los sistemas de compresión mecánica tienen mayores usos que los de absorción.
1.2.1.2. Absorción
La máquina de absorción permite la compresión térmica del refrigerante en lugar de utilizar un
compresor para la realización de una compresión mecánica de los sistemas convencionales. Ello nos
proporciona un ahorro de energía eléctrica de aporte con lo cual obtendríamos un beneficio a largo
plazo dado que la inversión necesaria es mayor, por el contrario dada la necesidad de un aporte
térmico debe ser “gratuito” para poder ser rentable, es decir que el flujo de calor enviado a la
maquina sea el sobrante de un proceso o como en nuestro caso producido por energías renovables.
Tiene los usos más limitados, solamente es útil para Industria, Domestico y Aire acondicionado (este
último será el tema central de nuestro proyecto).
Figura 2. Compresión mecánica - Absorción
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1.2.1.3. Ventajas e Inconvenientes:
Absorción Compresión Mejor
Economía
de
funcionami
ento
Apoyada mediante energías
renovables para realizar la
compresión reduce los costes de
explotación, el coste de operación
hace considerar el enfriamiento a
coste “nulo”.
La electricidad posee un precio
cada vez más elevado y todo
apunta a que seguirá su
crecimiento en el futuro, lo que
aumenta la competitividad de la
absorción.
ABSOR
Producción
simultánea
de frío y
calor
Pretende la reducción de la
inversión y los costes de operación
ya que se consigue que funcione
más horas que provocan recuperar
la inversión antes.
No admite producción
simultánea. ABSOR
Eficiencia COP mucho más bajo ~ 0.8 – 1.2 COP alto ~ 4 COMPR
Eficiencia a
carga
parcial
Pierden muy poco rendimiento a
carga parcial, disminuye los costes
energéticos.
Disminuye considerablemente el
rendimiento a carga parcial ABSOR
Nivel de
ruido
Silenciosos (al no llevar ni motor ni
compresor). Las bombas de la
solución y refrigerante únicas
partes móviles.
Muy ruidosos debido a la
incorporación de partes móviles. ABSOR
Mantenimi
ento
Al no llevar partes móviles,
circuitos de aceite requieren menos
mantenimiento. Sin embargo este es
más especializado.
Necesita mayor mantenimiento
al existir partes móviles, pero no
es tan especializado.
COMPR
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Fiabilidad
Existen miles instaladas para usos
de climatización sin embargo está
tecnología esta menos desarrollada
Sistema más utilizado ~
Medio
ambiente
No necesita energía eléctrica.
Quema gas natural (cble. + limpio)
Reduce la emisión de CO2.
Necesita torre de refrigeración
(legionela)
Utilizan CFC's ni HCFC's, que
son causantes del efecto
invernadero y la destrucción de
la capa de ozono.
ABSOR
(con
contra-
indicacion
es)
Inversión
Inicial
Bastante superior, la sobreinversión
inicial puede verse atenuada por la
reducción del número de máquinas
instaladas y a la economía de
funcionamiento.
Coste muy inferior, mucha gama
comercial donde encontrar
equipos necesarios. Mayor
volumen de comercialización.
COMPR
Espacio Necesita un amplio espacio Elementos compactos COMPR
Otro
aprovecha
miento
Trigeneración - ABSOR
Tabla 2. Comparación Absorción – Compresión
1.2.2. Comparación de alternativas para la obtención del foco caliente.
Una vez vista la comparación entre los ciclos de producción de frío, en este apartado se va a
comparar distintas maneras de obtener la fuente de calor necesaria para la producción de frío
mediante maquina de absorción. Al estar utilizando maquinas de absorción de media temperatura en
el presente proyecto, esta comparación se centra en la comparación entre captadores planos y
tecnología Fresnel sin embargo también se valorará la posibilidad de utilización de captadores
cilindro-parabólicos. En primer lugar se va a realizar una breve introducción de dichos sistemas y
posteriormente veremos algunas utilizaciones reales de ellos.
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1.2.2.1. Captadores Planos.
La utilización de captadores planos para la producción de frio solar, está muy presente en la
actualidad, superando con creces a la utilización de tecnología fresnel, el motivo principal es la falta
de conocimiento de la tecnología fresnel y el mejor acceso a los captadores planos siendo su precio y
mantenimiento considerablemente menor.
Su fundamento es la captación de energía solar a través de una cubierta transparente formada por un
cristal simple o doble situado en una carcasa donde se hace circular una distribución de tuberías (se
puede ver su esquema en la Figura 3). Su parte posterior se encuentra aislada y posee una placa
absorbedora con alto coeficiente de absorción sobre la que se encuentra adheridos los tubos por
donde circula el agua. Estos captadores pueden situarse montados en serie o en paralelo, mediante
sus interconexiones se puede diseñar la planta del tamaño deseado para nuestras características
funcionales.
- Principio de funcionamiento: La radiación incidente en el captador atraviesa el vidrio para
llegar a la superficie absorbente. Una vez allí se traspasa al flujo que circula por los tubos, ya sea esta
circulación forzada o natural (efectos sifón). Su principio básico de funcionamiento es el efecto
invernadero producido en su interior. Hay que tener en cuenta la importancia de la orientación e
inclinación.
1.2.2.2. Captadores fresnel.
La utilización de esta tecnología se desarrollo por su inventor como camino directo para abrir
competencia sobre los captadores cilindro-parabólicos. Son captadores de foco lineal, es decir
concentran la radiación solar a lo largo de una línea, que corresponde a un tubo de absorción por el
que circula un fluido térmico. Los captadores Fresnel para aplicaciones térmicas a nivel de edificio
están todavía lejos de la situación comercial de los captadores planos pese a alcanzar temperaturas de
captación mayores gracias a la concentración necesitando menor superficie. De todas formas existen
algunos captadores en una fase avanzada de prototipo y que en un futuro próximo podrían ser una
Figura 3. Captadores planos
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opción comercial. Una situación similar se vive en lo respectivo a la producción de energía eléctrica
entre los captadores Fresnel y los cilindro-parabólicos.
- Principio de Funcionamiento: La superficie reflectora está compuesta por espejos de alto
radio de curvatura que concentran la radiación solar dirigiéndola hacia el tubo receptor, dicho
receptor se encuentra situado en un plano superior, los reflectores están guiados por un mecanismo
de control para provocar su incidencia sobre el absorbedor (ver Figura 4). Una vez aquí la energía
térmica es transferida al flujo que atraviesa el tubo y destinada al siguiente proceso. El
funcionamiento de esta tecnología se estudiará más a fondo en el capítulo 2.
1.2.2.3. Sistemas de canal parabólico.
Esta tecnología ha sufrido su mayor crecimiento desde los años 80 a la actualidad, es un sistema muy
similar al sistema de captación Fresnel, al tratarse de un sistema de concentración lineal, las
tendencias de utilización de los sistemas de canal cilindro parabólico son en su totalidad para grandes
plantas de producción eléctrica, sin embargo podrían ser potencialmente utilizables para la
producción de frío solar mediante maquina de absorción.
Estos sistemas se suelen utilizar para producción de aceite a temperaturas en torno a 400ºC por tanto
esto es inviable para la producción de agua caliente, sin embargo podría reducirse el campo de
aplicación para obtener temperaturas inferiores al igual que se realiza con la tecnología Fresnel.
Aunque dicha utilización no es viable económicamente.
- Principio de funcionamiento: El cilindro-parabólico se realiza con la curvatura ideal para
concentrar la radiación incidente sobre el tubo absorbedor (ver Figura 5), La radiación incidente en el
tubo absorbedor atraviesa el vidrio para llegar a la superficie absorbente. Una vez allí se traspasa al
flujo que circula por los tubos.
Figura 5. Captadores Cilindro-parabólicos. Figura 4. Captadores Fresnel
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1.2.2.4. Ventajas e Inconvenientes:
Planos Fresnel Cilindro-parabólico
Estructura
Simple, una caja con
vidrio por una cara y
aislada la opuesta.
Bajo coste, estructura
simple. Baja carga de
viento situarse cerca
del suelo.
Caros, Estructura
móvil y de mayor
resistencia
Espejos No tiene, solo posee
cubierta de vidrio.
Bajo coste, espejos
sencillos casi planos
Caros, espejos de gran
tamaño y curvatura
Receptor Tubos simples Tubos absorbedor fijo
Tubos absorbedor
móvil, necesita codos
de expansión
Elementos
extra
-
- Necesita codos de
expansión.
Dimensiones Dimensión reducida
Excelente
aprovechamiento del
terreno. Distancia
focal grande.
Amplia expansión
territorial
Acceso
Fácil acceso al ser fijo
Fácil acceso a partes
móviles
Dificultad en el
acceso.
Coste Bajo Medio - Alto
Muy alto
Tabla 3. Comparación Sistemas de captadores
Aunque teóricamente son claras las ventajas del uso de la tecnología Fresnel, pues es una tecnología
que supone una reducción de la inversión y una reducción en el espacio necesario para su instalación
para igual potencia en comparación con los concentradores parabólicos, aún es poco significativa su
presencia en el mercado de producción eléctrico. Los captadores Fresnel para aplicaciones térmicas a
nivel de edificio están todavía en una fase experimental, aunque ya hay algunos captadores en una
fase avanzada de prototipo y que en un futuro próximo podrían ser una opción comercial, como por
ejemplo, el captador de la empresa alemana PSE GmbH, que es la empresa encargada de la
fabricación y montaje del captador solar de la Escuela Superior de Ingenieros de Sevilla. Otras
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empresas que tienen prototipos en funcionamiento son la alemana Solar Power Group y la británica
Heliodynamics, entre otras.
1.2.3. Comparación de alternativas para el sistema de condensación
En esta comparación se incide en el flujo de condensado procedente de la máquina de absorción, se
debe conocer que en la actualidad, la planta que posteriormente evaluemos se nutre del anillo de
agua del río Guadalquivir que circula por la cartuja (zona noroeste exterior de Sevilla).
1.2.3.1. Condensación por agua de río.
En este caso se evacua el calor de condensación al flujo proveniente del anillo formado con agua de
río, en nuestro proyecto provendrá del río Guadalquivir, por tanto podemos considerar que el
enfriamiento del condensado es gratuito. Necesitaremos un intercambiador para realizar un ciclo
cerrado de condensación puesto que el agua bruta de río no se puede hacer pasar por el circuito de
condensado de la máquina de absorción ya que este agua está muy sucia. Dicho suministro de agua
bruta de río, proviene de la estación de bombeo del río, la cual lo distribuye por los conductos
ejecutados por la ciudad de Sevilla en el área metropolitana de La cartuja, con el fin de servir de
refrigerante de las maquinas climatizadoras, como de apoyo en caso de fallo de suministro para
diferentes sistema de protección contra incendios de los edificios de la zona. Por ejemplo dicho
anillo sirve de suministro para la ETSI, Parque de atracciones de Isla Mágica, Edificio de Canal sur
radio entre otros.
1.2.3.2. Condensación por torre de refrigeración.
La actual situación española de las torres de refrigeración en las instalaciones térmicas de los
edificios, es un descenso significativo en la instalación de estos equipos al ser consideradas como un
factor de riesgo de difusión de la legionela. Esto conlleva una disminución de la eficiencia energética
y, como consecuencia, un mayor consumo de energía.
Hay que tener en cuenta el auge de los condensadores evaporativo en la industria frigorífica, ya que
son muy similares a las de las torres de circuito cerrado. El empleo de los condensadores
evaporativos se ha incrementado especialmente desde que las restricciones impuestas a ciertos
refrigerantes halogenados.
Principio de funcionamiento: Cuando una gota de agua se pone en contacto con el aire, se produce
la evaporación de la película exterior de la gota, requiriéndose para este proceso la absorción de calor
(Ver Figura 6). La evaporación consume aproximadamente un 1% del caudal total de agua por cada
7ºC en que reduce su temperatura. El calor requerido para la evaporación se toma de la propia gota,
enfriándola consecuentemente. Por tanto, el enfriamiento se realiza tanto por transferencia de calor
sensible (cambio de temperatura) como de calor latente (cambio de estado físico).
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De todo el calor transferido del agua al aire, el calor latente de vaporización supone frecuentemente
más del 90%, correspondiendo tan sólo un 10% a calor sensible de disminución de la temperatura del
agua.
El objeto que se persigue en la torre es que la gota esté el mayor tiempo posible en contacto con el
aire, lo cual se logra con:
Una altura de torre adecuada e interponiendo obstáculos (relleno), que ralentizan su avance y al
mismo tiempo la van fragmentando, aumentando así la superficie de contacto aire-agua. A esta
fragmentación se la denomina salpiqueo.
1.2.3.3. Aerocondensadores.
Los aerocondensadores han sido la solución a los problemas de legionela que provocaban las torres
de refrigeración. En la actualidad son el sistema de condensación mas implantados en las
instalaciones de refrigeración. Además consiguen una reducción del espacio necesario y una
considerable reducción del ruido.
- Principio de funcionamiento: El aerocondensador realiza la condensación mediante un
intercambiador de calor de flujo cruzado en el cual se hace pasar el flujo de agua por un banco de
tubos mientras que transversalmente se fuerza la circulación de aire exterior mediante el
funcionamiento de ventiladores. (Ver Figura 7).
Figura 7. Aerocondensador Figura 6. Torre de refrigeración
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1.2.3.4. Ventajas e Inconvenientes:
Río Torre Aerocondensador
Tamaño Solo
intercambiador
Dimensiones elevadas y altas
capacidades
Muy compacto
(60%torre)
Consumo Ninguno Reducido Mayor (el de los
ventiladores)
Precio Reducido
Alto Medio
Ruido No Medio (depende de los
ventiladores y bombas de agua)
Reducido (depende
de los ventiladores)
Mantenimiento No necesita(salvo
limpieza IC)
Compleja (químicos
desincrustantes y biocidas) Sencillo
Instalación Directa Accesos complicados Fácil
Tabla 4. Comparación Sistema de condensación
Otras características a destacar es la excelente resistencia a la niebla salina y al paso del tiempo por
parte de los aerogeneradores. Y por parte de las torres la gran flexibilidad de operación y en sus
factores negativos las incrustaciones, la necesidad de purga y la proliferación de legionela.
1.2.4. Comparación de alternativas para el almacenamiento de energía térmica.
Para el caso de almacenamiento de energía térmica, las soluciones existentes son un número inferior
al almacenamiento de energía eléctrica. Las posibles formas de almacenamiento de energía térmica,
pasan por el aprovechamiento del calor sensible, el calor latente o la energía química de los
materiales utilizados para el almacenaje (ver Figura 8).
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Por tanto las diferencias más sustanciales en el almacenamiento se producen en función del material
utilizado. Los cuatro materiales más utilizados son los siguientes:
- Sales fundidas. Mezcla eutéctica de sales (típicamente 60% Nitrato sódico [NaN ] y 40%
Nitrato potásico [KN ]), dichas sales suelen tener un rango de funcionamiento entre 260 y
565ºC, sin embargo como veremos en nuestra planta piloto, en nuestro caso utilizaremos
hidroquinona que funde exactamente a la temperatura de operación de nuestra planta 180ºC.
(ver apartado 2.4.2.1).
- Aceites minerales. Poseen un alto precio, no son tóxicos ni inflamables.
- Agua/vapor. Poseen un tiempo de almacenamiento menor al de las sales, sirve para una
generación directa de vapor en la turbina.
Figura 8. Almacenamiento de energía térmica
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