centro de estudio de energía y tecnologías ambientales
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junio de 2018
Centro de Estudio de Energiacutea y Tecnologiacuteas
Ambientales
Hibridacioacuten de energiacutea solar teacutermica con biomasa cantildeera en las
condiciones de Cuba Caso de estudio UEB umlGeorge Washingtonuml
Autor Frank Luis Villardefrancos Bello
Tutor Dr Idalberto Herrera Moya
Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central ldquoMarta Abreurdquo
de Las Villas y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria
ldquoChiqui Goacutemez Lubianrdquo subordinada a la Direccioacuten de Informacioacuten Cientiacutefico Teacutecnica
de la mencionada casa de altos estudios
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Direccioacuten de Informacioacuten Cientiacutefico Teacutecnica Universidad Central ldquoMarta Abreurdquo de
Las Villas Carretera a Camajuaniacute Km 5frac12 Santa Clara Villa Clara Cuba CP 54
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Resumen
En este trabajo se efectuoacute el dimensionamiento de un campo termo solar con
tecnologiacutea de colectores cilindro paraboacutelicos EUROTrough-150 Dicho campo se
propone con el fin de inyectar energiacutea solar al sistema termo-energeacutetico de la UEB
umlGeorge Washingtonuml y disminuir asiacute el consumo de bagazo en la generacioacuten de
vapor La disminucioacuten en el consumo de bagazo permite acumular dicho combustible
para extender los periacuteodos de generacioacuten de energiacutea eleacutectrica maacutes allaacute del periacuteodo
de zafra El disentildeo del sistema que se propone consiste esencialmente en elevar la
temperatura del agua de alimentacioacuten a la caldera hasta 260 oC con energiacutea solar
Para ello se realizoacute un estudio de la radiacioacuten solar directa incidente en la zona donde
estaacute ubicada la UEB siendo esta idoacutenea para la instalacioacuten de tecnologiacuteas de
concentracioacuten solar Se disentildeoacute el campo solar y se calcularon las peacuterdidas inherentes
a cada colector logrando un rendimiento global de aproximadamente 70 Inciden
sobre esta eficiencia las peacuterdidas geomeacutetricas oacutepticas teacutermicas y las condiciones
meteoroloacutegicas del lugar Se evaluaron las caracteriacutesticas del terreno para
dimensionar el campo solar cercaniacutea a los recursos hiacutedricos y a la red eleacutectrica
nacional lo que resulto adecuado para implementar esta tecnologiacutea Se analizoacute un
anaacutelisis econoacutemico y de impacto ambiental del esquema propuesto encontraacutendose
que es econoacutemicamente factible con un VAN de 34 millones de USD y una TIR del
30 y un periacuteodo de recuperacioacuten de la inversioacuten de 9 antildeos y 10 meses
Palabras clave campo termo solar rendimiento global radiacioacuten solar impacto
ambiental
Abstract
In this work the dimensioning of a solar thermal field with parabolic trough collector technology EUROTrough-150 was carried out This field is proposed in order to inject solar energy into the thermo-energy system of the UEB George Washington and thus reduce the consumption of bagasse in steam generation The decrease in bagasse consumption allows the accumulation of such fuel to extend the periods of generation of electric power beyond the harvest period The design of the proposed system consists essentially in raising the temperature of the feed water to the boiler
up to 260 ⁰C with solar energy For this purpose a study of direct solar radiation was
carried out in the area where the UEB is located being ideal for the installation of solar concentration technologies The solar field was designed and the losses inherent to each collector were calculated achieving an overall yield of approximately 70 The geometric optical and thermal losses and the meteorological conditions of the place affect this efficiency The characteristics of the UEB location were evaluated to dimension the solar field proximity to water resources and the national electricity grid which was adequate to implement this technology An economic and environmental impact analysis of the proposed scheme was analyzed finding that it is economically feasible with a NPV of USD 34 million and an IRR of 30 and an investment recovery period of 9 years and 10 months
Key words solar thermal field global performance solar radiation environmental impact
Iacutendice
Introduccioacuten 1
Capiacutetulo 1 Revisioacuten Bibliograacutefica 4
11 Ciclo termodinaacutemico de la industria azucarera 4
12 Concepto de bioeleacutectrica 6
13 Planta hiacutebrida 6
14 La energiacutea solar 7
15 Sistemas teacutermicos solares 8
151 Sistemas de torre central (STC) 9
152 Disco Paraboacutelico (DP) 10
153 Concentrador lineal Fresnel 12
154 Colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP) 12
16 Orientacioacuten del colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP) 16
17 Peacuterdidas en un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP) 17
171 Peacuterdidas geomeacutetricas 17
172 Peacuterdidas oacutepticas 17
173 Peacuterdidas teacutermicas 17
18 Rendimiento de un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP) 18
19 Disentildeos hiacutebridos 18
110 Influencia de la industria azucarera en Cuba 22
111 Propuesta para la hibridacioacuten de la bioeleacutectrica con energiacutea renovable 23
Conclusiones parciales 25
Capiacutetulo 2 Materiales y Meacutetodos 26
21 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB uml George Washington uml 26
211 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa 26
212 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea (nuacutemero de horas en que el sol estaacute sobre
el horizonte) 27
213 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP) 28
214 Peacuterdidas geomeacutetricas 29
215 Peacuterdidas oacutepticas 30
216 Peacuterdidas teacutermicas 31
22 Dimensionamiento del campo solar de la zona de la UEB uml George Washington uml
33
221 Caracterizacioacuten del terrero 34
222 Balance energeacutetico en el generador de vapor solar (GVS) 34
223 Caacutelculo del nuacutemero de lazos 35
224 Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF por cada lazo 36
225 Incremento de temperatura del HTF en un colector 37
226 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo 37
227 Nuacutemero de lazos en el campo solar 37
23 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un antildeo)
38
24 Factibilidad econoacutemica del proyecto 38
241 Valor actual neto (VAN) 38
242 Tasa interna de retorno (TIR) 40
243 Periacuteodo de recuperacioacuten de la inversioacuten 40
Conclusiones parciales 41
Capiacutetulo 3 Resultados y Discusioacuten 42
31 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB umlGeorge Washington uml 42
311 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa 42
312 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea 44
32 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP) 44
321 Peacuterdidas geomeacutetricas 44
322 Peacuterdidas oacutepticas 45
323 Peacuterdidas teacutermicas 46
33 Dimensionamiento del campo solar 47
331 Caracterizacioacuten del terrero 47
332 Balance energeacutetico en el intercambiador de calor 47
333 Caacutelculo del nuacutemero de lazos 48
3331 Caacutelculo del caudal miacutenimo de circulacioacuten del fluido de transferencia de calor
(HTF) por cada lazo 48
3332 Incremento de la temperatura del HTF en un colector 48
3333 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo 49
3334 Nuacutemero de lazos en el campo solar 49
334 Caacutelculo del ahorro de bagazo propiciado por el campo 49
34 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un antildeo)
50
35 Factibilidad econoacutemica del proyecto 50
351 Tasa interna de retorno (TIR) 52
352 Valor actual neto (VAN) 53
353 Periacuteodo de recuperacioacuten (PR) 53
Conclusiones 54
Recomendaciones 55
1
Introduccioacuten
Las tendencias en el aumento de las temperaturas medias y el consecuente
calentamiento global son ya una amenaza para la vida existen en el presente
evidencias de sus impactos y Cuba no se encuentra exenta ejemplo de ello son
Degradacioacuten de los suelos (erosioacuten drenaje salinidad acidez compactacioacuten entre
otros) Estos afectan grandes extensiones de superficie agriacutecola del paiacutes (Gaceta
2007) Tambieacuten se ha visto maacutes recientemente el aumento de la intensidad de los
ciclones y la cantidad de estos que se forman anualmente Un ejemplo de esto fue el
huracaacuten Irma que azotoacute la isla a finales del antildeo 2017 siendo este de categoriacutea 5
afectando a casi todo el territorio nacional causando grandes dantildeos materiales Papel
protagoacutenico en este resquebrajamiento de la salud del planeta lo tiene el uso
indiscriminado de los combustibles foacutesiles Actualmente la mayor parte de la
generacioacuten de energiacutea teacutermica en el mundo estaacute basada en hidrocarburos
provenientes del petroacuteleo y gas natural cuyas reservas probadas permitiraacuten satisfacer
la demanda soacutelo para algunos antildeos maacutes ya que se cuenta con estudios que
demuestran que las reservas de petroacuteleo mundial solo constan con aproximadamente
15 mil millones de barriles lo necesario para satisfacer las necesidades de la
poblacioacuten mundial por tan solo 506 antildeos (Petroleum 2018) Aun cuando hubiese
suficientes recursos foacutesiles para cubrir la creciente demanda el problema estaacute
relacionado con la contaminacioacuten especiacuteficamente con las altas emisiones de CO2 y
muchos otros que afectan seriamente el ecosistema
Se han realizados esfuerzos importantes por parte de la comunidad internacional
para la proteccioacuten del medio ambiente como son el protocolo de Montreal el protocolo
de Kioto y el tratado de Paris Bajo estos acuerdos internacionales es donde la
tecnologiacutea relacionada con el aprovechamiento de la radiacioacuten solar se reconoce
como una solucioacuten apropiada para la generacioacuten de energiacutea teacutermica y eleacutectrica Se
debe recordar que la transformacioacuten de la radiacioacuten solar es la fuente primordial de
las tecnologiacuteas renovables ya que el viento olas hidroeleacutectrica e incluso biomasa
son resultado de la potencia proveniente del Sol (Maxwell 1994 Shilling 2003)
Si bien las fuentes renovables de energiacutea tienen gran potencial econoacutemico sin olvidar
desde luego su bajo impacto ambiental hasta la fecha no han sido ampliamente
explotadas y comercializadas Lo anterior se debe principalmente al costo de
inversioacuten relativamente alto para desarrollar estas tecnologiacuteas Ademaacutes estos
sistemas no han tenido un mayor despliegue debido a la intermitencia y
requerimientos de almacenamiento de energiacutea por lo que es comuacuten que se opte por
fuentes convencionales Sin embargo en los sistemas con fuentes renovables
ademaacutes de su bajo impacto ambiental un punto que se debe considerar es el costo
2
de operacioacuten ya que estas tecnologiacuteas no presentan consumo de combustible para
su operacioacuten Asiacute la amortizacioacuten de los sistemas con fuentes renovables ocurre por
el ahorro de los costos asociados al consumo de combustible Dado que la energiacutea
solar en su forma primaria es gratuita el reto es disentildear sistemas de captacioacuten y
aprovechamiento que transformen esta energiacutea con sistemas que sean econoacutemicos
y faacutecilmente operables Sin embargo para el aprovechamiento de la energiacutea solar se
tiene como primera limitante su baja densidad de potencia comparada con los
combustibles foacutesiles por lo que se busca sistemas con elevada eficiencia de
conversioacuten Otra limitante es su intermitencia ya sea por el ciclo diacutea-noche o bien por
condiciones atmosfeacutericas adversas como lluvia o nublados y por la estacionalidad
En Cuba las energiacuteas renovables solo representan 46 por ciento de la generacioacuten
eleacutectrica y el resto lo aportan los combustibles foacutesiles de esto la industria azucarera
aporta el 35 por ciento Existe en Cuba un programa nacional de fuentes renovables
de energiacutea y eficiencia energeacutetica El plan para elevar la eficiencia energeacutetica
contempla que para 2030 un total de 25 ingenios generen un excedente de 872 MW
conectados a la red del Sistema Eleacutectrico Nacional Para alcanzar este objetivo se
modernizan los ingenios para transformarlos en modernas plantas bioeleacutectricas Las
inversiones estimadas estaacuten en el orden de los 1290 millones de doacutelares que se
pretenden obtener de diversas formas (Gutieacuterrez 2013)
Este trabajo tiene como propoacutesito estudiar la integracioacuten de energiacutea solar teacutermica con
biomasa para la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica y teacutermica en los esquemas
energeacuteticos de las bioeleacutectricas en Cuba Se tomaraacute como caso de estudio la Unidad
Empresarial de Base uml George Washington uml donde se evaluaraacute incorporar al
economizador de la caldera de vapor agua calentada por un campo solar compuesto
por colectores ciliacutendrico paraboacutelico prototipo EUROTrough-150 Se espera con la
introduccioacuten de esta tecnologiacutea ahorrar bagazo para que sea utilizado en la eacutepoca
pos zafra por la bioeleacutectrica que se preveacute instalar alliacute La caldera del Central basa su
funcionamiento en utilizar como combustible el bagazo residual del proceso de la
elaboracioacuten de azuacutecar
Problema
La insuficiente biomasa cantildeera para que las bioeleacutectricas alcancen al menos 300 diacuteas
de generacioacuten de energiacutea al antildeo causa que los periacuteodos de recuperacioacuten de la
inversioacuten en esta tecnologiacutea sean muy prolongados siendo una posible solucioacuten la
hibridacioacuten de biomasa cantildeera con energiacutea solar teacutermica de concentracioacuten
Se planteoacute la siguiente hipoacutetesis
Si se realiza un estudio de factibilidad de combinar la energiacutea solar teacutermica con la
biomasa cantildeera en las condiciones de Cuba se lograraacute economizar biomasa cantildeera
3
para que las bioeleacutectricas alcancen al menos 300 diacuteas de generacioacuten de energiacutea al
antildeo y a la vez lograr que se reduzcan los periacuteodos de recuperacioacuten de las inversiones
de las bioeleacutectricas en el paiacutes
Por todo lo antes expuesto y para la realizacioacuten de este trabajo de ingenieriacutea se
definioacute el siguiente objetivo general
Estudiar la factibilidad de combinar la energiacutea solar teacutermica de concentracioacuten con
biomasa cantildeera para aumentar la generacioacuten de electricidad al menos 300 diacuteas al
antildeo en las bioeleacutectricas en Cuba
Y como objetivos especiacuteficos
Determinar el potencial solar en la zona central del paiacutes para seleccionar la
tecnologiacutea de concentracioacuten solar y el esquema maacutes factible de hibridacioacuten en la
bioeleacutectrica para las condiciones de Cuba
Realizar el dimensionamiento oacuteptimo del campo solar teacutermico de concentracioacuten para
inyectar energiacutea al ciclo de las bioeleacutectricas proyectadas
Analizar la factibilidad de una propuesta de bioeleacutectrica hiacutebrida biomasa-solar
mediante el uso de indicadores econoacutemicos como el costo nivelado de la energiacutea
generada costo de inversioacuten VAN y TIR asiacute como el impacto ambiental causado
por esta para el caso de estudio UEB umlGeorge Washingtonuml
4
Capiacutetulo 1 Revisioacuten Bibliograacutefica
En este capiacutetulo se realizoacute una recopilacioacuten seleccioacuten y anaacutelisis de la literatura
consultada que constituye el marco teoacuterico del trabajo Se reconocieron las
contribuciones de otros autores buscaacutendose una loacutegica entre los propoacutesitos
investigativos y el conocimiento que existe acerca del problema que se abordoacute
11 Ciclo termodinaacutemico de la industria azucarera
En la industria azucarera cubana al igual que en todo el mundo se emplea un ciclo
de potencia de vapor especiacuteficamente un ciclo Rankine con algunas desviaciones
Se consideran ciclos de potencia de vapor en los que el fluido de trabajo se evapora
y condensa alternadamente Asimismo se analiza la generacioacuten de potencia
acoplada con un proceso de calentamiento llamada cogeneracioacuten La constante
demanda de eficiencias teacutermicas maacutes altas ha producido algunas modificaciones
innovadoras en el ciclo baacutesico de potencia de vapor Entre eacutestos se estudian ciclos
con recalentamiento y regenerativo asiacute como ciclos combinados de potencia de gas
y vapor El vapor de agua es el fluido de trabajo usado para estos ciclos de potencia
de vapor en la industria azucarera debido a sus muchas y atractivas caracteriacutesticas
como bajo costo disponibilidad y alta entalpiacutea de vaporizacioacuten(Cengel 2012)
El ciclo Rankine ideal simple consta de cuatro procesos que son los siguientes
1-2 Compresioacuten isentroacutepica en una bomba
2-3 Adicioacuten de calor a presioacuten constante en una caldera
3-4 Expansioacuten isentroacutepica en una turbina
4-1 Rechazo de calor a presioacuten constante en un condensador
Figura 1 Ciclo Rankine ideal simple
5
En la industria azucarera este ciclo de potencia no se encuentra asiacute del todo puesto
que se le realizan algunas modificaciones ya que el proceso es el que funciona como
condensador del ciclo y en otros casos como es el de las bioeleacutectricas que se
pretenden instalar se realiza un recalentamiento a la salida de la turbina de alta para
luego ser insertado en una turbina de baja Tambieacuten se colocan calentadores
regenerativos con el fin de calentar el agua a la entrada de la caldera o como se
plantea en este trabajo se puede hibridar con un campo termosolar que funcione
como calentador del agua que entra a la caldera todas estas medidas con el fin de
aumentar la eficiencia del ciclo
Al existir una generacioacuten de potencia en forma de energiacutea eleacutectrica y una demanda
de calor necesaria para el proceso de fabricacioacuten de azuacutecar el ciclo termodinaacutemico
pasa a ser un esquema de cogeneracioacuten (Herrera 2016) el cual se muestra en la
figura siguiente
Lo centrales azucareros convencionales no presentan condensador la funcioacuten de
este la realiza netamente el proceso Por lo que existe una equivalencia entre los
flujos de vapor utilizados para la generacioacuten y los que se usan en el proceso sin
poder realizar un aumento considerable de estos limitando asiacute la generacioacuten de
potencia eleacutectrica En el caso de la bioeleacutectrica no ocurre asiacute puesto que aumentan
los paraacutemetros del ciclo y con este los flujos de la sustancia termoportadora Siendo
necesaria la presencia de un condensador ya que con el proceso no basta para
Figura 2 Ciclo de cogeneracioacuten
6
condensar las enormes cantidades de vapor y que luego puedan ser transportadas
por las bombas asiacutea la caldera
12 Concepto de bioeleacutectrica
Una bioeleacutectrica es una planta de cogeneracioacuten que se construye en un aacuterea aledantildea
al central lo que facilita no detener las zafras durante el periacuteodo de construccioacuten y
montaje Su funcionamiento consiste en un ciclo Rankin con mejoras que consta de
una caldera de alta presioacuten para el proceso de adiccioacuten de calor posteriormente se
expande en una turbina de vapor y se realiza una extraccioacuten para el proceso luego
se condensa el vapor de escape de la turbina y se bombea nuevamente a la caldera
Cuando se realiza su puesta en marcha opera abastecieacutendose de todo el bagazo
producido residuos agriacutecolas y del condensado de vapor puro procedente de los
equipos de calentamiento evaporacioacuten y tachos provenientes de la faacutebrica de azuacutecar
a la que a su vez suministra el vapor de escape de los turbogeneradores para el
proceso de fabricacioacuten del endulzante asiacute como la electricidad que necesita El
excedente eleacutectrico del proceso fabril del azuacutecar se vende al Sistema Eleacutectrico
Nacional (SEN)(Salomoacuten 2018)
13 Planta hiacutebrida
Una planta hiacutebrida se define como una planta que utiliza dos o maacutes recursos
energeacuteticos en este caso solar y biomasa aprovechando las ventajas de cada uno y
disminuyendo sus desventajas como por ejemplo
Se mejora la eficiencia solar eleacutectrica
Se eliminan los arranques y paradas de la turbina que limitan su eficiencia y
encarecen su mantenimiento
Se garantiza un suministro eleacutectrico independientemente del recurso solar Ya no
es necesario el uso de sistemas de almacenamiento para satisfacer la curva de
demanda
Los costes de inversioacuten se reducen se reducen los riesgos de inversioacuten al estar
garantizada la generacioacuten de electricidad Adicionalmente se pueden aprovechar las
instalaciones ya existentes La reduccioacuten en los costes permite operar en lugares con
menor radiacioacuten solar
Sin embargo las plantas hibridas presentan incertidumbre sobre su comportamiento
a lo largo del tiempo debido a la variabilidad temporal del recurso solar de la
demanda eleacutectrica y del solapamiento de ambos Es necesario establecer coacutemo se
van a comportar las instalaciones a lo largo d un antildeo y de este modo poder determinar
su idoneidad bajo unas condiciones de radiacioacuten y de demanda eleacutectrica
dependientes del tiempo(Rodriacuteguez 2015)
7
Los principales componentes que forman parte de una planta hiacutebrida solar-biomasa
se distinguen como el bloque solar el bloque de potencia y la hibridacioacuten
Bloque solar Es donde la energiacutea del sol es convertida en energiacutea teacutermica La
tecnologiacutea solar empleada depende del rango de temperaturas de operacioacuten de la
planta hibrida Es necesario que sean compatibles con las del bloque de potencia
Bloque de potencia es el ciclo termodinaacutemico que convierte la energiacutea teacutermica en
eleacutectrica
Hibridacioacuten es el modo en que el bloque de potencia y el bloque solar son
conectados
14 La energiacutea solar
El Sol es un enorme reactor de fusioacuten nuclear formado por una esfera de materia
gaseosa caliente de 139 millones de kiloacutemetros de diaacutemetro que constituye la
principal fuente de energiacutea para la Tierra situada a una distancia media de 149106
km Debido a la radiacioacuten solar la temperatura en la superficie terrestre es alrededor
de 250ordmC superior a la temperatura que habriacutea en la superficie si eacutesta dependiera
solo del calor interno El Sol radia continuamente una potencia de 38middot1023 kW de
los cuales la Tierra intercepta 17middot1014 kW La energiacutea solar recibida en la atmoacutesfera
exterior de la Tierra en un antildeo se conoce con el nombre de SERPY (Solar Energy
Received Per Year) y corresponde a 155middot1015 MWh cantidad que equivale
aproximadamente a 12000 veces la energiacutea consumida en el mundo si se tienen en
cuenta los datos publicados de produccioacuten y consumo energeacutetico mundial durante el
antildeo 2005 (Petroleum 2006) De la radiacioacuten recibida en la superficie exterior el 30
se refleja al espacio el 47 es absorbido por la atmoacutesfera mares y tierra para
mantener la temperatura ambiente y el restante 23 se usa para mantener la
conveccioacuten atmosfeacuterica y el ciclo hidroloacutegico (Rojas 2013)
La radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera tiene un valor constante de unos 1300 Wm
denominaacutendose constante solar Sin embargo toda esta energiacutea no puede ser
aprovechada debido a diferentes fenoacutemenos que se interponen en su camino desde
el Sol hasta la superficie terrestre Al atravesar la atmoacutesfera las nubes dispersan la
radiacioacuten separaacutendola en radiacioacuten directa y difusa Las sombras causadas por
objetos proacuteximos tambieacuten contribuyen a atenuar el valor de la radiacioacuten Finalmente
el hecho de que la direccioacuten del Sol y la superficie captadora no sea la misma
tambieacuten influye en la disminucioacuten de la constante solar Todos estos factores hacen
que la energiacutea que llega a la Tierra sea de unos 1000 Wm en un diacutea claro a las 12
horas del mediodiacutea solar y a nivel del mar Esta energiacutea no es suficiente para alcanzar
las temperaturas que se requieren por lo que se utilizan elementos concentradores
La energiacutea solar tiene muchas aplicaciones donde ser utilizada Estas actividades se
clasifican en tres grupos generacioacuten teacutermica generacioacuten de trabajo y generacioacuten de
friacuteo El primer grupo contiene la generacioacuten de calor para calefaccioacuten agua caliente
8
sanitaria (ACS) desecacioacuten y refrigeracioacuten Dentro de esta divisioacuten existen
diferencias seguacuten la temperatura alcanzada Podemos distinguir procesos de baja
temperatura que usan colectores planos para ACS hasta 60ordmC procesos de media
temperatura para calefaccioacuten y produccioacuten de friacuteo y procesos de alta temperatura en
la industria La generacioacuten teacutermica tambieacuten incluye la arquitectura bioclimaacutetica La
generacioacuten de trabajo se puede dar de forma teacutermica y de forma fotovoltaica Los
parques de heliostatos o concentradores ciliacutendrico-paraboacutelicos producen vapor que
se utiliza en ciclos de potencia mientras que los paneles fotovoltaicos convierten la
luz en electricidad por medio de semiconductores Por uacuteltimo la generacioacuten de friacuteo
se produce por medio de maacutequinas de absorcioacuten
Las tecnologiacuteas usadas para este tipo de energiacutea son colectores planos para
calefaccioacuten y ACS concentracioacuten en torre discos paraboacutelicos colectores ciliacutendricos
paraboacutelicos y colectores Fresnel para la produccioacuten de electricidad Maacutes adelante se
explicaraacuten con maacutes detalle todas estas tecnologiacuteas
La principal ventaja con la que cuenta la energiacutea solar es que se trata de un recurso
inagotable que estaacute al alcance de todos pero uno de los problemas de esta reside
que la demanda no coincide con la produccioacuten Para ajustar la demanda a la
produccioacuten se hace necesario el uso de sistemas de almacenamiento Otro problema
a tener en cuenta es la intermitencia del recurso solar A lo largo del antildeo hay
numerosos diacuteas en los que las nubes impiden el correcto aprovechamiento de la
energiacutea solar La solucioacuten a este problema es la instalacioacuten de un sistema de apoyo
consistente generalmente en una caldera auxiliar operada con un combustible foacutesil
De este modo se puede prescindir de los sistemas de almacenaje (Paredes 2012)
15 Sistemas teacutermicos solares El objetivo esencial de cualquier sistema teacutermico solar es captar la radiacioacuten que
proviene del sol para transformarla en energiacutea teacutermica de un fluido y transportarla de
la manera maacutes econoacutemica y eficaz posible a un usuario Las aplicaciones del
aprovechamiento solar pueden ser directas en forma de calor o bien indirectas
utilizando este calor para obtener trabajo mecaacutenico en un eje y finalmente
electricidad Entre las tecnologiacuteas existentes hay tres que destacan por su grado de
desarrollo los sistemas de colectores cilindro paraboacutelicos (CCP) los sistemas de
receptor central (SRC) o sistemas de torre central (STC) y los discos paraboacutelicos
(DP) o maacutes propiamente paraboloides de revolucioacuten Tambieacuten existen los sistemas
de concentradores lineales Fresnel (CLF) que a pesar de no estar ampliamente
desarrollados en cuanto a tecnologiacutea se refiere merecen una mencioacuten Aunque los
campos de aplicacioacuten de los Sistemas Termo-solares de Concentracioacuten (CSTS) son
diversos es en los campos de generacioacuten de electricidad vapor de proceso o de
ambos simultaacuteneamente donde estos sistemas han alcanzado su mayor grado de
desarrollo dando lugar a Centrales Energeacuteticas Termo-solares (CETS) Las CETS
son entre los sistemas basados en el aprovechamiento de las energiacuteas renovables
uno de los de mayor potencial de contribucioacuten a la satisfaccioacuten de la demanda
9
energeacutetica especialmente en las regiones situadas en el llamado ldquocinturoacuten solarrdquo
que son aquellas que se encuentran entre las latitudes 35o norte y 35o sur (Paredes
2012)
151 Sistemas de torre central (STC)
Este sistema se caracteriza porque el conjunto colector estaacute compuesto por un grupo
maacutes o menos numeroso de concentradores planos individuales llamados heliostatos
los cuales dirigen la radiacioacuten solar concentrada hacia un receptor central situado en
lo alto de una torre Por tanto la concentracioacuten de la radiacioacuten se produce en tres
dimensiones por lo que el valor de la razoacuten de concentracioacuten es muy elevado asiacute
como las temperaturas que se alcanzan pudiendo llegar eacutestas a los 1500 degC
Figura 3 Esquema de un STC Fuente Greenpeace
A parte de los componentes principales del sistema que se detallan maacutes adelante
para un correcto funcionamiento del sistema se requieren una serie de equipos y
sistemas auxiliares como el sistema de caracterizacioacuten de imaacutegenes blancos
lambertianos para evaluacioacuten de imaacutegenes ajustes de offsets etc
El sistema colector El heliostato es junto con el receptor uno de los componentes
que representa mayor importancia dentro del sistema llegando a suponer hasta un
60 del coste total de la parte solar Su funcioacuten es la de captar la radiacioacuten solar y
redirigirla hacia el receptor
Estaacute compuesto baacutesicamente por una superficie reflectante ndashespejos de vidrio como
los de los CCPs ademaacutes de una estructura soporte mecanismos de movimiento y
un sistema de control
En cuanto al tamantildeo existen de varias dimensiones desde 40 o 50 m2 hasta su
evolucioacuten a los 150 m2 Aunque actualmente se tiende a los heliostatos maacutes
10
pequentildeos pues suponen una simplificacioacuten y abaratamiento en los procesos de
transporte instalacioacuten y puesta en servicio El campo de heliostatos en relacioacuten al
receptor estaacute condicionado en gran parte por la orografiacutea del terreno por el tamantildeo
de la planta y por la disposicioacuten del receptor Las dos formas claacutesicas de colocar los
heliostatos son
Campo circundante heliostatos alrededor de la torre
Campo Norte-Sur heliostatos a un lado de la Torre La orientacioacuten dependeraacute de
en queacute latitud se encuentre el emplazamiento
No obstante existen otras disposiciones que tratan de aprovechar la orografiacutea del
terreno (por ejemplo una ladera orientada al Sur) o usan un concentrador secundario
para evitar los inconvenientes derivados de situar el receptor sobre una torre
La torre La funcioacuten de la torre es la de servir de soporte al receptor que
normalmente debe situarse a una cierta altura sobre el nivel del campo de helioacutestatos
para reducir las sombras y bloqueos entre eacutestos y a diversos elementos auxiliares
(blancos lambertianos sistemas de medida etc) Hasta hoy las torres construidas
han sido de estructuras metaacutelicas o de hormigoacuten
El receptor Es el dispositivo donde se produce la conversioacuten de la radiacioacuten solar
concentrada en energiacutea teacutermica
152 Disco Paraboacutelico (DP)
Los sistemas de discos paraboacutelicos se componen baacutesicamente en un reflector o en
un conjunto de reflectores que tienen forma de paraboloide de revolucioacuten Ademaacutes
poseen un receptor situado en el foco puntual de dicho paraboloide y de un sistema
de generacioacuten eleacutectrica compacto (un motor o una turbina maacutes un alternador) Por lo
general receptor y sistema de generacioacuten suelen formar parte de un mismo conjunto
El principio de funcionamiento es el mismo que para los CCPacutes es decir la radiacioacuten
concentrada por el paraboloide incide sobre el receptor donde se convierte en
energiacutea teacutermica (pudiendo alcanzar los 1500 oC que permite generar electricidad Los
elementos principales del colector Disco Paraboacutelico son los siguientes
Concentrador La forma de la superficie reflexiva en este tipo de sistema es la de
un paraboloide de revolucioacuten cuyo tamantildeo depende de la potencia nominal y de la
energiacutea que se desea generar en un determinado tiempo y bajo unas condiciones de
radiacioacuten determinadas
Receptor Es un sistema de discos paraboacutelicos que tienen dos funciones
fundamentales por un lado la de absorber la radiacioacuten solar reflejada por el
concentrador y por el otro transferir la energiacutea absorbida al fluido de trabajo de la
maacutequina asociada Hasta la fecha existen dos tipos de reflectores tubos
directamente iluminados por la reflexioacuten de los rayos y receptores de reflujo
11
Sistema de Seguimiento Con objeto de seguir la posicioacuten del sol en todo momento
los discos paraboacutelicos realizan un seguimiento de eacuteste en dos ejes Se realiza seguacuten
dos tipos de montaje
Seguimiento en acimut-elevacioacuten en el que el movimiento se realiza seguacuten dos
ejes el vertical y el horizontal
Seguimiento polar en el que el movimiento en un eje es muy lento pues solo se
debe seguir las variaciones estacionales del sol y el movimiento en el otro eje es a
velocidad constante
Actualmente el uso de discos paraboacutelicos para generar electricidad se encuentra en
fase de desarrollo en algunas plantas experimentales como la de Planta Solar de
Almeriacutea pero la falta de fiabilidad y su elevado coste constituyen los principales
obstaacuteculos para su introduccioacuten real en la generacioacuten eleacutectrica En cambio
atendiendo a la misma forma estructural y con el mismo principio de reflexioacuten en un
foco puntual del paraboloide de revolucioacuten es muy comuacuten encontrar a nivel
particular cocinas solares
Figura 4 Esquema de un Disco Paraboacutelico Fuente Greenpeace
12
153 Concentrador lineal Fresnel
Esta tecnologiacutea es la maacutes nueva de las cuatro que actualmente hay disponible para
los sistemas solares de concentracioacuten Son captadores de foco lineal en los que
largos reflectores que poseen ejes de giros independientes y paralelos reflejan la
radiacioacuten solar directa sobre un tubo receptor situado sobre ellos Es la tecnologiacutea
maacutes joven de las cuatro descritas por lo que existen actualmente solo dos plantas
comerciales en funcionamiento con una potencia eleacutectrica total de 64 MWe
Figura 5 Concentrador Lineal Fresnel
154 Colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Esta tecnologiacutea cilindro-paraboacutelica basa su funcionamiento en seguimiento solar y en
la concentracioacuten de los rayos solares en unos tubos receptores de alta eficiencia
teacutermica localizados en la liacutenea focal de los cilindros En estos tubos un fluido
transmisor de calor tal como aceite sinteacutetico es calentado aproximadamente a
400ordmC por los rayos solares concentrados El aceite es bombeado a traveacutes de una
serie de intercambiadores de calor para producir vapor sobrecalentado El calor
presente en este vapor se convierte en energiacutea eleacutectrica en una turbina de vapor
convencional Los colectores cilindro-paraboacutelicos se emplean maacutes a escala industrial
de 10 a 100 MW para la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica en un campo solar y en un
sistema de potencia En el campo solar la energiacutea de la radiacioacuten solar se transforma
en energiacutea teacutermica en una serie de filas paralelas de colectores cilindro-paraboacutelicos
cada uno de ellos con seguimiento solar La eficiencia durabilidad y costo de una
central con colectores cilindro-paraboacutelicos depende fuertemente de la estructura y
robustez del colector Un moacutedulo colector generalmente compuesto de elementos
de 12 m de largo conectados en serie puede tener hasta 150 m de longitud Sus
espejos paraboacutelicos reflejan la radiacioacuten solar y la concentran sobre un tubo
absorbente en su liacutenea focal (Sebastiaacuten 2011)
13
A principios del siglo pasado (1912) la primera planta de canal paraboacutelico fue
construida en Meadi Egipto para bombeo de agua Con 79 plantas 31425 MW
instalados esta tecnologiacutea es la maacutes madura de las tecnologiacuteas CSP (maacutes de 100
antildeos de experiencia en operacioacuten) (GESIME 2014)
Las primeras centrales con colectores cilindro-paraboacutelicos operan comercialmente en
California desde 1985 En este periodo de tiempo han generado maacutes de doce mil
millones de kilowatts hora de electricidad lo que es suficiente para suministrar
electricidad a aproximadamente doce millones de personas durante un antildeo Al igual
que en centrales teacutermicas con combustibles convencionales y tambieacuten en centrales
nucleares la corriente se genera en las centrales solares teacutermicas con una turbina a
vapor y un generador acoplado (Martiacuten 2017)
El Sistema de Generacioacuten de Energiacutea solar (en ingleacutes Solar Energy Generating
System SEGS) es un conjunto de nueve plantas con una capacidad total de 350 MW
Actualmente es el sistema solar operacional maacutes grande (tanto del tipo termal o no)
La planta Nevada Solar One tiene una capacidad de 64 MW Estaacuten en construccioacuten
las plantas Andasol 1 y 2 en Espantildea cada planta tiene una capacidad de 50 MW sin
embargo estas plantas son de un disentildeo que tiene un sistema de almacenamiento
de calor que requiere un terreno con colectores solares mayor en relacioacuten al tamantildeo
del que deberiacutea tener para su generacioacuten El almacenamiento de calor permite una
mejor utilizacioacuten de las turbinas de vapor Con una operacioacuten diurna y parcialmente
nocturna la turbina de vapor de Andasol 1 con una capacidad de punta de 50 MW
produce maacutes energiacutea que Nevada Solar One con una capacidad de punta de 64 MW
debido al sistema de almacenamiento de calor y un terreno de colectores maacutes grande
que posee la planta de Andasol 1(httpwwwwikipediaorg 2017)
Existiacutea la propuesta de instalar 553 MW adicionales en el Mojave Solar Park
California (David 2007) pero este proyecto fue cancelado en el antildeo 2011 Tambieacuten
IBERDROLA (2013) puso en marcha en Egipto la central de Kuraymat de 150
megavatios (MW) de potencia Se trata de una instalacioacuten pionera en el mundo dado
que incorpora una tecnologiacutea que utiliza de forma combinada el gas y la energiacutea solar
lo que contribuye a disminuir las emisiones de CO2 y a mejorar el rendimiento global
de la planta Tambieacuten se generan 25 MW de vapor como aporte para una planta de
gas en Hassi Rmel Argelia (wwwsolarbuzzcom 2016)
El gobierno de India ha comenzado a desarrollar una iniciativa llamada Jawaharlal
Nehru National Solar Mission (tambieacuten conocida como la misioacuten solar nacional) para
resolver el problema de abastecimiento de energiacutea eleacutectrica
(httpwwwwikipediaorg 2017)
14
Figura 6 Esquema de un CCP Fuente Greenpeace
En la figura 6 se pueden ver los elementos principales del conjunto del colector de
forma maacutes detallada se definen del siguiente modo
El Reflector Ciliacutendrico Paraboacutelico su misioacuten es la de reflejar y concentrar sobre el
Receptor la radiacioacuten solar directa incidente sobre la superficie A grandes rasgos es
un espejo curvo que forma en una de sus dimensiones una paraacutebola de forma que
concentra sobre su liacutenea focal toda la radiacioacuten reflejada Entre los materiales usados
para la reflexioacuten encontramos plaacutesticos recubiertos con peliacuteculas de plata o aluminio
chapas metaacutelicas o el maacutes usado vidrios sobre los que se depositan una capa de
plata junto con un protector de base de cobre y pintura epoxi
El tubo de absorcioacuten o Receptor El tubo absorbedor consta de dos tubos
conceacutentricos separados por un espacio de vaciacuteo El tubo interior por el que circula
el fluido calo-portador es metaacutelico y el exterior es de cristal
El tubo interior es tratado con un recubrimiento metaacutelico selectivo que puede consistir
en una fina capa de cromo niacutequel cobalto o alguacuten otro acabado logrado por
Sputtering o Deposicioacuten Fiacutesica de Vapor (PVD por sus siglas en ingleacutes) Dicho
recubrimiento otorga al tubo sus propiedades uacutetiles para eacuteste uso elevada
absortividad a lo largo de todo el espectro solar y una baja emisividad en el espectro
infrarrojo lo cual se traduce en un elevado rendimiento teacutermico El tubo exterior de
vidrio cumple dos propoacutesitos de igual importancia el primero es proteger el
recubrimiento selectivo del tubo interior y minimizar las perdidas teacutermicas por
conveccioacuten Para aumentar el rendimiento oacuteptico del captador es comuacuten la utilizacioacuten
de un tratamiento antireflexivo en ambas caras del tubo de vidrio que logra mejorar
15
la transmisividad Para lograr mantener el vaciacuteo necesario entre los dos tubos se suele
soldar cada tubo el de vidrio y el de metal por separado a un fuelle metaacutelico que
soporta las diferentes dilataciones de cada material al variar la temperatura Con esto
se logra flexibilizar la unioacuten entre los dos tubos evitando grietas por las que pudiera
ingresar aire al vaciacuteo Otro mecanismo que se utiliza para mantener el vaciacuteo son los
llamados getters en ingleacutes que son colocados en el vaciacuteo debido a su propiedad de
reaccionar quiacutemicamente o por absorcioacuten con cualquier moleacutecula de gas que pudiera
penetrar al espacio confinado atrapaacutendolo y asiacute manteniendo el espacio libre de
cualquier elemento
Figura 7 Esquema del tubo de absorcioacuten o Receptor
El Sistema de Seguimiento Solar El seguimiento del Sol se hace con el objetivo
de aprovechar la mayor parte de horas posibles de luz de forma que la radiacioacuten
solar llegue lo maacutes perpendicularmente posible al colector y se mantengan en el foco
lineal continuamente Los CCPacutes pueden tener seguimiento a dos ejes o a un uacutenico
eje Normalmente el seguimiento se realiza a un eje pues mecaacutenicamente es maacutes
sencillo esto implica menos costos y menores peacuterdidas teacutermicas por no haber
tuberiacuteas pasivas La orientacioacuten puede ser Norte-Sur o Este-Oeste Los mecanismos
de accionamiento que mueven al colector pueden ser eleacutectricos (apropiado para
equipos pequentildeos) hidraacuteulicos (para lazos de colectores) y mecaacutenicos (reloj de
pesas) (Paredes 2012)
16
Figura 8 Esquema del seguimiento solar a un eje de un CCP Fuente Greenpeace
Cimentacioacuten y estructura metaacutelica La cimentacioacuten soporta los colectores y los fija
al suelo de forma que el conjunto estructural soporte las cargas para las que fue
disentildeado La misioacuten de la estructura metaacutelica del colector es la de dar rigidez al
conjunto de elementos que lo componen a la vez que hacer de interface con la
cimentacioacuten del propio colector (Hidalgo 2012)
La tecnologiacutea cilindro paraboacutelica es una tecnologiacutea limpia madura y con un extenso
historial que demuestra estar preparada para la instalacioacuten a gran escala Esta
tecnologiacutea lleva siendo instalada a nivel comercial desde los antildeos 80 con un
excepcional comportamiento Desde entonces ha experimentado importantes
mejoras a nivel de costes y rendimientos Actualmente hay maacutes de 1 GWe en
operacioacuten maacutes de 800 MWe en construccioacuten y maacutes de 2 GWe en promocioacuten a nivel
mundial Por lo que es esta la tecnologiacutea maacutes segura a aplicar
16 Orientacioacuten del colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Los captadores cilindro paraboacutelicos suelen estar instalados en los campos solares de
tal manera que sus ejes de rotacioacuten queden orientados bien Norte-Sur o bien Este-
Oeste Con la configuracioacuten Este-Oeste las variaciones estacionales suelen ser
pequentildeas permitiendo tener un aporte teacutermico maacutes estable durante el antildeo a costa
de perder parte de la energiacutea anual disponible Con la configuracioacuten Norte-Sur esa
energiacutea anual suministrada es optimizada al maacuteximo con el punto en contra de tener
variaciones estacionales mucho mayores que con la configuracioacuten Este-Oeste que
en ocasiones y dependiendo de la latitud y de las condiciones atmosfeacutericas del
emplazamiento pueden suponer relaciones de 3 a 1 entre verano e invierno En el
caso de la planta Termo solar acoplada al economizador de la caldera para la
produccioacuten de electricidad de la UEB umlGeorge Washingtonuml se ha realizado el disentildeo
atendiendo al criterio de maximizacioacuten del aporte energeacutetico anual por lo que la
configuracioacuten elegida es la Norte-Sur
17
17 Peacuterdidas en un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Cuando la radiacioacuten solar alcanza la superficie de un colector paraboacutelico se pierde
una cantidad importante de ella debido a diferentes factores El total de las peacuterdidas
se puede dividir en tres grupos
171 Peacuterdidas geomeacutetricas Provocan la disminucioacuten del aacuterea efectiva de captacioacuten
solar de los colectores En un CCP se dividen en peacuterdidas debidas a la posicioacuten
relativa de los colectores entre siacute los cuales se pueden dar sombra unos a otros y
las peacuterdidas inherentes a cada colector que son motivo del aacutengulo de incidencia el
cual provoca que en los extremos del colector haya una peacuterdida de superficie reflexiva
uacutetil La existencia del aacutengulo de incidencia tambieacuten afecta a los valores de la
reflectividad absortividad y transmisividad ya que estos paraacutemetros presentan su
valor maacuteximo cuando el aacutengulo de incidencia es 0deg (Hidalgo 2012)
172 Peacuterdidas oacutepticas Se deben a imperfecciones en los materiales que componen
el colector la superficie del concentrador no es un reflector perfecto ni el vidrio del
tubo absorbedor es completamente transparente ni el recubrimiento selectivo del
tubo metaacutelico es un absorbedor perfecto Los cuatro paraacutemetros que intervienen en
las peacuterdidas oacutepticas de un canal paraboacutelico son la reflectividad de los espejos
paraboacutelicos la absortancia del tubo metaacutelico la transmitancia de la cubierta de vidrio
y el factor de interceptacioacuten (Hidalgo 2012)
Reflectancia ρ no toda la energiacutea incidente es reflejada hacia el tubo
absorbedor
Absortancia α cantidad de radiacioacuten que absorbe la superficie selectiva del
tubo metaacutelico
Transmitancia 120591 de aquella radiacioacuten que intercepta el tubo de vidrio solo
una parte consigue atravesarlo
Factor de interceptacioacuten γ no toda la radiacioacuten reflejada por los espejos
acaba incidiendo sobre el tubo absorbedor Las causas son diversas imperfecciones
en los espejos un mal posicionamiento de los colectores etc
173 Peacuterdidas teacutermicas Principalmente se encuentran asociadas a dos elementos
del sistema el tubo absorbedor y las tuberiacuteas de fluido teacutermico Las perdidas
asociadas estaacuten formadas por perdidas por conduccioacuten por conveccioacuten y por
radiacioacuten de los diferentes medios que conforman el conjunto del tubo absorbedor
es decir por el tubo metaacutelico la cubierta de cristal y la atmosfera De manera que
la potencia teacutermica disipada en el colector equivale a la suma de las peacuterdidas teacutermicas
en el receptor y las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas por donde circula el fluido
teacutermico (HTF) (Hidalgo 2012)
18
Peacuterdidas teacutermicas en el aceite teacutermico (HTF)
Las peacuterdidas teacutermicas asociadas al tubo absorbedor (119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905) se deben a la
diferencia de temperaturas entre eacuteste y el ambiente pudiendo ser por conduccioacuten
por radiacioacuten y por conveccioacuten desde el tubo absorbedor al ambiente Aunque cada
una de estas peacuterdidas podriacutea calcularse aplicando las ecuaciones que rigen los
mecanismos de transferencia de calor antes mencionados en la praacutectica las
peacuterdidas teacutermicas globales en un colector se cuantifican mediante ecuaciones
experimentales (Hidalgo 2012)
18 Rendimiento de un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Como consecuencia de todas las peacuterdidas oacutepticas geomeacutetricas y teacutermicas que
existen en un CCP la energiacutea teacutermica uacutetil que da un CCP es menor que la que dariacutea
en condiciones ideales cuando no existieran dichas peacuterdidas
En un CCP se suelen definir tres rendimientos diferentes y un paraacutemetro
I) Rendimiento oacuteptico con un aacutengulo de incidencia de 0ordm (rendimiento oacuteptico pico)
Tiene en cuenta todas las peacuterdidas oacutepticas que tienen lugar en el colector con un
aacutengulo de incidencia de 0ordm Su valor viene dado por el producto de estos cuatro
factores reflectividad de los espejos transmisividad del tubo de vidrio factor de
interceptacioacuten (que tiene en cuenta la parte de radiacioacuten reflejada que por cualquier
causa no alcanza el absorbente) y absortividad de la superficie selectiva que recubre
el tubo metaacutelico absorbente
II) Rendimiento teacutermico Considera todas las peacuterdidas teacutermicas que tienen lugar en
el colector
III) Rendimiento global Considera todas las peacuterdidas tanto oacutepticas como
geomeacutetricas y teacutermicas que tienen lugar en el colector
IV) Modificador por aacutengulo de incidencia Considera todas las peacuterdidas oacutepticas y
geomeacutetricas que tienen lugar en el colector para un aacutengulo de incidencia ϕ ne 0ordmy que
no se tienen en cuenta en rendimiento oacuteptico (peacuterdidas geomeacutetricas de final de
colector bloqueo de la radiacioacuten concentrada por parte de los soportes del tubo
absorbente e influencia del aacutengulo de incidencia en la absortividad y transmisividad
del tubo absorbente y en la reflectividad de los espejos) (Paredes 2012)
19 Disentildeos hiacutebridos
En general las formas de concentracioacuten de la energiacutea solar se pueden dividir en
tecnologiacuteas lineales y de enfoque puntual Los canales paraboacutelicos y los colectores
lineales Fresnel pertenecen a las tecnologiacuteas de enfoque lineal mientras que las
tecnologiacuteas de enfoque de puntos principales son el receptor central (torre solar) y el
reflector paraboacutelico (disco) Desde el punto de la disponibilidad del mercado y el
estado actual de desarrollo para el presente estudio de caso se han elegido las
siguientes tres opciones de tecnologiacutea Lineal Fresnel (LF) Ciliacutendrico Paraboacutelico
19
(CCP) y Torre Central (STC) Para todas las opciones de CSP nombradas hay
diferentes configuraciones de tecnologiacuteas posibles cuyo rango se muestra en la tabla
1 (E Burin 2016)
Tabla 1 Rangos para las 3 tecnologiacuteas posibles
Unidad LF CCP STC
Fluido teacutermico
(HTF)
- Aceite teacutermico
Agua
Sal
Aceite teacutermico
Agua
sal
Agua
Sal
Aire
Concentracioacuten - 25-100 70-80 300-1000
Rango de
temperatura
oC 380-600(ST) 380-600(ST) 565(ST)
Performance MWel 10-200 10-200 10-150
Capacidad de
corriente instalada
1 88 11
Proporcioacuten de las
obras (2012)
6 75 18
(ST) Steam Turbine
Fuente(Reuszlig 2012 Pitz-Paal 2013 REN 2013)
Debido a la diferente etapa de desarrollo teacutecnico de las tres tecnologiacuteas de CSP y
sus HTF para el estudio de caso se examinaron las siguientes combinaciones CCP
(aceite teacutermico) LF (agua vapor) y STC (agua vapor)
En cuanto a los disentildeos de integracioacuten de las tres tecnologiacuteas de CSP elegidas
desde el punto de vista termodinaacutemico es esforzarse por alcanzar un nivel de
temperatura lo maacutes alto posible para el calor solar agregado Por esa razoacuten el calor
solar agregado se usoacute aquiacute para proporcionar calor para el precalentamiento del agua
de alimentacioacuten a alta presioacuten asiacute como para la produccioacuten paralela de vapor
saturado y vapor vivo en paralelo con los generadores de vapor de bagazo Los
diagramas de flujo de proceso de los tres disentildeos de integracioacuten se muestran en la
siguiente figura
20
Figura 9 Diagramas de flujo de proceso de los tres disentildeos de integracioacuten posibles
En el disentildeo 1 el calor solar reemplaza completamente la extraccioacuten a alta presioacuten
de la turbina CEST Para este propoacutesito el campo solar proporciona en el punto de
disentildeo un rendimiento teacutermico equivalente a la demanda de calor requerida para el
calentador de agua de alimentacioacuten de alta presioacuten Debido al modo de operacioacuten de
ahorro de combustible este reemplazo y la cantidad reducida de bagazo quemado
afecta el rendimiento de la turbina CEST asiacute como la liacutenea de calentamiento del agua
de alimentacioacuten Debido a que no se realiza la extraccioacuten de vapor de alta presioacuten en
el tiempo en que el campo este trabajando se seleccionoacute las tecnologiacuteas CCP y LF
Cabe sentildealar que no es posible una operacioacuten de solo solar
El disentildeo de integracioacuten 2 permite una produccioacuten paralela de vapor saturado con
calor solar para reducir el consumo de bagazo Por lo tanto parte del flujo de masa
de agua de alimentacioacuten principal que va a los generadores de vapor se desviacutea Este
flujo maacutesico secundario pasa en el caso de CCP a traveacutes de un generador de vapor
solar tiacutepico mientras que en el caso de la LF se alimenta directamente al campo
solar En ambos casos se produce vapor saturado a 67 bar que luego se une al flujo
de masa principal dentro de los generadores de vapor para el sobrecalentamiento
En consecuencia el disentildeo de integracioacuten 2 solo afecta el rendimiento de los
21
generadores de vapor mientras que las condiciones de vapor vivo permanecen
iguales Al mantener el estudio de caso cerca de la viabilidad teacutecnica deben
respetarse las condiciones teacutecnicas de contorno de los generadores de vapor Con
el fin de evitar fuertes desequilibrios en estos componentes se asumioacute que se permite
reducir la carga del generador de vapor a un nivel miacutenimo del 85 Del mismo modo
este disentildeo no permite una operacioacuten solo solar
En el disentildeo de integracioacuten 3 el calor solar desplaza al generador de vapor de
carga teacutermica Una parte del agua de alimentacioacuten se deriva de los generadores de
vapor A medida que pasa a traveacutes del sistema de torre solar se produce vapor
sobrecalentado a 520 deg C y 67 bar Esta integracioacuten afecta solo el rendimiento teacutermico
de los generadores de vapor mientras que el ciclo agua vapor se opera en modo
normal En comparacioacuten con el disentildeo de integracioacuten 2 la operacioacuten de los
generadores de vapor se simplifica Eso significa que los generadores de vapor
funcionan aquiacute con una carga parcial normal de 100 a 65 de carga Con respecto
a eso al permitir una carga miacutenima del generador de vapor del 65 en el punto de
disentildeo solar la torre solar fue disentildeada para proporcionar todo el calor restante
necesario Cabe sentildealar que para el disentildeo de integracioacuten 3 es posible una
operacioacuten solo solar cuando la instalacioacuten de cantildea de azuacutecar estaacute fuera de servicio
Tabla 2 Muacuteltiplo solar simulado seguacuten la tecnologiacutea de CSP
Disentildeo Tecnologiacutea Muacuteltiplo solar
simulado
Disentildeo 1 CCP
LF
09 - 14
08 - 14
Disentildeo 2 CCP
LF
09 - 13
08 - 14
Disentildeo 3 STC 08 - 40
Seleccioacuten del Disentildeo y la tecnologiacutea
Luego del anaacutelisis acerca del disentildeo y la tecnologiacutea a emplear en este proyecto se
decidioacute elegir la tecnologiacutea de colectores ciliacutendricos paraboacutelicos (CCP) y el disentildeo
nuacutemero 1 Los colectores de canal paraboacutelico son los maacutes empleados en el mundo
actualmente y lleva siendo instalada a nivel comercial desde los antildeos 80 con un
excepcional comportamiento Desde entonces ha experimentado importantes
mejoras a nivel de costes y rendimientos Hoy diacutea hay maacutes de 1 GWe en operacioacuten
maacutes de 800 MWe en construccioacuten y maacutes de 2 GWe en promocioacuten a nivel mundial
22
Para las condiciones de nuestro paiacutes esta tecnologiacutea pudiera ser la maacutes factible y
segura tambieacuten contamos en Cuba con industrias que poseen capacidad
maquinaria y herramientas para llegar a construir gran parte del equipo como las
bases y estructuras metaacutelicas teniendo que importarse solamente el tubo
absolvedor Reduciendo esto los costos en gran medida ejemplo de esto es la faacutebrica
de antena de Santa Clara que ya han construido maquetas de un equipo de esta
tecnologiacutea y se encuentran en condiciones de comenzar una produccioacuten a mayor
escala
110 Influencia de la industria azucarera en Cuba
La escasez de recursos energeacuteticos primarios junto con la afectacioacuten ambiental
resultante de la utilizacioacuten irracional de la energiacutea asociada a la actividad humana
obliga a la buacutesqueda de fuentes alternativas en especial fuentes renovables de
energiacutea La biomasa ha sido fuente de energiacutea desde tiempos inmemoriales fue de
hecho el primer combustible que empleoacute el hombre pero no obstante sus milenios
de utilizacioacuten la biomasa continuacutea ocupando un lugar importante en la matriz
energeacutetica a nivel mundial y continuaraacute sieacutendolo La biomasa es un combustible
renovable se encuentra ampliamente distribuida a nivel mundial y resulta en muchas
ocasiones un subproducto de ciertos procesos productivos (agriacutecolas e industriales)
En Cuba existen diferentes tipos de biomasa con posibilidades econoacutemicas de
empleo entre las maacutes importantes estaacuten el bagazo y los residuos agriacutecolas de la
cantildea de azuacutecar la lentildea y el raleo de los bosques el marabuacute la cascara de arroz y
los residuos del cafeacute En la proyeccioacuten estrateacutegica de la generacioacuten de electricidad en
Cuba para el 2030 se considera que las fuentes renovables de energiacutea alcanzaran
el 24 del total (en la actualidad representan el 43 ) y la biomasa representaraacute el
14 del total por lo que ella representaraacute el 58 de la electricidad obtenida con
fuentes renovables Este proceso de generacioacuten de electricidad con biomasa se
centraraacute casi totalmente en la industria azucarera lo que conlleva a un problema
fundamental que consiste en que la zafra se realiza en tan solo 5 meses
aproximadamente y se necesita que la generacioacuten sea durante todo el antildeo En la
actualidad existen tecnologiacuteas disponibles y posibilidades para su empleo que
permiten valorar diferentes alternativas para incrementar sustantivamente el
potencial de generacioacuten eleacutectrica de los centrales azucareros como son las
bioeleacutectricas las cuales se plantea la instalacioacuten de alrededor de 25 en toda Cuba lo
que requiere de un suministro adicional de combustible para el resto del antildeo en que
no hay zafra Para esto planteamos en este trabajo la hibridacioacuten con un campo termo
solar que permita el ahorro de combustible y su posterior uso en los meses en que
no hay zafra
En nuestro paiacutes se sigue una poliacutetica de desarrollo sostenible y se ha comenzado
una serie de proyectos en la industria azucarera buscando modificaciones que
permitan un aumento en la energiacutea generada por toneladas de cantildea molida Para
23
esto se valoran aspectos como la variacioacuten de los paraacutemetros de explotacioacuten (presioacuten
y temperatura) de las plantas generadoras y las que consumen vapor mejorar el
secado del bagazo que se quema en las calderas hibridar los generadores de vapor
con energiacutea solar y aumentar la entrega al SEN haciendo un uso eficiente de la
electricidad que se consume asiacute como evitar las paradas imprevistas
Las Bioeleacutectricas suscitan hoy creciente intereacutes en el mundo y en Cuba ante la
necesidad de produccioacuten de energiacutea compatible con el medio ambiente Actualmente
una decena de naciones son paradigmas en el uso de esas instalaciones Isla
Reunioacuten India Isla Mauricio Australia Isla Guadalupe Belice Guatemala Estados
Unidos Costa Rica China y particularmente Brasil que posee 160 de 188 existentes
en el orbe Globalmente estas unidades tienen un potencia instalada de maacutes 2800
megavatios y de esa cifra al menos dos mil corresponden a Brasil secundado en
cuanto a cantidad de Bioeleacutectricas por India (14) Isla Mauricio (3) Isla Reunioacuten (2)
mientras que los restantes paiacuteses mencionados poseen una individualmente
(Salomoacuten 2016)
111 Propuesta para la hibridacioacuten de la bioeleacutectrica con energiacutea renovable
En el paiacutes se lucha hoy por un acercamiento hacia las tecnologiacuteas de energiacutea
renovables Con el propoacutesito de convertir todos los sistemas de generacioacuten de
energiacutea eleacutectrica en sistemas maacutes compatibles con el medio ambiente La hibridacioacuten
de la caldera del central George Washington consiste en disentildear un campo de
Colectores Ciliacutendricos Paraboacutelicos prototipo (EUROTrough-150) Con el fin de elevar
la temperatura del agua proveniente del proceso hasta los 260 oC e inyectarla al
economizador de la caldera para ahorrar bagazo que pudiera ser utilizado en los
restantes meses del antildeo cuando no hay zafra para la produccioacuten de energiacutea eleacutectrica
y su entrega al sistema energeacutetico nacional En el siguiente esquema se muestra la
propuesta planteada para la hibridacioacuten
24
Figura 10 Esquema de la hibridacion con colectores solares
25
Seguacuten un documento sobre eficiencia energeacutetica emitido por el Instituto Cubano de
Investigaciones Azucareras (ICINAZ) a todos los centrales del paiacutes se hace relacioacuten
en cuanto a la temperatura del agua de alimentacioacuten de la caldera y cuanto incide
esto en la eficiencia de dicha caldera Quedando que por cada 5 ordmC que se
incrementa la temperatura del agua de alimentacioacuten se incrementa 1 la eficiencia
de la caldera Siendo esto una justificacioacuten razonable para la propuesta planteada
que eleva la temperatura del agua de alimentacioacuten de 166 ordmC a 260 ordmC Alterando
la temperatura unos 94 ordmC influyendo esto en el aumento de la eficiencia en 18
puntos porcentuales
Conclusiones parciales
En este capiacutetulo se realizoacute una amplia revisioacuten bibliograacutefica que abordoacute el estado
del arte y avances tecnoloacutegicos maacutes importantes para los temas relacionados con
esta investigacioacuten que fueron el de energiacutea solar teacutermica y todo lo relacionado con
las bioeleacutectricas a nivel mundial y en nuestro paiacutes Tambieacuten se realizoacute un anaacutelisis
exhaustivo para la determinacioacuten de la tecnologiacutea de sistemas de concentracioacuten
solar lo que resulto que el sistema de Colectores Ciliacutendricos Paraboacutelicos prototipo
EUROTrough-150 es el maacutes factible para su instalacioacuten en Cuba y posteriormente
pudiera ser fabricado por industrias nacionales El disentildeo de incorporacioacuten del
campo al esquema termodinaacutemico de la bioeleacutectrica resulto ser maacutes factible y de
menores transformaciones tecnoloacutegicas en la estructura del central el de
incorporarlo antes de la caldera y que este inyecte el agua calentada directamente
al economizador realizando el salto teacutermico del agua en un intercambiador de calor
existente en la interseccioacuten del campo con la tuberiacutea del agua proveniente de las
bombas
26
Capiacutetulo 2 Materiales y Meacutetodos En este capiacutetulo se describen los programas y foacutermulas utilizadas para el caacutelculo de los objetivos planteados
La presente investigacioacuten se realizoacute desde enero hasta mayo del 2018 Para la realizacioacuten de los caacutelculos se utilizaron los softwares Engineering Equation Solver (EES) (2004) Matlab (2010) y Excel (2016)
Tabla 3 Condiciones de frontera para la bioeleacutectrica
21 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB uml George Washington uml
En este apartado se realizaraacute la evaluacioacuten del recurso solar disponible en el emplazamiento analizado El estudio del potencial solar en el emplazamiento consiste en el anaacutelisis de los datos de radiacioacuten disponibles el tratamiento de los mismos la estimacioacuten de las variabilidades asociadas y el caacutelculo de la produccioacuten una vez consideradas todas las peacuterdidas A la hora de evaluar el recurso solar y a falta de una medida precisa y especiacutefica en el propio emplazamiento se ha recurrido a diversas fuentes para la obtencioacuten de datos de radiacioacuten con el fin de realizar un ajuste estadiacutestico de los mismos y minimizar los errores asociados a ellos
Para el caacutelculo del potencial solar en la zona del central umlGeorge Washingtonuml fue necesario calcular la radiacioacuten solar directa (DNI) que incide en ese lugar y la duracioacuten diurna del diacutea
211 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa
Para el caacutelculo de la radiacioacuten solar directa en la zona de la UEB uml George Washington uml se tomaron como coordenadas de referencia la latitud y la longitud Lat 22587 Long -80244
Para ello se utilizaron modelos estadiacutesticos que permitieron obtener varios valores de radiacioacuten solar directa (DNI) teniendo en cuenta la posicioacuten geograacutefica del lugar y el diacutea del antildeo que se analiza dicha radiacioacuten En este caso se usoacute la foacutermula para condiciones normales
DNI = 1230 ∙ e^ (minus1
38∙cos∙(120579120579120579minus16)) (1)
27
Doacutende
Aacutengulo de incidencia solar θs El valor del aacutengulo de incidencia (θs) sobre la normal a una superficie plana estaacute dado por la siguiente foacutermulaθs
120579119904 = cosminus1(sin 119889 ∙ sin 119871 ∙ cos 119904 minus sin 119889 ∙ cos 119871 ∙ sin 119904 ∙ cos 119892 + cos 119889 cos 119871 ∙ cos 119904 ∙ cos 119908 +cos 119889 ∙ sin 119871 ∙ sin 119904 ∙ cos 119908 ∙ cos 119892 + cos 119892 ∙ sin 119904 ∙ sin 119892 ∙ sin 119908) (2)
Doacutende
d- Aacutengulo de declinacioacuten L- Latitud geograacutefica s- Inclinacioacuten del colector g- Orientacioacuten del colector w- Aacutengulo horario
212 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea (nuacutemero de horas en que el sol estaacute
sobre el horizonte)
119915 = 120784 ∙119934119930
120783120787 (3)
Doacutende
119830119826 = 119836119848119852minus120783(minus 119853119834119847 119923 ∙ 119853119834119847 119941) (4)
L-Latitud geograacutefica
d-Declinacioacuten
Se compararon los resultados de DNI por la metodologiacutea utilizada en este trabajo con la base de datos de la NASA (httpeosweblarcnasagovsse 2017)
Aun asiacute los lugares para desarrollar aplicaciones de energiacutea solar teacutermica por concentracioacuten deben cumplir con unos estaacutendares de acuerdo a la radiacioacuten solar perpendicular a la superficie incidente sobre un metro cuadrado para que sea eficiente dicha instalacioacuten lo cual se valora de la siguiente manera
Se tuvieron en cuenta los valores de radiacioacuten solar directa (kWm2diacutea) (GESIME 2014)
No idoacuteneos Hasta 1700 kWhmsup2antildeo (47 kWhmsup2diacutea)
Idoacuteneos Entre 1700 y 2700 kWhmsup2antildeo (47 y 74 kWhmsup2diacutea)
Oacuteptimos Maacutes de 2700 kWhmsup2antildeo (74 kWhmsup2diacutea)
28
213 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
El colector ciliacutendrico paraboacutelico que se propuso fue el (Eurotrough-150) cuyas caracteriacutesticas se observaran en la tabla4 y figura 11
Tabla 4 Caracteriacutesticas del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico Eurotrough-150 (ET-150)
Figura 11 Prototipo EUROTrough en la Plataforma Solar de Almeriacutea Espantildea
Para el caacutelculo del rendimiento global de un Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico hay que realizar un balance energeacutetico teniendo en cuenta las peacuterdidas que suceden en el mismo
Caracteriacutesticas um
Ancho de apertura 577 m
Longitud total de cada colector 150 m
Aacuterea de apertura del colector 8175 m2
Longitud focal 171 m
Longitud del absorbedor 41 m
Radio exterior del absorbedor 0035 m
Radio interior del absorbedor 00325 m
Distancia entre filas de colectores 17 m
Rendimiento Oacuteptico pico 78
Factor de ensuciamiento 95
Disponibilidad 97
29
214 Peacuterdidas geomeacutetricas
La geometriacutea del canal paraboacutelico lleva asociada una disminucioacuten del aacuterea efectiva de captacioacuten Estas peacuterdidas se dividen en dos grupos Peacuterdidas debidas a la posicioacuten relativa de los colectores los cuales se pueden dar sombra unos a otros Peacuterdidas inherentes a cada colector son las debidas al aacutengulo de incidencia de
la radiacioacuten solar (g) respecto a la normal del plano de apertura del colector (figura
12)
Figura 12 Aacutengulo de incidencia en un Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
Como consecuencia de este aacutengulo existe una peacuterdida de superficie reflexiva uacutetil en los extremos del colector Por tanto el aacutengulo de incidencia tiene gran importancia sobre el comportamiento teacutermico del colector puesto que limita la cantidad de radiacioacuten solar que se puede aprovechar Se hizo una comparacioacuten del aacutengulo de incidencia en cuanto a la orientacioacuten y el seguimiento solar del colector ciliacutendrico paraboacutelico
Si la orientacioacuten (g) es de Norte-Sur con seguimiento solar Este-Oeste g = 0ordm
Si la orientacioacuten (g) es de Este-Oeste con seguimiento solar Norte-Sur g = 90ordm
Declinacioacuten seguacuten foacutermula de Cooper (Ribot J 2001)
119889 = 2345 ∙ 119904119890119899 [360 ∙(284+119899)
365] (5)
Siendo ldquonrdquo el nuacutemero de diacutea natural para el 1 de enero n=1 y para el 31 de diciembre
n=365
El aacutengulo horario se calcula seguacuten la foacutermula
30
120591 = 15deg ∙ (ℎ119904 minus 12) (6)
Siendo ldquohsrdquo las horas de reloj El valor es negativo por la mantildeana y positivo tras el mediodiacutea y cero al mediodiacutea solar
Se consideroacute el aacutengulo horario 0ordm por ser el mediodiacutea solar donde maacutes radiacioacuten incide sobre la tierra con el objetivo de simplificar los caacutelculos
Se consideroacute el aacutengulo de inclinacioacuten igual a 0ordm (disposicioacuten horizontal) por ser maacutes eficiente
La latitud del lugar en estudio (UEB uml George Washington uml) Santo Domingo es de 22587ordm
Las peacuterdidas asociadas al aacutengulo de incidencia son miacutenimas cuando el aacutengulo es
0ordm cos 120579119904 = 1 y maacuteximas cuando es 90ordm Por tanto cuanto menor sea el aacutengulo de incidencia mayor es la energiacutea solar incidente sobre el colector y mayor es el rendimiento del mismo
215 Peacuterdidas oacutepticas
Caacutelculo del rendimiento oacuteptico pico del colector 120578119900119901119905119874119900 que es aquel que tiene en
cuenta todas las peacuterdidas oacutepticas que tienen lugar en el captador con un aacutengulo de incidencia de 0ordm 120578119900119901119905119874119900 = 120588 ∙ 120574 ∙ 120591 ∙ 120572 (7)
Donde
120588 Reflectancia no toda la energiacutea incidente es reflejada hacia el tubo absorbedor
120574 Factor de interceptacioacuten no toda la radiacioacuten reflejada por los espejos acaba incidiendo sobre el tubo absorbedor Las causas son diversas imperfecciones en los espejos un mal posicionamiento de los colectores etc
120591 Transmitancia de aquella radiacioacuten que intercepta el tubo de vidrio solo una parte consigue atravesarlo
α Absortancia cantidad de radiacioacuten que absorbe la superficie selectiva del tubo metaacutelico
Ademaacutes de las peacuterdidas debidas al aacutengulo de incidencia existen otras peacuterdidas que se asocian a dicho aacutengulo El efecto del aacutengulo de incidencia en el rendimiento del CCP se cuantifica mediante el modificador por aacutengulo de incidencia 119870(120579119904) Eacuteste considera todas las peacuterdidas oacutepticas y geomeacutetricas que tienen lugar en el captador
para un aacutengulo de incidencia 120579119904 ne 0ordm y que no se tienen en cuenta en el rendimiento oacuteptico pico
31
El modificador por el aacutengulo de incidencia depende directamente del aacutengulo de
incidencia siendo 119870(120579119904) = 1 para 120579119904 = 0deg y siendo 119870(120579119904) =0 para 120579119904 = 90deg y se
obtiene como funcioacuten de eacuteste seguacuten la expresioacuten
119870(120579119904) = 1 minus 223073 ∙ 10minus4 ∙ (120579119904) minus 11 ∙ 10minus4 ∙ (1205791199042) + 318596 ∙ 10minus6 ∙ (120579119904
3) minus 485509 ∙
10minus9 ∙ (1205791199044) (8)
216 Peacuterdidas teacutermicas
Las peacuterdidas teacutermicas que tiene lugar en un CCP dan como consecuencia que la energiacutea teacutermica uacutetil sea menor que la energiacutea solar absorbida por el colector Teniendo en cuenta esto la potencia teacutermica uacutetil por colector seraacute igual la diferencia entre los calores absorbido y perdido
119906119905119894119897 = 119886119887119904 minus 119901119890119903119889 (9)
Doacutende
119906119905119894119897 ∶ 119875119900119905119890119899119888119894119886 119905eacute119903119898119894119888119886 uacute119905119894119897 119901119900119903 119888119900119897119890119888119905119900119903 (119882)
119886119887119904 119862119886119897119900119903 119886119887119904119900119903119887119894119889119900 119901119900119903 119890119897 119891119897119906119894119889119900 119889119890 119905119903119886119899119904119891119890119903119890119899119888119894119886 119889119890 119888119886119897119900119903 (119867119879119865) (119882)
119901119890119903119889 119875eacute119903119889119894119889119886119904 119905eacute119903119898119894119888119886119904 119889119890119897 119867119879119865 119886119897 119886119898119887119894119890119899119905119890 (119882)
Peacuterdidas teacutermicas en el aceite teacutermico (HTF) Las peacuterdidas teacutermicas se producen a lo largo del circuito por donde se mueve el fluido teacutermico principalmente en dos lugares en el tubo absorbedor y en las tuberiacuteas del campo de colectores De manera que la potencia teacutermica disipada en el colector equivale a la suma de las peacuterdidas teacutermicas en el receptor y las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas por donde circula el fluido teacutermico (HTF)
119876119901119890119903119889 = 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 + 119875119890119903119889119905119906119887119890119903 (10)
Las peacuterdidas teacutermicas asociadas al tubo absorbedor 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 se deben a la diferencia de temperaturas entre eacuteste y el ambiente pudiendo ser por conduccioacuten por radiacioacuten y por conveccioacuten desde el tubo absobedor al ambiente Aunque cada una de estas peacuterdidas podriacutea calcularse aplicando las ecuaciones que rigen los mecanismos de transferencia de calor antes mencionados en la praacutectica las peacuterdidas teacutermicas globales en un colector se cuantifican mediante ecuaciones experimentales Asiacute las peacuterdidas teacutermicas en el tubo absorbedor por metro longitudinal de colector vienen dadas por la ecuacioacuten
119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 =1198751198901199031198891+1198751198901199031198892+1198751198901199031198893+1198751198901199031198894
119879119904minus119879119890 (11)
32
Doacutende
1198751198901199031198891 = (1198600 + 1198605 ∙ radic119907) ∙ (119879119904 minus 119879119890) (12)
1198751198901199031198892 = (1198601 + 1198606 ∙ radic119907) ∙ (119879119904
2minus1198791198902
2minus 119879119886119898119887 ∙ (119879119904 minus 119879119890)) (13)
1198751198901199031198893 = (1198602+1198604∙119863119873119868∙119870(120579119904)∙cos(120579119904)
3∙ (119879119904
3 minus 1198791198903)) (14)
1198751198901199031198894 =1198603
4∙ (119879119904
4 minus 1198791198904) (15)
Siendo
119879119904 Temperatura del HTF a la salida del campo solar
119879119890 Temperaturas del HTF a la entrada del campo solar
119879119886119898119887 Temperatura ambiente
119907 Velocidad del viento (ms)
Los coeficientes empleados en las foacutermulas se recogen en la tabla 5
Tabla 5 Coeficientes de peacuterdidas teacutermicas
A0 405
A1 0247
A2 -000146
A3 565E-06
A4 762E-08
A5 -17
A6 00125
En general las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas (119875119890119903119889119905119906119887119890119903 ) del campo de colectores son pequentildeas del orden de 8 Wm2 Finalmente la potencia teacutermica disipada por el aceite teacutermico a su paso por un colector es
33
119901119890119903119889 = 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 ∙ 119871119888119900119897119890119888119905119900119903 + 119875119890119903119889119905119906119887119890119903 ∙ 119878119888 (16)
Doacutende
119878119888 Aacuterea de apertura del colector (Ver tabla 1)
Un colector como todos los sistemas de concentracioacuten de la energiacutea solar solo puede aprovechar la radiacioacuten solar que incide normal a su plano de apertura De esta forma la energiacutea solar por unidad de tiempo y en el punto de disentildeo que incide sobre la superficie de apertura de un CCP viene dada por la ecuacioacuten
119904119900119897 = 119863119873119868 ∙ cos(120579119904) ∙ 119878119888 (17)
La potencia absorbida por el colector 119886119887119904 va a ser menor que la 119904119900119897 ya que eacutesta uacuteltima no tiene en cuenta las peacuterdidas oacutepticas y geomeacutetricas en el colector ni la limpieza de los espejos ni la disponibilidad del campo solar La radiacioacuten solar absorbida en un colector CCP viene dada por la ecuacioacuten
119886119887119904 = 119863119873119868 ∙ cos(120579119904) ∙ 119878119888 ∙ 119870 ∙ (120579119904) ∙ Ƞ1199001199011199050ordm ∙ 119865119888 ∙ 119865119889119894119904119901 (18)
Siendo
119865119888 Factor de ensuciamiento de los espejos (95 )Tiene en cuenta que aunque los espejos se limpien no recuperan su estado inicial 119865119889119894119904119901 Factor de disponibilidad (97 ) Fraccioacuten del campo solar que estaacute en
operacioacuten y captando la energiacutea solar El rendimiento global de un CCP viene dado por el cociente entre el aumento de entalpia en el HTF a su paso por el colector y la energiacutea solar incidente sobre el captador
Ƞ119888119900119897119890119888 =119876119906119905119894119897
119876119904119900119897 (19)
22 Dimensionamiento del campo solar de la zona de la UEB uml George
Washington uml
El dimensionamiento del campo solar consiste en determinar el nuacutemero de CCPs (o nuacutemero de lazos) necesarios para aportar la energiacutea que demanda este en el punto de disentildeo (Hidalgo 2012)
Para dimensionar el campo solar es necesario evaluar las condiciones del terreno
donde se va a realizar el montaje de los colectores y hacer un balance energeacutetico
del generador de vapor solar
34
221 Caracterizacioacuten del terrero
Se tuvo en cuenta el relieve y el tamantildeo del terreno cercano al central lo que resulto favorable para abaratar la inversioacuten en cuanto a movimientos de tierra y compra de terrenos Los recursos hiacutedricos ya tienen una infraestructura creada puesto que son necesarios para el proceso que realiza la faacutebrica actualmente Esto se basa en posos que bombean el agua hasta los filtros donde se realiza el tratamiento externo al agua y van luego al proceso todo este sistema ya se encuentra instalado y en buenas condiciones lo que resulta de gran ayuda para el proyecto futuro de Bioeleacutectrica
222 Balance energeacutetico en el generador de vapor solar (GVS)
Para calcular el nuacutemero de lazos necesarios en el campo solar es preciso conocer primero la potencia teacutermica que puede aportar el campo solar en el punto de disentildeo esto se determina mediante la foacutermula
119888119886119898119901119900 =119882119890119897119890119888119905
120578119905119906119903119887 (20)
Doacutende
119888119886119898119901119900 Potencia teacutermica del campo solar
119882119890119897119890119888119905 Potencia eleacutectrica de la turbina
120578119905119906119903119887 Eficiencia termo-mecaacutenica de la turbina (Se asumioacute de 68)
Seguidamente hay que establecer el balance de masas y energiacutea en el Generador de vapor solar (GVS) El GVS se disentildea para recuperar la energiacutea del fluido teacutermico procedente del campo solar Para el intercambiador de calor (GVS) se cumple que la cantidad de calor transferido por unidad de tiempo permanece constante o lo que es lo mismo la energiacutea total es la misma antes y despueacutes de cada transformacioacuten El balance energeacutetico en un intercambiador de calor se resuelve mediante la ecuacioacuten
119886119892119906119886 ∙ ∆119867119886119892119906119886 = 119886119888119890119894119905119890 ∙ ∆119867119886119888119890119894119905119890 (21)
Ademaacutes para cada fluido de forma individual se cumple que
= 119886119888119890119894119905119890 ∙ 119862119901119886119888119890119894119905119890∙ ∆119879 = 119898119886119888119890119894119905119890 ∙ (ℎ119904 minus ℎ119890) (22)
Doacutende
∆H Diferencia de entalpiacuteas a la entrada y a la salida del intercambiador (kJkg)
Q Potencia teacutermica intercambiada (kW)
35
m Caudal maacutesico (kgs) Cp Calor especiacutefico (kJkg ordmC)
∆T Diferencia de temperaturas a la entrada y la salida del intercambiador (ordmC) hs he Entalpiacuteas a la entrada y a la salida respectivamente (kJKg) Y seguacuten el teorema de conservacioacuten de la masa se tiene que
119890119899119905119903119886 = 119904119886119897119890
223 Caacutelculo del nuacutemero de lazos
Los caacutelculos que se han desarrollado en los acaacutepites anteriores constituyen los datos de partida para el caacutelculo del nuacutemero de colectores requeridos en el campo solar para poder alcanzar la potencia teacutermica demandada al campo solar
Caracteriacutesticas del aceite teacutermico (HTF)
El aceite teacutermico que se ha empleado como fluido calo-portador es Therminol VP-1 cuyo rango de temperatura de trabajo se encuentra entre 12-400ordmC La temperatura a la salida del campo solar no debe excederse de los 400ordmC ya que para temperaturas superiores el aceite se degrada y pierde sus propiedades teacutermicas A continuacioacuten se presentan las graacuteficas correspondientes a variacioacuten de densidad y entalpiacutea del aceite teacutermico Therminol VP-1 con la temperatura figuras 13 y 14 respectivamente y que han sido elaboradas a partir de datos del fabricante
Figura 13 Therminol VP-1 Entalpiacutea vs Temperatura
36
Figura 14 Therminol VP-1 Densidad vs Temperatura(Hidalgo 2012)
Para determinar el nuacutemero de lazos necesarios en el campo solar se ha seguido la siguiente metodologiacutea de caacutelculo
Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF
Incremento de temperatura del HTF en un colector
Nuacutemero de colectores necesarios por lazo Nuacutemero de lazos en el campo solar
224 Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF por cada lazo
El caudal de aceite estaacute controlado por la temperatura de salida del campo Cuando la radiacioacuten solar es baja el flujo se reduce con el objetivo de mantener la temperatura de salida del campo y por el contrario cuando la radiacioacuten solar es superior a la del punto de disentildeo los colectores se desenfocan para evitar que el aceite exceda los 393ordmC La velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor se calcula a partir de la expresioacuten del nuacutemero de Reynolds
119877119890 =119907∙119863∙120588
120583 (23)
Doacutende
119907 Velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor (ms) (Se asumioacute una
velocidad de 3 ms la cual es una velocidad econoacutemica)
119877119890 Nuacutemero de Reynolds (-)
120583 Viscosidad dinaacutemica del HTF a la temperatura media de trabajo (Pas)
119863 Diaacutemetro interior del tubo absorbedor (m)
120588 Densidad del HTF a la temperatura media de trabajo (kgm3)
37
Para cumplir con los requisitos de flujo turbulento el caudal miacutenimo de aceite que circula por un lazo en el punto de disentildeo es
= 119907 ∙ 119878 ∙ 120588 (24)
Siendo S en m2 la seccioacuten transversal interior del tubo absorbedor
225 Incremento de temperatura del HTF en un colector
La potencia teacutermica uacutetil del colector se invierte en aumentar la temperatura del aceite De esta forma el incremento de temperatura que sufre el aceite teacutermico a su paso por un colector es decir desde que entra en el colector y hasta que sale del mismo es
∆119879119888119900119897119890119888 = 119879119904 minus 119879119888 =uacute119905119894119897
∙119862119901 (25)
∆119879119888119900119897119890119888 Incremento de temperatura del aceite teacutermico en el colector (ordmC)
119879119888 119879119904 Temperatura del HTF a la entrada y a la salida del colector respectivamente
(ordmC)
119906119905119894119897 Potencia teacutermica uacutetil por colector (W)
Caudal maacutesico de aceite teacutermico por colector (kgs)
119862119901 Calor especiacutefico del aceite teacutermico a la temperatura media de trabajo (kJkg ordmC)
226 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
El incremento total de temperatura del HTF por lazo ΔT lazo es igual a la diferencia entre las temperaturas a la salida y a la entrada del campo solar Por tanto el nuacutemero teoacuterico de colectores en serie por lazo seraacute igual a
119873119888119900119897119890119888 =∆119879119897119886119911119900
∆119879119888119900119897119890119888 (26)
119873119888119900119897119890119888 Nuacutemero teoacuterico de colectores por lazo
∆119879119897119886119911119900 Incremento de temperatura por lazo (ordmC)
Esto implica el salto teacutermico y caudal maacutesico por lazo que es necesario tener el aceite para asiacute poder alcanzar la temperatura de entrada del agua en el economizador
227 Nuacutemero de lazos en el campo solar
A diferencia del nuacutemero de colectores que viene fijado por el salto de temperatura del aceite teacutermico en el campo el nuacutemero de lazos paralelos que conforman el campo solar depende de la potencia teacutermica demanda por el campo El nuacutemero de lazos es igual al cociente entre la potencia teacutermica del campo solar y la potencia teacutermica uacutetil por colector
38
119925119949119938119963119952 =119940119938119950119953119952
uacute119957119946119949 119935119949119938119963119952 (27)
Doacutende
119925119949119938119963119952 Nuacutemero de lazos
119940119938119950119953119952 Potencia teacutermica del campo solar (kW)
uacute119957119946119949 Potencia teacutermica uacutetil por lazo (kW)
23 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un
antildeo)
Para el caacutelculo de las toneladas de CO2 dejadas de emitir se utilizaraacute el iacutendice de
generacioacuten de una planta convencional de combustible foacutesil que para Cuba es de
270 gkWh Con este iacutendice y el aumento de la produccioacuten de energiacutea eleacutectrica con
la incorporacioacuten del campo solar se calcularaacute el ahorro de combustible foacutesil y a este
valor de combustible sustituido y el uso de los factores de emisioacuten de CO2 mostrados
en la siguiente (tabla 6) se podraacute determinar cuaacutentas toneladas de CO2 es capaz de
evitar la instalacioacuten del campo solar
Tabla 6 Factores de emisioacuten de especies especificadas
Tecnologiacutea CO (gkgf) SO2 (gkgf) NO2eq (gkgf) PM10
(gkgf)
CO2
(kgkgf)
CIE-HFO 24 27 128 528 306
CIE-DO 12 4 84 195 313
Fuente (EPA 2004)
24 Factibilidad econoacutemica del proyecto
Para el caacutelculo de la rentabilidad econoacutemica se optimizoacute la dimensioacuten del campo solar que fuera maacutes rentable para este trabajo donde se tuvo en cuenta el nuacutemero de lazos necesarios del campo y la tasa interna de retorno
241 Valor actual neto (VAN)
El VAN permite calcular el valor presente de un determinado nuacutemero de flujos de caja futuros originados por una inversioacuten teniendo en cuenta la peacuterdida de valor del dinero en el tiempo a traveacutes de una tasa de descuento (Martiacutenez 2017) y se calcula mediante la siguiente ecuacioacuten
39
(28)
Donde
119868119900 Costo inicial de la inversioacuten FC Flujo de caja n El tiempo para el cual se requiere calcular el VAN i La tasa de descuento Meacutetodo de caacutelculo mediante el Excel Para calcular el VAN es necesario conocer el flujo de caja teniendo en cuenta los ingresos y los gastos Ingresos El ingreso es debido a la venta de energiacutea eleacutectrica a la red para ello se utilizoacute un precio de 021 (USDkWh) Ingresos por ventas
119868119899119892119903119890119904119900=119875119903119890119888119894119900 (119880119878119863119896119882ℎ)lowast119864119899119890119903119892iacute119886 (29) Gastos Costo fijo de operacioacuten y mantenimiento Se calcula primero la inversioacuten total mediante la ecuacioacuten siguiente
119894119899119907119890119903119904119894oacute119899 119905119900119905119886119897=119862119900119904119905119900 119906119899119894119905119886119903119894119900 119889119890 119894119899119907119890119903119904119894oacuten (119880119878119863119896119882119890)lowast119875119900119905119890119899119888119894119886 (kWe) (30) Entonces se calcula el costo fijo de operacioacuten y mantenimiento
119862119891=119894119899119907119890119903119904119894oacute119899 119905119900119905119886119897lowast02 (31) Donde
119862119891 Costo fijo de operacioacuten y mantenimiento
Costo variable de operacioacuten y mantenimiento
119862119907=119864119899119903119892iacute119886 (119896119882ℎ)lowast002(119880119878119863119896119882ℎ) (32)
Donde
119862119907 Es el costo variable de operacioacuten y mantenimiento A continuacioacuten se calcula la utilidad antes de impuesto que es la diferencia entre los ingresos y los costos de operacioacuten fijo y variable 119880119879119860=119894119899119892119903119890119904119900minus(119862119891+119862119907) (33)
Donde
119880119879119860 Es la utilidad antes de impuesto o neta Entonces el impuesto en Cuba es del 35 de la utilidad neta
40
119868119898119901119906119890119904119905119900=035lowast(119880119878119863) (34)
El flujo de caja quedariacutea como
119865119888=119880119879119860 (119880119878119863)minus119868119898119901119906119890119904119905119900 (119880119878119863) (35)
Teniendo el flujo de caja se puede calcular el VAN aplicando la tasa de descuento
del 10
Si VAN gt 0 El proyecto es rentable
Si VAN = 0 El proyecto es postergado
Si VAN lt 0 El proyecto no es rentable
242 Tasa interna de retorno (TIR)
Se define como la tasa de descuento que iguala el VAN a cero
Si TIR gt tasa de descuento (r) El proyecto es aceptable
Si TIR = tasa de descuento (r) El proyecto es postergado
Si TIR lt tasa de descuento (r) El proyecto no es aceptable La TIR es aquella tasa de descuento que iguala el valor actual de la corriente de cobros con el valor actual de la corriente de pagos por lo que es la tasa de descuento que hace al VAN igual a cero y puede utilizarse como indicador de la rentabilidad de un proyecto se utiliza como uno de los criterios para decidir sobre la aceptacioacuten o rechazo de un proyecto de inversioacuten (Martiacutenez 2017) y se puede expresar de la siguiente forma
(36) Para simplificacioacuten de los caacutelculos se utilizoacute el software Microsoft Excel que de forma iterativa busca este valor se utilizoacute la estimacioacuten de los flujos de caja para 25 antildeos al igual que para el caacutelculo del VAN
243 Periacuteodo de recuperacioacuten de la inversioacuten
El periacuteodo de recuperacioacuten se cumple cuando la suma de los flujos de caja consecutivos desde el primer antildeo da como resultado el valor de la inversioacuten pero teniendo en cuenta el efecto del tiempo sobre el dinero Calculado de esta manera se conoce como periacuteodo de recuperacioacuten de la inversioacuten descontado Para obtenerlo se hallaron todos los flujos de caja para 25 antildeos consecutivos que es el tiempo de estudio del proyecto entonces se le restoacute el descuento correspondiente a cada antildeo y se graficoacute el resultado quedando como una curva
41
Conclusiones parciales
En este capiacutetulo se realizoacute un estudio de la metodologiacutea de caacutelculo para la
realizacioacuten del dimensionamiento del campo solar para la tecnologiacutea de colectores
cilindro paraboacutelico para esto se escogioacute la metodologiacutea planteada por (Hidalgo
2012) Siendo fundamental el estudio de la radiacioacuten solar de la zona en que estaacute
situada la instalacioacuten Tambieacuten se tuvo en cuenta el acceso a los recursos hiacutedricos
y la cercaniacutea a la red eleacutectrica nacional lo cual no tuvo ninguna dificultad puesto
que donde se pretende ubicar el campo ya existe una instalacioacuten con todas estas
necesidades cubiertas que es el central al cual se pretende convertir en
bioeleacutectrica Luego de estos anaacutelisis y una vez dimensionado el campo solar se
realizoacute el caacutelculo de la rentabilidad econoacutemica seguacuten lo planteado por (Martiacutenez
2017) planteaacutendose como principales indicadores econoacutemicos el costo nivelado de
la energiacutea generada costo de inversioacuten VAN y TIR El impacto ambiental se tuvo
en cuenta mediante el caacutelculo de las emisiones de CO2 dejadas de emitir si la
energiacutea generada con el excedente de bagazo ahorrado por la insercioacuten del campo
hubiera sido generada por una planta teacutermica convencional
42
Capiacutetulo 3 Resultados y Discusioacuten
En este capiacutetulo se exponen los resultados de los caacutelculos efectuados y a la vez se
interpreta el porqueacute de estos asiacute como la discusioacuten de las bibliografiacuteas consultadas
31 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB umlGeorge Washington uml
311 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa
Para el caacutelculo de la radiacioacuten solar directa (DNI) primeramente se halloacute el aacutengulo
de declinacioacuten de cada mes Dicho aacutengulo se anuloacute para el 22 de Marzo y el 23 de
Septiembre puesto que ocurren los equinoccios momento del antildeo en que el sol estaacute
situado en el plano del ecuador terrestre y alcanzoacute el valor maacuteximo positivo el 22 de
Junio y el valor maacuteximo negativo el 22 de diciembre diacuteas en que ocurren los
solsticios que son los momentos del antildeo en los que el sol alcanza su mayor o menor
altura aparente en el cielo y la duracioacuten del diacutea o de la noche son las maacuteximas del
antildeo respectivamente (figura 15)
Figura 15 Aacutengulo de declinacioacuten para los diferentes meses del antildeo
Los valores de DNI que inciden en la zona de la UEB umlGeorge Washingtonuml se
mantuvieron como promedio por encima de 10 kWhm2diacutea seguacuten la metodologiacutea
de caacutelculo empleada siendo oacuteptimos para la instalacioacuten de este tipo de tecnologiacutea
Esto pudiera ser debido a que por la metodologiacutea de caacutelculo solo se tuvo en cuenta
la latitud geograacutefica y el diacutea del antildeo en que se analizoacute dicha radiacioacuten por esta
razoacuten se observoacute que sus valores fueron mayores que los valores de radiacioacuten solar
-30
-20
-10
0
10
20
30
Gra
dos s
exagesim
ale
s
Aacutengulo de declinacioacuten
43
directa que aporta la base de datos de la NASA (httpeosweblarcnasagovsse
2017) como promedio 506 kWhm2diacutea y los aportados por el Instituto de
Meteorologiacutea cubano para esta zona (como promedio 582 kWhm2diacutea) idoacuteneo para
este tipo de tecnologiacutea de los datos de radiacioacuten analizados se utilizoacute para los
caacutelculos siguientes de dimensionamiento del campo los aportados por el instituto de
meteorologiacutea cubano por ser los maacutes especiacuteficos y detallados de todas las fuentes
consultadas Algunos meses como noviembre y diciembre no alcanzan el valor
idoacuteneo de 47 kWhm2-diacutea sin embargo (La Rosa 2014) planteoacute que Cuba se
localiza en una zona geograacutefica de alta radiacioacuten solar y que se caracteriza por la
gran cantidad de diacuteas soleados en el antildeo
Figura 16 Comparacioacuten entre el DNI calculado por la metodologiacutea el aportado por la NASA
y el obtenido por el Instituto de Meteorologiacutea cubano
En cada metro cuadrado del territorio cubano se recibe diariamente una cantidad de
energiacutea solar equivalente a medio kilogramo de petroacuteleo combustible valor
promedio praacutecticamente invariable durante todo el antildeo Otra de las caracteriacutesticas
de la radiacioacuten solar en Cuba es que su valor es casi igual en todo el paiacutes ya que
la diferencia en latitud desde el lugar maacutes bajo hasta el maacutes alto es de soacutelo 3 grados
Por lo tanto la radiacioacuten solar en Cuba es utilizable en todo el territorio y durante
todo el antildeo con un valor medio de maacutes de 5 kWhm2diacutea tanto en su forma de
bioenergiacutea o biomasa energiacutea hidraacuteulica energiacutea eoacutelica o directamente convertida
en calor o electricidad (Beacuterriz 2000)
0
2
4
6
8
10
12
14
DN
I (k
Whm
2-d
iacutea)
meses
Radiacioacuten solar
Calculado NASA Meteorologiacutea cubana
44
312 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea
Luego de haber calculado la semiduracioacuten diurna en grados sexagesimales (WS)
para cada diacutea del antildeo en la zona de la UEB umlGeorge Washingtonuml se calcularon las
horas de luz solar durante el diacutea lo cual se muestra promediado en la tabla 7 donde
se ve que esta es mayor que 10 horas asiacute como tambieacuten se observa que son maacutes
largos los diacuteas en los meses de verano (Abril-Agosto)
Tabla 7 promedio de horas de sol al diacutea por meses del antildeo
32 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
Se realizoacute el balance energeacutetico del CCP teniendo en cuenta las peacuterdidas que
sucedieron en el mismo debido a su fabricacioacuten y a su posicioacuten
321 Peacuterdidas geomeacutetricas
Peacuterdidas debidas a la posicioacuten relativa de los colectores
En este trabajo no se tuvo en cuenta las peacuterdidas por sombras ya que se asumioacute
que la construccioacuten de estos colectores iba a estar lo suficientemente separados
para que no se pudieran dar sombra unos a otros
Peacuterdidas inherentes a cada colector
Se comparoacute el aacutengulo de incidencia en cuanto a la orientacioacuten y el seguimiento solar
del colector ciliacutendrico paraboacutelico Se seleccionoacute la orientacioacuten N-S con seguimiento
solar E-O por lo que se seleccionoacute para el caacutelculo del resto de las variables (g = 0)
Para la inclinacioacuten del colector se tomoacute con eje horizontal (s = 0) Se consideroacute el
aacutengulo horario 0ordm por ser el mediodiacutea solar donde maacutes radiacioacuten incide sobre la
tierra con el objetivo de simplificar los caacutelculos
Con los datos calculados anteriormente se halloacute el aacutengulo de incidencia (figura 17)
En este caso se observa que a diferencia de la radiacioacuten solar directa el aacutengulo de
incidencia es menor para los meses de verano reafirmando que a menor aacutengulo de
incidencia mayor la radiacioacuten que va a captar el colector
enero febrero marzo abril mayo junio julio agosto septiembre octubre noviembre diciembre
108 112 119 125 131 134 132 127 121 114 109 106
45
Figura 17 Aacutengulo de incidencia por meses para una orientacioacuten N-S con seguimiento solar
E-O
322 Peacuterdidas oacutepticas
Las caracteriacutesticas oacutepticas del colector ET-150 se reflejaron en la tabla 8 y con estas
se calculoacute el rendimiento oacuteptico
Tabla 8 Caacutelculo del rendimiento oacuteptico
Rendimiento oacuteptico
ntilde Reflectividad superficie reflectora 090
ocirc Transmisividad del cristal absorbedor 095
aacute Absortividad del tubo del absorbedor 096
ɣ Factor de interceptacioacuten 095
Ƞopt0ordm= 078
Cuanto mayor es el valor del rendimiento oacuteptico mayor seraacute el rendimiento del
captador Asiacute cuanto mayor sea el valor de las variables que lo definen mejor seraacute
el rendimiento de los captadores (Rojas 2013)
Ademaacutes de las peacuterdidas debidas al aacutengulo de incidencia existen otras peacuterdidas que
se asocian a dicho aacutengulo El efecto del aacutengulo de incidencia en el rendimiento del
CCP se cuantifica mediante el modificador por aacutengulo de incidencia 119870(120579119904)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Gra
do
s se
xage
sim
ale
s
Aacutengulo de incidencia
46
323 Peacuterdidas teacutermicas
Se calculoacute la potencia teacutermica uacutetil la potencia teacutermica absorbida y la potencia
teacutermica perdida La energiacutea teacutermica uacutetil fue menor que la energiacutea teacutermica absorbida
Esto es debido a las peacuterdidas teacutermicas que se presentan en este tipo de tecnologiacutea
Durante los meses de verano existioacute un descenso de las diferentes potencias
calculadas a causa de las condiciones de nubosidad (lluvia) para esta eacutepoca del
antildeo (figura 18) Para los meses de invierno las potencias decrecieron debido a la
disminucioacuten de la radiacioacuten solar tiacutepico en esta eacutepoca del antildeo
Figura 18 Energiacutea solar por unidad de tiempo radiacioacuten solar absorbida en un colector
peacuterdidas teacutermicas y potencia teacutermica uacutetil para todos los meses del antildeo
Estas peacuterdidas teacutermicas influyeron negativamente en el rendimiento global del
colector CCP ET-150 que tuvo un valor aproximado al 70 Para los meses de
verano hubo un mayor rendimiento aunque este se vio afectado por la nubosidad
El funcionamiento teacutermico de cualquier captador solar estaacute determinado por el
llamado rendimiento global definido como la relacioacuten entre la potencia teacutermica que
es capaz de proporcionar o potencia teacutermica uacutetil y la potencia procedente del Sol
que se tome como referencia No toda la potencia solar puede ser absorbida por el
receptor Existen una serie de peacuterdidas de energiacutea debidas tanto a la geometriacutea y
oacuteptica del captador como a las propiedades de los materiales del propio receptor
que hay que tener en cuenta (Rojas 2013)
16
161
162
163
164
165
166
167
168
169
17
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Qp
er(
kW
h)
Qso
lu
til(
kW
h)
meses
Peacuterdidas teacutermicas
Qsol Qutil Qperd
47
33 Dimensionamiento del campo solar
331 Caracterizacioacuten del terrero
El terreno del central George Washington es llano desprovisto de grandes
obstaacuteculos que puedan crear dificultades en la construccioacuten del campo y crear
sombras que entorpezcan la radiacioacuten del sol en los espejos reflectores Estaacute
cercano a la carretera y consta con posos que facilita el acceso a los recursos
hiacutedricos en el emplazamiento Estaacute solucionado el problema de la conectividad a la
red eleacutectrica nacional puesto que el central ya contaba con esta infraestructura Por
lo tanto posee las condiciones idoacuteneas para la instalacioacuten de un campo solar
332 Balance energeacutetico en el intercambiador de calor
A partir de la temperatura que se quiere elevar el agua de alimentacioacuten de la caldera
(260 oC) y el flujo de esta (255 kgs) se determina una cantidad de energiacutea teacutermica
que debe suministrar el campo para suplir esta demanda Dicha energiacutea teacutermica se
logra a traveacutes de la radiacioacuten solar captada por los colectores la cual es transferida
en forma de calor a un fluido portador en este caso aceite HTF Este necesita un
determinado flujo para absorber toda esa energiacutea y luego transferirla al agua Los
caudales necesarios para la captacioacuten de este calor se encuentran en la (tabla 9)
Tabla 9 Paraacutemetros termodinaacutemicos en el intercambiador de calor
Datos Agua de
alimentacioacuten Aceite teacutermico
Caudal(kgs) 255 462
Temperatura(ordmC) 166 300
Presioacuten (bar) 67 25
Entalpiacutea (kJkg) 6974 490
Con estos datos se concluye que para calentar un flujo de agua de 255 kgs (a
temperatura de 166ordmC y presioacuten de 67 bar) hasta alcanzar una temperatura de
260ordmC se necesita un flujo de energiacutea teacutermica de 106225 kW lo cual es
proporcionada por 462 kgs de aceite teacutermico proveniente del campo solar que estaacute
a una temperatura de 300ordmC y presioacuten de 25 bar
48
333 Caacutelculo del nuacutemero de lazos
3331 Caacutelculo del caudal miacutenimo de circulacioacuten del fluido de transferencia de
calor (HTF) por cada lazo
Para que exista un flujo turbulento por el interior del tubo absorbedor a una velocidad
del fluido econoacutemica de 3 ms el caudal miacutenimo de circulacioacuten debe ser de 86 kgs
(tabla 10)
Tabla 10 Caudal miacutenimo de circulacioacuten del fluido de transferencia de calor (HTF) por
cada lazo
Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF por cada lazo 86 kgs
Nuacutemero de Reynolds 874E+5
Velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor 3 ms
Viscosidad dinaacutemica del HTF a la temperatura media de
trabajo 194E-04 kgmmiddots
Densidad del HTF a la temperatura media de trabajo 870 Kgm3
3332 Incremento de la temperatura del HTF en un colector
Para calentar el flujo de aceite de 200 a 300ordmC lo cual equivale a un salto teacutermico
por lazo de 100ordmC es necesario 4 colectores por lazo Por tanto el salto de
temperatura promedio del HTF a su paso por un colector es aproximadamente de
283ordmC (tabla 11)
Tabla 11 Salto de temperatura promedio del HTF a su paso por un colector
meses ∆119931119949119938119963119952() ∆119827119836119848119845119838119836() 119821119845119834119859119848119852
Enero 100 248 40
Febrero 100 263 38
Marzo 100 301 33
Abril 100 343 29
Mayo 100 333 30
Junio 100 318 31
Julio 100 325 31
Agosto 100 330 30
Septiembre 100 286 35
Octubre 100 262 38
Noviembre 100 202 50
Diciembre 100 186 54
49
3333 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
El nuacutemero de colectores necesarios por lazo para cada mes se refleja en la (tabla
12) Con este resultado se concluye que la cantidad de colectores totales que debe
tener cada lazo del campo solar es aproximadamente de 4
Tabla 12 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo para cada mes del antildeo
Meses Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
Enero 40
Febrero 38
Marzo 33
Abril 29
Mayo 30
Junio 31
Julio 31
Agosto 30
Septiembre 35
Octubre 38
Noviembre 50
Diciembre 54
3334 Nuacutemero de lazos en el campo solar
Al ser la potencia teacutermica del campo solar 106225 kW y ser la potencia teacutermica uacutetil
promedio por lazo aproximadamente de 26556 kW el nuacutemero de lazos necesarios
por campo solar debe ser aproximadamente de 4
Para generar 106 MW teacutermico con una radiacioacuten promedio de 5355 Wm2 para todo
un antildeo la dimensioacuten del campo solar debe ser de 44448 m2 Esto se logra con un
total de 4 lazos con 4 colectores cada uno
334 Caacutelculo del ahorro de bagazo propiciado por el campo
Una de las ideas fundamentales de este proyecto es el ahorro de bagazo para su
uso fuera de temporada y asiacute no parar la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica por la
ausencia de combustible Para esto se halloacute el iacutendice de generacioacuten con el campo
(tabla 13) quedando un ahorro de maacutes de 25 mil toneladas de bagazo Pudiendo
dar un margen de 30 diacuteas maacutes de generacioacuten de electricidad lo que equivale a maacutes
de 14 mil MWe
50
Tabla 13 Generacioacuten en el periacuteodo de zafra y ahorro de bagazo propiciados por el campo
solar
Generacioacuten eleacutectrica total 111063 MWh
Iacutendice de generacioacuten sin campo 500 kWhtb
Iacutendice de generacioacuten con campo 575 kWhtb
Ahorro de bagazo 251586 TonZafra
Porciento de bagazo ahorrado 14
Generacioacuten con el excedente de Bagazo 14463 MWh
Seguacuten los datos de la tabla 13 y suponiendo que la zafra sea de 120 diacuteas sin contar
las paradas este resultado extenderiacutea la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica a 232 diacuteas
aproximadamente maacutes de la mitad del antildeo y solo se necesitariacutea para los restantes
133 diacuteas del antildeo abastecerse por medio de otra fuente como pudiera ser bagazo
aportado por centrales cercanos que funcionaran como tributarios o utilizar otro
combustible complementario como los residuos agriacutecolas cantildeero lentildea o carboacuten de
marabuacute
34 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un
antildeo)
Para el caacutelculo se halloacute el ahorro de combustible foacutesil con la incorporacioacuten del campo
solar De la (tabla 14) mostrada en el capiacutetulo anterior se tomoacute el valor para las
emisiones de CO2 que fue de 306 kgkgf lo que reflejoacute los siguientes resultados
Tabla 14 Ahorro de combustible y emisiones de CO2 dejadas de emitir propiciado por el campo
Iacutendice de generacioacuten de una planta
teacutermica convencional en Cuba 270 gkWh
Ahorro de combustible Foacutesil 3888 TCC
CO2 dejado de emitir 11897 Ton
35 Factibilidad econoacutemica del proyecto
Para los caacutelculos de factibilidad econoacutemica en este proyecto se ha tomado los
siguientes valores (tabla 15)
51
Tabla 15 Valores necesarios para el caacutelculo de la factibilidad econoacutemica
Precio de la electricidad 021 $kWh
Impuestos 30
Tasa de descuento 10
Vida uacutetil 25 antildeos
Tambieacuten se tuvieron en cuenta los costos de inversioacuten del campo solar (tabla 16)
Tabla 16 Costos de Inversioacuten del campo solar Fuente (IDEA 2013)
Captacioacuten y concentracioacuten de
energiacutea solar
Campo solar(CCP)
espejos 35 Eur m2
apertura
130800 m2
457800
euros
estructuras
metaacutelicas
72 Eur m2
apertura
13080
m2
941760
euros
sistemas de
posicionamiento
6600 Eurunid
16
unidades
108585
euros
movimiento de
tierras
21 Eur m2
apertura
13080
m2 27468000 euros
cimentacioacuten 37 Eur m2
apertura
13080
m2 48396000 euros
montaje 43 Eur m2
apertura
13080
m2 56244000 euros
nave de montaje 545 Eur m2
apertura
13080
m2 7128600 euros
costo total
2900511
euros
Sistema de conversioacuten solar teacutermico
aceite teacutermico 283 Eurkg
100
Kg 283 euros
tubos
absorbedores
892 Eurtubo
16
tubos
14675
euros
juntas rotativas 190 Eur unid 33 unidades 625187 euros
tuverias valvulas y
accesorios
13400 Eurlazo 4 lazos 4915834 euros
sistTrasiego
aceites
87000 Eurlazo 4 lazos 31916236 euros
sistPurificacioacuten
de aceite
380000 Eur unid 1 unidades 380000 euros
ProteccContra
incendios
11400 Eurlazo 1 lazos 11400 euros
sistInertizacioacuten 5900 Eurlazo 1 lazos 5900 euros
52
Intercambiador
aceite-vapor
240 EurkW 10623 kWe 2549400 euros
calderas GV 53 EurkWt - 0 euros
costo total 33362310 euros
TOTAL DEL COSTO DE INVERSIOacuteN
9137253
euros
9959606
doacutelares
Tabla 17 Costos de operacioacuten y mantenimiento (OampM) del campo solar en millones de
euros (MEUR MWantildeo) Fuente (IDEA 2013)
Personal 001 MEUR MWantildeo
Mantenimiento 004 MEUR MWantildeo
Otros 002 MEUR MWantildeo
total 007 MEUR MWantildeo
Tabla 18 Costos de operacioacuten y mantenimiento (OampM) del campo solar en MEUR Fuente
(IDEA 2013)
Potencia del
campo solar
11 MW
Personal 011
Mantenimiento 042
Otros 021
total 074
Esto equivale a un costo fijo de 1772000 doacutelares en operacioacuten y mantenimiento
Paraacutemetros operativos
Venta de electricidad 21 centkWh
Produccioacuten de electricidad solar 144626 MWhantildeo
Costos OampM campo solar 289252 USD antildeo
Costo nivelado de la energiacutea generada
Este costo se determinoacute al sumar los costos variables el de inversioacuten total y los
costos de operacioacuten y mantenimiento luego se dividioacute entre la generacioacuten total de
la planta en los 25 antildeos de vida uacutetil de esta tecnologiacutea quedando de 0032$kWh
351 Tasa interna de retorno (TIR)
Con un campo de 16 colectores y para las condiciones de este proyecto se obtuvo
una TIR de
TIR= 30
La TIR calculada fue mayor que la tasa de descuento por tanto el proyecto es
aceptable
53
352 Valor actual neto (VAN)
El valor actual neto es positivo con un valor que asciende a $ 34116545 por lo que
se cumple la condicioacuten de VAN mayor que cero por lo que el proyecto es rentable
353 Periacuteodo de recuperacioacuten (PR)
El tiempo en que se recupera esta inversioacuten es de aproximadamente 9 antildeos (figura
18)
Los costos de inversioacuten incluyen costes de Ingenieriacutea obtencioacuten de los permisos
necesarios y autorizaciones administrativas obra civil y equipo electromecaacutenico
Los beneficios corresponden a las ventas anuales de electricidad una vez
deducidos los gastos de operacioacuten y mantenimiento En general se estima en el
sector que para que una inversioacuten sea interesante el periacuteodo de recuperacioacuten no
debe exceder de 7 antildeos (Penche 1998) Este proyecto excede en dos antildeos lo
planteado por (Penche 1998) aunque sigue siendo factible e interesante para las
condiciones del paiacutes ya que como plantea el problema de investigacioacuten el principal
intereacutes de este trabajo es aumentar los diacuteas de generacioacuten de electricidad Debido
al problema que presenta Cuba con los iacutendices de generacioacuten se hace necesario
una mejora en este sector a toda costa priorizando esto quedando asiacute los periodos
de recuperacioacuten por detraacutes de este intereacutes primordial
Figura 19 Periacuteodo de recuperacioacuten en antildeos
Teniendo en cuenta estos tres iacutendices econoacutemicos calculados que se tuvieron en
cuenta para la rentabilidad econoacutemica de este proyecto se obtiene como resultado
que dicho proyecto es econoacutemicamente factible
-15000000
-10000000
-5000000
0
5000000
10000000
15000000
20000000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Doacutela
res
Antildeos
Periacuteodo de recuperacioacuten de la invercioacuten
54
Conclusiones
La tecnologiacutea de plantas hibridas solar-biomasa para el caso de Cuba es
potencialmente factible a partir de los valores encontrados de radiacioacuten solar
directa en todo el territorio alcanzando estos maacutes de 5 kWhm2-dia durante
todo el antildeo siendo favorable para la implementacioacuten de esta tecnologiacutea
El rendimiento global de cada colector tiene un valor aproximado del 70
debido a las peacuterdidas geomeacutetricas oacutepticas teacutermicas y por las condiciones
meteoroloacutegicas del lugar puesto que al ser Cuba una isla rodeada de mar
hay ocurrencia de un gran nuacutemero de precipitaciones y cielos nublados al
antildeo que afectan considerablemente el factor de disponibilidad del campo
solar
El campo solar tendraacute 4 colectores por lazo y 4 lazos por campo con una
potencia teacutermica de 106 MW lo que representa un aacuterea de casi 45 ha
aumentaacutendose el iacutendice de generacioacuten de electricidad de la planta con su
conversioacuten en planta hibrida (solar-biomasa) de 500 kWhtb a 575 kWhtb
Con la implementacioacuten del proyecto propuesto (hibridacioacuten biomasa-energiacutea
solar) se puede lograr un ahorro de 251586 toneladas de bagazo por zafra
lo que equivale a 30 diacuteas adicionales de generacioacuten eleacutectrica de la planta lo
que extenderiacutea la generacioacuten en la bioeleacutectrica a unos 230 diacuteas acercaacutendose
cada vez maacutes a lo previsto por la poliacutetica existente en el paiacutes de conversioacuten
de centrales en bioeleacutectricas de llegar a los 300 diacuteas Pudieacutendose saldar los
70 diacuteas faltantes con combustibles alternativos como el RAC y el marabuacute con
gran abundancia en nuestros campos
La implementacioacuten en la UEB George Washington de la hibridacioacuten permitiriacutea
anualmente con el excedente de bagazo obtenido una generacioacuten de
electricidad adicional de 145 GWh con una disminucioacuten de 11897 toneladas
de emisiones de CO2 funcionando como una fuente de empleo considerable
para los habitantes de este lugar
El estudio de la hibridacioacuten solar-biomasa en la UEB George Washington
indica que un proyecto de este tipo es factible con una inversioacuten de casi 10
millones de doacutelares logra como resultados maacutes importantes un VAN de maacutes
de 34 millones una TIR de 30 un PRD de aproximadamente 9 antildeos y un
costo nivelado de la electricidad de 0032 $kWh valor de gran motivacioacuten
para la implementacioacuten de esta tecnologiacutea
55
Recomendaciones
Extender el estudio de factibilidad de plantas de energiacutea hiacutebridas biomasa
solar a otros centrales azucareros del paiacutes que se prevean convertir en
bioeleacutectricas
Incluir en la metodologiacutea de anaacutelisis empleada en este trabajo para futuros
estudios otro tipo de tecnologiacuteas de concentracioacuten como pudiera ser la de
colector lineal Fresnel cuya aplicacioacuten ha venido en aumento en los uacuteltimos
antildeos a nivel mundial
Profundizar en el estudio de factibilidad de este proyecto analizando la
influencia de la variacioacuten de paraacutemetros como el salto entaacutelpico en el
intercambiador de calor del campo solar para la optimizacioacuten del disentildeo del
campo solar
56
Bibliografiacutea
BEacuteRRIZ L MADRUGA E 2000 Cuba y las fuentes renovables de energiacutea CUBASOLAR pp 29
CENGEL Y 2012 Termodinaacutemica Meacutexico DF
DAVID A 2007 Business and Finance Israeli Company to build largest solar park in world in US [Online] Available (httpwwwynetnewscom) [Accessed 10 febrero 2018]
E BURIN T V S MULTHAUPT A THELEN G OELJEKLAUS K GOumlRNER E BAZZO 2016 Thermodynamic and economic evaluation of a solar aided sugarcane bagasse cogeneration power plant THE 28TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON EFFICIENCY COST OPTIMIZATION SIMULATION AND ENVIRONMENTAL IMPACT OF ENERGY SYSTEMS
EPA Factor Information REtrieval (FIRE) Software Technology Transfer Network Clearinghouse for Inventories amp Emissions Factors 2004
GACETA 2007 Estrategia Ambiental Nacional Ministerio de Justicia 30 ed Gaceta Oficial Republica de Cuba
GESIME 2014 Conceptualizacioacuten del programa de desarrollo de la energiacutea solar teacutermica en Cuba 2014-2020 MINEM Desarrollado por grupo de desarrollo de la energiacutea solar teacutermica Grupo Empresarial de la Industria Sidero-Mecaacutenica 36
GUTIEacuteRREZ E 2013 ldquoEl azuacutecar cubano adquiere protagonismo energeacuteticordquo Diarios latinoamericanos de Tierrameacuterica
HERRERA I 2016 Poligeneration Workshop KTH Universidad Central Marta Abreu de Las Villas
HIDALGO L 2012 Estudio Teacutecnico-econoacutemico de una central hiacutebrida solar-ciclo combinado Proyecto final de carrera para optar por el tiacutetulo ingeniero teacutecnico de minas Departamento de sistemas energeacuteticos 79
HTTPEOSWEBLARCNASAGOVSSE 2017 Surface Meteorology and Solar Energy [Online] [Accessed 22 noviembre]
HTTPWWWWIKIPEDIAORG 2017 Energiacutea solar teacutermica [Online] [Accessed 17 diciembre 2017]
IDEA 2013 Plan de Energiacuteas (PER) 2011-2020 Instituto para la Diversificacioacuten y Ahorro de la Energiacutea
LA ROSA D 2014 Recuperacioacuten de la disponibilidad de generacioacuten en el ciclo combinado de Energas Varadero con aporte termosolar httpwwwcubasolarcu
MARTIacuteN S 2017 Colector ciliacutendrico paraboacutelico Available from httpwwwtecnoblogsanmartinwordpresscom]
57
MARTIacuteNEZ L 2017 Conjunto de alternativas tecnoloacutegicas para la ingenieriacutea conceptual del estudio de oportunidad de la conversioacuten en bioeleacutectrica del central George Washington Trabajo de diploma Universidad Central ldquoMarta Abreurdquo de Las Villas
MAXWELL E L RENNE DS 1994 Measures of Renewable Energy National Renewable Energy Laboratory
PAREDES C 2012 Disentildeo de captador solar ciliacutendrico paraboacutelico para aplicaciones rurales en Paraguay Proyecto final de carrera para optar por el tiacutetulo de ingeniero teacutecnico de minas Especialidad en recursos energeacuteticos combustibles y explosivos 57
PENCHE C 1998 Manual de pequentildea hidroeleacutectrica D I R E C C I Oacute N G E N E R A L D
E E N E R G I A ( D G X V I I ) 259
PETROLEUM B 2006 BP Statistical Review of World Energy June 2006 Quantifying Energy
PETROLEUM B 2018 Statistical Review of World Energy [Online] Available httpwwwbpcomenergyoutlook [Accessed 12 febrero de 2018]
PITZ-PAAL 2013 Solar thermal power plants BINE-Themeninfo FIZ Karlsruhe GmbH
REN 2013 Global Status Report Paris
REUszlig N 2012 Modern Gas- amp Steam Turbines in Solarthermic Applications 14th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery Honolulu
RIBOT J E A ROVIRA P ROVIRA A BAROacuteN JL 2001 Curso de Energiacutea Solar Centro de Tecnologiacutea Educativa CTE Barcelona Espantildea Obra completa 4ta edicioacuten Leccioacuten 3 El potencial real de la energiacutea solar
RODRIacuteGUEZ J 2015 Metodologiacutea para la caracterizacioacuten termoeconoacutemica de plantas hiacutebridas de generacioacuten de electricidad Tesis Doctoral Universidad Politeacutecnica de Madrid
ROJAS E 2013 Energiacutea Solar Teacutermica Observatorio de energiacutea renovable para Ameacuterica Latina y Caribe Programa de capacitacioacuten de energiacuteas renovables ONUDI 68
SALOMOacuteN R 2016 ldquoBioeleacutectricas despiertan creciente intereacutes mundialrdquo
SALOMOacuteN R 2018 Biomasa fuente de electricidad inagotable para Cuba Diaacutelogos del Sur Prensa Latina de La Habana
SEBASTIAacuteN E 2011 Sistemas de colector ciliacutendrico paraboacutelico para generar energiacutea httpeliseosebastiancom
SHILLING Z NORMAN 2003 IGCC Clean Power Generation Alternative For Solid Fuels Product Line Leader
58
WWWSOLARBUZZCOM H 2016 Abener Signs Contract for Solar Thermal Electric-Combined Cycle Hybrid Plant [Online] [Accessed 16 diciembre 2017]
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830
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Resumen
En este trabajo se efectuoacute el dimensionamiento de un campo termo solar con
tecnologiacutea de colectores cilindro paraboacutelicos EUROTrough-150 Dicho campo se
propone con el fin de inyectar energiacutea solar al sistema termo-energeacutetico de la UEB
umlGeorge Washingtonuml y disminuir asiacute el consumo de bagazo en la generacioacuten de
vapor La disminucioacuten en el consumo de bagazo permite acumular dicho combustible
para extender los periacuteodos de generacioacuten de energiacutea eleacutectrica maacutes allaacute del periacuteodo
de zafra El disentildeo del sistema que se propone consiste esencialmente en elevar la
temperatura del agua de alimentacioacuten a la caldera hasta 260 oC con energiacutea solar
Para ello se realizoacute un estudio de la radiacioacuten solar directa incidente en la zona donde
estaacute ubicada la UEB siendo esta idoacutenea para la instalacioacuten de tecnologiacuteas de
concentracioacuten solar Se disentildeoacute el campo solar y se calcularon las peacuterdidas inherentes
a cada colector logrando un rendimiento global de aproximadamente 70 Inciden
sobre esta eficiencia las peacuterdidas geomeacutetricas oacutepticas teacutermicas y las condiciones
meteoroloacutegicas del lugar Se evaluaron las caracteriacutesticas del terreno para
dimensionar el campo solar cercaniacutea a los recursos hiacutedricos y a la red eleacutectrica
nacional lo que resulto adecuado para implementar esta tecnologiacutea Se analizoacute un
anaacutelisis econoacutemico y de impacto ambiental del esquema propuesto encontraacutendose
que es econoacutemicamente factible con un VAN de 34 millones de USD y una TIR del
30 y un periacuteodo de recuperacioacuten de la inversioacuten de 9 antildeos y 10 meses
Palabras clave campo termo solar rendimiento global radiacioacuten solar impacto
ambiental
Abstract
In this work the dimensioning of a solar thermal field with parabolic trough collector technology EUROTrough-150 was carried out This field is proposed in order to inject solar energy into the thermo-energy system of the UEB George Washington and thus reduce the consumption of bagasse in steam generation The decrease in bagasse consumption allows the accumulation of such fuel to extend the periods of generation of electric power beyond the harvest period The design of the proposed system consists essentially in raising the temperature of the feed water to the boiler
up to 260 ⁰C with solar energy For this purpose a study of direct solar radiation was
carried out in the area where the UEB is located being ideal for the installation of solar concentration technologies The solar field was designed and the losses inherent to each collector were calculated achieving an overall yield of approximately 70 The geometric optical and thermal losses and the meteorological conditions of the place affect this efficiency The characteristics of the UEB location were evaluated to dimension the solar field proximity to water resources and the national electricity grid which was adequate to implement this technology An economic and environmental impact analysis of the proposed scheme was analyzed finding that it is economically feasible with a NPV of USD 34 million and an IRR of 30 and an investment recovery period of 9 years and 10 months
Key words solar thermal field global performance solar radiation environmental impact
Iacutendice
Introduccioacuten 1
Capiacutetulo 1 Revisioacuten Bibliograacutefica 4
11 Ciclo termodinaacutemico de la industria azucarera 4
12 Concepto de bioeleacutectrica 6
13 Planta hiacutebrida 6
14 La energiacutea solar 7
15 Sistemas teacutermicos solares 8
151 Sistemas de torre central (STC) 9
152 Disco Paraboacutelico (DP) 10
153 Concentrador lineal Fresnel 12
154 Colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP) 12
16 Orientacioacuten del colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP) 16
17 Peacuterdidas en un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP) 17
171 Peacuterdidas geomeacutetricas 17
172 Peacuterdidas oacutepticas 17
173 Peacuterdidas teacutermicas 17
18 Rendimiento de un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP) 18
19 Disentildeos hiacutebridos 18
110 Influencia de la industria azucarera en Cuba 22
111 Propuesta para la hibridacioacuten de la bioeleacutectrica con energiacutea renovable 23
Conclusiones parciales 25
Capiacutetulo 2 Materiales y Meacutetodos 26
21 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB uml George Washington uml 26
211 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa 26
212 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea (nuacutemero de horas en que el sol estaacute sobre
el horizonte) 27
213 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP) 28
214 Peacuterdidas geomeacutetricas 29
215 Peacuterdidas oacutepticas 30
216 Peacuterdidas teacutermicas 31
22 Dimensionamiento del campo solar de la zona de la UEB uml George Washington uml
33
221 Caracterizacioacuten del terrero 34
222 Balance energeacutetico en el generador de vapor solar (GVS) 34
223 Caacutelculo del nuacutemero de lazos 35
224 Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF por cada lazo 36
225 Incremento de temperatura del HTF en un colector 37
226 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo 37
227 Nuacutemero de lazos en el campo solar 37
23 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un antildeo)
38
24 Factibilidad econoacutemica del proyecto 38
241 Valor actual neto (VAN) 38
242 Tasa interna de retorno (TIR) 40
243 Periacuteodo de recuperacioacuten de la inversioacuten 40
Conclusiones parciales 41
Capiacutetulo 3 Resultados y Discusioacuten 42
31 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB umlGeorge Washington uml 42
311 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa 42
312 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea 44
32 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP) 44
321 Peacuterdidas geomeacutetricas 44
322 Peacuterdidas oacutepticas 45
323 Peacuterdidas teacutermicas 46
33 Dimensionamiento del campo solar 47
331 Caracterizacioacuten del terrero 47
332 Balance energeacutetico en el intercambiador de calor 47
333 Caacutelculo del nuacutemero de lazos 48
3331 Caacutelculo del caudal miacutenimo de circulacioacuten del fluido de transferencia de calor
(HTF) por cada lazo 48
3332 Incremento de la temperatura del HTF en un colector 48
3333 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo 49
3334 Nuacutemero de lazos en el campo solar 49
334 Caacutelculo del ahorro de bagazo propiciado por el campo 49
34 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un antildeo)
50
35 Factibilidad econoacutemica del proyecto 50
351 Tasa interna de retorno (TIR) 52
352 Valor actual neto (VAN) 53
353 Periacuteodo de recuperacioacuten (PR) 53
Conclusiones 54
Recomendaciones 55
1
Introduccioacuten
Las tendencias en el aumento de las temperaturas medias y el consecuente
calentamiento global son ya una amenaza para la vida existen en el presente
evidencias de sus impactos y Cuba no se encuentra exenta ejemplo de ello son
Degradacioacuten de los suelos (erosioacuten drenaje salinidad acidez compactacioacuten entre
otros) Estos afectan grandes extensiones de superficie agriacutecola del paiacutes (Gaceta
2007) Tambieacuten se ha visto maacutes recientemente el aumento de la intensidad de los
ciclones y la cantidad de estos que se forman anualmente Un ejemplo de esto fue el
huracaacuten Irma que azotoacute la isla a finales del antildeo 2017 siendo este de categoriacutea 5
afectando a casi todo el territorio nacional causando grandes dantildeos materiales Papel
protagoacutenico en este resquebrajamiento de la salud del planeta lo tiene el uso
indiscriminado de los combustibles foacutesiles Actualmente la mayor parte de la
generacioacuten de energiacutea teacutermica en el mundo estaacute basada en hidrocarburos
provenientes del petroacuteleo y gas natural cuyas reservas probadas permitiraacuten satisfacer
la demanda soacutelo para algunos antildeos maacutes ya que se cuenta con estudios que
demuestran que las reservas de petroacuteleo mundial solo constan con aproximadamente
15 mil millones de barriles lo necesario para satisfacer las necesidades de la
poblacioacuten mundial por tan solo 506 antildeos (Petroleum 2018) Aun cuando hubiese
suficientes recursos foacutesiles para cubrir la creciente demanda el problema estaacute
relacionado con la contaminacioacuten especiacuteficamente con las altas emisiones de CO2 y
muchos otros que afectan seriamente el ecosistema
Se han realizados esfuerzos importantes por parte de la comunidad internacional
para la proteccioacuten del medio ambiente como son el protocolo de Montreal el protocolo
de Kioto y el tratado de Paris Bajo estos acuerdos internacionales es donde la
tecnologiacutea relacionada con el aprovechamiento de la radiacioacuten solar se reconoce
como una solucioacuten apropiada para la generacioacuten de energiacutea teacutermica y eleacutectrica Se
debe recordar que la transformacioacuten de la radiacioacuten solar es la fuente primordial de
las tecnologiacuteas renovables ya que el viento olas hidroeleacutectrica e incluso biomasa
son resultado de la potencia proveniente del Sol (Maxwell 1994 Shilling 2003)
Si bien las fuentes renovables de energiacutea tienen gran potencial econoacutemico sin olvidar
desde luego su bajo impacto ambiental hasta la fecha no han sido ampliamente
explotadas y comercializadas Lo anterior se debe principalmente al costo de
inversioacuten relativamente alto para desarrollar estas tecnologiacuteas Ademaacutes estos
sistemas no han tenido un mayor despliegue debido a la intermitencia y
requerimientos de almacenamiento de energiacutea por lo que es comuacuten que se opte por
fuentes convencionales Sin embargo en los sistemas con fuentes renovables
ademaacutes de su bajo impacto ambiental un punto que se debe considerar es el costo
2
de operacioacuten ya que estas tecnologiacuteas no presentan consumo de combustible para
su operacioacuten Asiacute la amortizacioacuten de los sistemas con fuentes renovables ocurre por
el ahorro de los costos asociados al consumo de combustible Dado que la energiacutea
solar en su forma primaria es gratuita el reto es disentildear sistemas de captacioacuten y
aprovechamiento que transformen esta energiacutea con sistemas que sean econoacutemicos
y faacutecilmente operables Sin embargo para el aprovechamiento de la energiacutea solar se
tiene como primera limitante su baja densidad de potencia comparada con los
combustibles foacutesiles por lo que se busca sistemas con elevada eficiencia de
conversioacuten Otra limitante es su intermitencia ya sea por el ciclo diacutea-noche o bien por
condiciones atmosfeacutericas adversas como lluvia o nublados y por la estacionalidad
En Cuba las energiacuteas renovables solo representan 46 por ciento de la generacioacuten
eleacutectrica y el resto lo aportan los combustibles foacutesiles de esto la industria azucarera
aporta el 35 por ciento Existe en Cuba un programa nacional de fuentes renovables
de energiacutea y eficiencia energeacutetica El plan para elevar la eficiencia energeacutetica
contempla que para 2030 un total de 25 ingenios generen un excedente de 872 MW
conectados a la red del Sistema Eleacutectrico Nacional Para alcanzar este objetivo se
modernizan los ingenios para transformarlos en modernas plantas bioeleacutectricas Las
inversiones estimadas estaacuten en el orden de los 1290 millones de doacutelares que se
pretenden obtener de diversas formas (Gutieacuterrez 2013)
Este trabajo tiene como propoacutesito estudiar la integracioacuten de energiacutea solar teacutermica con
biomasa para la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica y teacutermica en los esquemas
energeacuteticos de las bioeleacutectricas en Cuba Se tomaraacute como caso de estudio la Unidad
Empresarial de Base uml George Washington uml donde se evaluaraacute incorporar al
economizador de la caldera de vapor agua calentada por un campo solar compuesto
por colectores ciliacutendrico paraboacutelico prototipo EUROTrough-150 Se espera con la
introduccioacuten de esta tecnologiacutea ahorrar bagazo para que sea utilizado en la eacutepoca
pos zafra por la bioeleacutectrica que se preveacute instalar alliacute La caldera del Central basa su
funcionamiento en utilizar como combustible el bagazo residual del proceso de la
elaboracioacuten de azuacutecar
Problema
La insuficiente biomasa cantildeera para que las bioeleacutectricas alcancen al menos 300 diacuteas
de generacioacuten de energiacutea al antildeo causa que los periacuteodos de recuperacioacuten de la
inversioacuten en esta tecnologiacutea sean muy prolongados siendo una posible solucioacuten la
hibridacioacuten de biomasa cantildeera con energiacutea solar teacutermica de concentracioacuten
Se planteoacute la siguiente hipoacutetesis
Si se realiza un estudio de factibilidad de combinar la energiacutea solar teacutermica con la
biomasa cantildeera en las condiciones de Cuba se lograraacute economizar biomasa cantildeera
3
para que las bioeleacutectricas alcancen al menos 300 diacuteas de generacioacuten de energiacutea al
antildeo y a la vez lograr que se reduzcan los periacuteodos de recuperacioacuten de las inversiones
de las bioeleacutectricas en el paiacutes
Por todo lo antes expuesto y para la realizacioacuten de este trabajo de ingenieriacutea se
definioacute el siguiente objetivo general
Estudiar la factibilidad de combinar la energiacutea solar teacutermica de concentracioacuten con
biomasa cantildeera para aumentar la generacioacuten de electricidad al menos 300 diacuteas al
antildeo en las bioeleacutectricas en Cuba
Y como objetivos especiacuteficos
Determinar el potencial solar en la zona central del paiacutes para seleccionar la
tecnologiacutea de concentracioacuten solar y el esquema maacutes factible de hibridacioacuten en la
bioeleacutectrica para las condiciones de Cuba
Realizar el dimensionamiento oacuteptimo del campo solar teacutermico de concentracioacuten para
inyectar energiacutea al ciclo de las bioeleacutectricas proyectadas
Analizar la factibilidad de una propuesta de bioeleacutectrica hiacutebrida biomasa-solar
mediante el uso de indicadores econoacutemicos como el costo nivelado de la energiacutea
generada costo de inversioacuten VAN y TIR asiacute como el impacto ambiental causado
por esta para el caso de estudio UEB umlGeorge Washingtonuml
4
Capiacutetulo 1 Revisioacuten Bibliograacutefica
En este capiacutetulo se realizoacute una recopilacioacuten seleccioacuten y anaacutelisis de la literatura
consultada que constituye el marco teoacuterico del trabajo Se reconocieron las
contribuciones de otros autores buscaacutendose una loacutegica entre los propoacutesitos
investigativos y el conocimiento que existe acerca del problema que se abordoacute
11 Ciclo termodinaacutemico de la industria azucarera
En la industria azucarera cubana al igual que en todo el mundo se emplea un ciclo
de potencia de vapor especiacuteficamente un ciclo Rankine con algunas desviaciones
Se consideran ciclos de potencia de vapor en los que el fluido de trabajo se evapora
y condensa alternadamente Asimismo se analiza la generacioacuten de potencia
acoplada con un proceso de calentamiento llamada cogeneracioacuten La constante
demanda de eficiencias teacutermicas maacutes altas ha producido algunas modificaciones
innovadoras en el ciclo baacutesico de potencia de vapor Entre eacutestos se estudian ciclos
con recalentamiento y regenerativo asiacute como ciclos combinados de potencia de gas
y vapor El vapor de agua es el fluido de trabajo usado para estos ciclos de potencia
de vapor en la industria azucarera debido a sus muchas y atractivas caracteriacutesticas
como bajo costo disponibilidad y alta entalpiacutea de vaporizacioacuten(Cengel 2012)
El ciclo Rankine ideal simple consta de cuatro procesos que son los siguientes
1-2 Compresioacuten isentroacutepica en una bomba
2-3 Adicioacuten de calor a presioacuten constante en una caldera
3-4 Expansioacuten isentroacutepica en una turbina
4-1 Rechazo de calor a presioacuten constante en un condensador
Figura 1 Ciclo Rankine ideal simple
5
En la industria azucarera este ciclo de potencia no se encuentra asiacute del todo puesto
que se le realizan algunas modificaciones ya que el proceso es el que funciona como
condensador del ciclo y en otros casos como es el de las bioeleacutectricas que se
pretenden instalar se realiza un recalentamiento a la salida de la turbina de alta para
luego ser insertado en una turbina de baja Tambieacuten se colocan calentadores
regenerativos con el fin de calentar el agua a la entrada de la caldera o como se
plantea en este trabajo se puede hibridar con un campo termosolar que funcione
como calentador del agua que entra a la caldera todas estas medidas con el fin de
aumentar la eficiencia del ciclo
Al existir una generacioacuten de potencia en forma de energiacutea eleacutectrica y una demanda
de calor necesaria para el proceso de fabricacioacuten de azuacutecar el ciclo termodinaacutemico
pasa a ser un esquema de cogeneracioacuten (Herrera 2016) el cual se muestra en la
figura siguiente
Lo centrales azucareros convencionales no presentan condensador la funcioacuten de
este la realiza netamente el proceso Por lo que existe una equivalencia entre los
flujos de vapor utilizados para la generacioacuten y los que se usan en el proceso sin
poder realizar un aumento considerable de estos limitando asiacute la generacioacuten de
potencia eleacutectrica En el caso de la bioeleacutectrica no ocurre asiacute puesto que aumentan
los paraacutemetros del ciclo y con este los flujos de la sustancia termoportadora Siendo
necesaria la presencia de un condensador ya que con el proceso no basta para
Figura 2 Ciclo de cogeneracioacuten
6
condensar las enormes cantidades de vapor y que luego puedan ser transportadas
por las bombas asiacutea la caldera
12 Concepto de bioeleacutectrica
Una bioeleacutectrica es una planta de cogeneracioacuten que se construye en un aacuterea aledantildea
al central lo que facilita no detener las zafras durante el periacuteodo de construccioacuten y
montaje Su funcionamiento consiste en un ciclo Rankin con mejoras que consta de
una caldera de alta presioacuten para el proceso de adiccioacuten de calor posteriormente se
expande en una turbina de vapor y se realiza una extraccioacuten para el proceso luego
se condensa el vapor de escape de la turbina y se bombea nuevamente a la caldera
Cuando se realiza su puesta en marcha opera abastecieacutendose de todo el bagazo
producido residuos agriacutecolas y del condensado de vapor puro procedente de los
equipos de calentamiento evaporacioacuten y tachos provenientes de la faacutebrica de azuacutecar
a la que a su vez suministra el vapor de escape de los turbogeneradores para el
proceso de fabricacioacuten del endulzante asiacute como la electricidad que necesita El
excedente eleacutectrico del proceso fabril del azuacutecar se vende al Sistema Eleacutectrico
Nacional (SEN)(Salomoacuten 2018)
13 Planta hiacutebrida
Una planta hiacutebrida se define como una planta que utiliza dos o maacutes recursos
energeacuteticos en este caso solar y biomasa aprovechando las ventajas de cada uno y
disminuyendo sus desventajas como por ejemplo
Se mejora la eficiencia solar eleacutectrica
Se eliminan los arranques y paradas de la turbina que limitan su eficiencia y
encarecen su mantenimiento
Se garantiza un suministro eleacutectrico independientemente del recurso solar Ya no
es necesario el uso de sistemas de almacenamiento para satisfacer la curva de
demanda
Los costes de inversioacuten se reducen se reducen los riesgos de inversioacuten al estar
garantizada la generacioacuten de electricidad Adicionalmente se pueden aprovechar las
instalaciones ya existentes La reduccioacuten en los costes permite operar en lugares con
menor radiacioacuten solar
Sin embargo las plantas hibridas presentan incertidumbre sobre su comportamiento
a lo largo del tiempo debido a la variabilidad temporal del recurso solar de la
demanda eleacutectrica y del solapamiento de ambos Es necesario establecer coacutemo se
van a comportar las instalaciones a lo largo d un antildeo y de este modo poder determinar
su idoneidad bajo unas condiciones de radiacioacuten y de demanda eleacutectrica
dependientes del tiempo(Rodriacuteguez 2015)
7
Los principales componentes que forman parte de una planta hiacutebrida solar-biomasa
se distinguen como el bloque solar el bloque de potencia y la hibridacioacuten
Bloque solar Es donde la energiacutea del sol es convertida en energiacutea teacutermica La
tecnologiacutea solar empleada depende del rango de temperaturas de operacioacuten de la
planta hibrida Es necesario que sean compatibles con las del bloque de potencia
Bloque de potencia es el ciclo termodinaacutemico que convierte la energiacutea teacutermica en
eleacutectrica
Hibridacioacuten es el modo en que el bloque de potencia y el bloque solar son
conectados
14 La energiacutea solar
El Sol es un enorme reactor de fusioacuten nuclear formado por una esfera de materia
gaseosa caliente de 139 millones de kiloacutemetros de diaacutemetro que constituye la
principal fuente de energiacutea para la Tierra situada a una distancia media de 149106
km Debido a la radiacioacuten solar la temperatura en la superficie terrestre es alrededor
de 250ordmC superior a la temperatura que habriacutea en la superficie si eacutesta dependiera
solo del calor interno El Sol radia continuamente una potencia de 38middot1023 kW de
los cuales la Tierra intercepta 17middot1014 kW La energiacutea solar recibida en la atmoacutesfera
exterior de la Tierra en un antildeo se conoce con el nombre de SERPY (Solar Energy
Received Per Year) y corresponde a 155middot1015 MWh cantidad que equivale
aproximadamente a 12000 veces la energiacutea consumida en el mundo si se tienen en
cuenta los datos publicados de produccioacuten y consumo energeacutetico mundial durante el
antildeo 2005 (Petroleum 2006) De la radiacioacuten recibida en la superficie exterior el 30
se refleja al espacio el 47 es absorbido por la atmoacutesfera mares y tierra para
mantener la temperatura ambiente y el restante 23 se usa para mantener la
conveccioacuten atmosfeacuterica y el ciclo hidroloacutegico (Rojas 2013)
La radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera tiene un valor constante de unos 1300 Wm
denominaacutendose constante solar Sin embargo toda esta energiacutea no puede ser
aprovechada debido a diferentes fenoacutemenos que se interponen en su camino desde
el Sol hasta la superficie terrestre Al atravesar la atmoacutesfera las nubes dispersan la
radiacioacuten separaacutendola en radiacioacuten directa y difusa Las sombras causadas por
objetos proacuteximos tambieacuten contribuyen a atenuar el valor de la radiacioacuten Finalmente
el hecho de que la direccioacuten del Sol y la superficie captadora no sea la misma
tambieacuten influye en la disminucioacuten de la constante solar Todos estos factores hacen
que la energiacutea que llega a la Tierra sea de unos 1000 Wm en un diacutea claro a las 12
horas del mediodiacutea solar y a nivel del mar Esta energiacutea no es suficiente para alcanzar
las temperaturas que se requieren por lo que se utilizan elementos concentradores
La energiacutea solar tiene muchas aplicaciones donde ser utilizada Estas actividades se
clasifican en tres grupos generacioacuten teacutermica generacioacuten de trabajo y generacioacuten de
friacuteo El primer grupo contiene la generacioacuten de calor para calefaccioacuten agua caliente
8
sanitaria (ACS) desecacioacuten y refrigeracioacuten Dentro de esta divisioacuten existen
diferencias seguacuten la temperatura alcanzada Podemos distinguir procesos de baja
temperatura que usan colectores planos para ACS hasta 60ordmC procesos de media
temperatura para calefaccioacuten y produccioacuten de friacuteo y procesos de alta temperatura en
la industria La generacioacuten teacutermica tambieacuten incluye la arquitectura bioclimaacutetica La
generacioacuten de trabajo se puede dar de forma teacutermica y de forma fotovoltaica Los
parques de heliostatos o concentradores ciliacutendrico-paraboacutelicos producen vapor que
se utiliza en ciclos de potencia mientras que los paneles fotovoltaicos convierten la
luz en electricidad por medio de semiconductores Por uacuteltimo la generacioacuten de friacuteo
se produce por medio de maacutequinas de absorcioacuten
Las tecnologiacuteas usadas para este tipo de energiacutea son colectores planos para
calefaccioacuten y ACS concentracioacuten en torre discos paraboacutelicos colectores ciliacutendricos
paraboacutelicos y colectores Fresnel para la produccioacuten de electricidad Maacutes adelante se
explicaraacuten con maacutes detalle todas estas tecnologiacuteas
La principal ventaja con la que cuenta la energiacutea solar es que se trata de un recurso
inagotable que estaacute al alcance de todos pero uno de los problemas de esta reside
que la demanda no coincide con la produccioacuten Para ajustar la demanda a la
produccioacuten se hace necesario el uso de sistemas de almacenamiento Otro problema
a tener en cuenta es la intermitencia del recurso solar A lo largo del antildeo hay
numerosos diacuteas en los que las nubes impiden el correcto aprovechamiento de la
energiacutea solar La solucioacuten a este problema es la instalacioacuten de un sistema de apoyo
consistente generalmente en una caldera auxiliar operada con un combustible foacutesil
De este modo se puede prescindir de los sistemas de almacenaje (Paredes 2012)
15 Sistemas teacutermicos solares El objetivo esencial de cualquier sistema teacutermico solar es captar la radiacioacuten que
proviene del sol para transformarla en energiacutea teacutermica de un fluido y transportarla de
la manera maacutes econoacutemica y eficaz posible a un usuario Las aplicaciones del
aprovechamiento solar pueden ser directas en forma de calor o bien indirectas
utilizando este calor para obtener trabajo mecaacutenico en un eje y finalmente
electricidad Entre las tecnologiacuteas existentes hay tres que destacan por su grado de
desarrollo los sistemas de colectores cilindro paraboacutelicos (CCP) los sistemas de
receptor central (SRC) o sistemas de torre central (STC) y los discos paraboacutelicos
(DP) o maacutes propiamente paraboloides de revolucioacuten Tambieacuten existen los sistemas
de concentradores lineales Fresnel (CLF) que a pesar de no estar ampliamente
desarrollados en cuanto a tecnologiacutea se refiere merecen una mencioacuten Aunque los
campos de aplicacioacuten de los Sistemas Termo-solares de Concentracioacuten (CSTS) son
diversos es en los campos de generacioacuten de electricidad vapor de proceso o de
ambos simultaacuteneamente donde estos sistemas han alcanzado su mayor grado de
desarrollo dando lugar a Centrales Energeacuteticas Termo-solares (CETS) Las CETS
son entre los sistemas basados en el aprovechamiento de las energiacuteas renovables
uno de los de mayor potencial de contribucioacuten a la satisfaccioacuten de la demanda
9
energeacutetica especialmente en las regiones situadas en el llamado ldquocinturoacuten solarrdquo
que son aquellas que se encuentran entre las latitudes 35o norte y 35o sur (Paredes
2012)
151 Sistemas de torre central (STC)
Este sistema se caracteriza porque el conjunto colector estaacute compuesto por un grupo
maacutes o menos numeroso de concentradores planos individuales llamados heliostatos
los cuales dirigen la radiacioacuten solar concentrada hacia un receptor central situado en
lo alto de una torre Por tanto la concentracioacuten de la radiacioacuten se produce en tres
dimensiones por lo que el valor de la razoacuten de concentracioacuten es muy elevado asiacute
como las temperaturas que se alcanzan pudiendo llegar eacutestas a los 1500 degC
Figura 3 Esquema de un STC Fuente Greenpeace
A parte de los componentes principales del sistema que se detallan maacutes adelante
para un correcto funcionamiento del sistema se requieren una serie de equipos y
sistemas auxiliares como el sistema de caracterizacioacuten de imaacutegenes blancos
lambertianos para evaluacioacuten de imaacutegenes ajustes de offsets etc
El sistema colector El heliostato es junto con el receptor uno de los componentes
que representa mayor importancia dentro del sistema llegando a suponer hasta un
60 del coste total de la parte solar Su funcioacuten es la de captar la radiacioacuten solar y
redirigirla hacia el receptor
Estaacute compuesto baacutesicamente por una superficie reflectante ndashespejos de vidrio como
los de los CCPs ademaacutes de una estructura soporte mecanismos de movimiento y
un sistema de control
En cuanto al tamantildeo existen de varias dimensiones desde 40 o 50 m2 hasta su
evolucioacuten a los 150 m2 Aunque actualmente se tiende a los heliostatos maacutes
10
pequentildeos pues suponen una simplificacioacuten y abaratamiento en los procesos de
transporte instalacioacuten y puesta en servicio El campo de heliostatos en relacioacuten al
receptor estaacute condicionado en gran parte por la orografiacutea del terreno por el tamantildeo
de la planta y por la disposicioacuten del receptor Las dos formas claacutesicas de colocar los
heliostatos son
Campo circundante heliostatos alrededor de la torre
Campo Norte-Sur heliostatos a un lado de la Torre La orientacioacuten dependeraacute de
en queacute latitud se encuentre el emplazamiento
No obstante existen otras disposiciones que tratan de aprovechar la orografiacutea del
terreno (por ejemplo una ladera orientada al Sur) o usan un concentrador secundario
para evitar los inconvenientes derivados de situar el receptor sobre una torre
La torre La funcioacuten de la torre es la de servir de soporte al receptor que
normalmente debe situarse a una cierta altura sobre el nivel del campo de helioacutestatos
para reducir las sombras y bloqueos entre eacutestos y a diversos elementos auxiliares
(blancos lambertianos sistemas de medida etc) Hasta hoy las torres construidas
han sido de estructuras metaacutelicas o de hormigoacuten
El receptor Es el dispositivo donde se produce la conversioacuten de la radiacioacuten solar
concentrada en energiacutea teacutermica
152 Disco Paraboacutelico (DP)
Los sistemas de discos paraboacutelicos se componen baacutesicamente en un reflector o en
un conjunto de reflectores que tienen forma de paraboloide de revolucioacuten Ademaacutes
poseen un receptor situado en el foco puntual de dicho paraboloide y de un sistema
de generacioacuten eleacutectrica compacto (un motor o una turbina maacutes un alternador) Por lo
general receptor y sistema de generacioacuten suelen formar parte de un mismo conjunto
El principio de funcionamiento es el mismo que para los CCPacutes es decir la radiacioacuten
concentrada por el paraboloide incide sobre el receptor donde se convierte en
energiacutea teacutermica (pudiendo alcanzar los 1500 oC que permite generar electricidad Los
elementos principales del colector Disco Paraboacutelico son los siguientes
Concentrador La forma de la superficie reflexiva en este tipo de sistema es la de
un paraboloide de revolucioacuten cuyo tamantildeo depende de la potencia nominal y de la
energiacutea que se desea generar en un determinado tiempo y bajo unas condiciones de
radiacioacuten determinadas
Receptor Es un sistema de discos paraboacutelicos que tienen dos funciones
fundamentales por un lado la de absorber la radiacioacuten solar reflejada por el
concentrador y por el otro transferir la energiacutea absorbida al fluido de trabajo de la
maacutequina asociada Hasta la fecha existen dos tipos de reflectores tubos
directamente iluminados por la reflexioacuten de los rayos y receptores de reflujo
11
Sistema de Seguimiento Con objeto de seguir la posicioacuten del sol en todo momento
los discos paraboacutelicos realizan un seguimiento de eacuteste en dos ejes Se realiza seguacuten
dos tipos de montaje
Seguimiento en acimut-elevacioacuten en el que el movimiento se realiza seguacuten dos
ejes el vertical y el horizontal
Seguimiento polar en el que el movimiento en un eje es muy lento pues solo se
debe seguir las variaciones estacionales del sol y el movimiento en el otro eje es a
velocidad constante
Actualmente el uso de discos paraboacutelicos para generar electricidad se encuentra en
fase de desarrollo en algunas plantas experimentales como la de Planta Solar de
Almeriacutea pero la falta de fiabilidad y su elevado coste constituyen los principales
obstaacuteculos para su introduccioacuten real en la generacioacuten eleacutectrica En cambio
atendiendo a la misma forma estructural y con el mismo principio de reflexioacuten en un
foco puntual del paraboloide de revolucioacuten es muy comuacuten encontrar a nivel
particular cocinas solares
Figura 4 Esquema de un Disco Paraboacutelico Fuente Greenpeace
12
153 Concentrador lineal Fresnel
Esta tecnologiacutea es la maacutes nueva de las cuatro que actualmente hay disponible para
los sistemas solares de concentracioacuten Son captadores de foco lineal en los que
largos reflectores que poseen ejes de giros independientes y paralelos reflejan la
radiacioacuten solar directa sobre un tubo receptor situado sobre ellos Es la tecnologiacutea
maacutes joven de las cuatro descritas por lo que existen actualmente solo dos plantas
comerciales en funcionamiento con una potencia eleacutectrica total de 64 MWe
Figura 5 Concentrador Lineal Fresnel
154 Colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Esta tecnologiacutea cilindro-paraboacutelica basa su funcionamiento en seguimiento solar y en
la concentracioacuten de los rayos solares en unos tubos receptores de alta eficiencia
teacutermica localizados en la liacutenea focal de los cilindros En estos tubos un fluido
transmisor de calor tal como aceite sinteacutetico es calentado aproximadamente a
400ordmC por los rayos solares concentrados El aceite es bombeado a traveacutes de una
serie de intercambiadores de calor para producir vapor sobrecalentado El calor
presente en este vapor se convierte en energiacutea eleacutectrica en una turbina de vapor
convencional Los colectores cilindro-paraboacutelicos se emplean maacutes a escala industrial
de 10 a 100 MW para la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica en un campo solar y en un
sistema de potencia En el campo solar la energiacutea de la radiacioacuten solar se transforma
en energiacutea teacutermica en una serie de filas paralelas de colectores cilindro-paraboacutelicos
cada uno de ellos con seguimiento solar La eficiencia durabilidad y costo de una
central con colectores cilindro-paraboacutelicos depende fuertemente de la estructura y
robustez del colector Un moacutedulo colector generalmente compuesto de elementos
de 12 m de largo conectados en serie puede tener hasta 150 m de longitud Sus
espejos paraboacutelicos reflejan la radiacioacuten solar y la concentran sobre un tubo
absorbente en su liacutenea focal (Sebastiaacuten 2011)
13
A principios del siglo pasado (1912) la primera planta de canal paraboacutelico fue
construida en Meadi Egipto para bombeo de agua Con 79 plantas 31425 MW
instalados esta tecnologiacutea es la maacutes madura de las tecnologiacuteas CSP (maacutes de 100
antildeos de experiencia en operacioacuten) (GESIME 2014)
Las primeras centrales con colectores cilindro-paraboacutelicos operan comercialmente en
California desde 1985 En este periodo de tiempo han generado maacutes de doce mil
millones de kilowatts hora de electricidad lo que es suficiente para suministrar
electricidad a aproximadamente doce millones de personas durante un antildeo Al igual
que en centrales teacutermicas con combustibles convencionales y tambieacuten en centrales
nucleares la corriente se genera en las centrales solares teacutermicas con una turbina a
vapor y un generador acoplado (Martiacuten 2017)
El Sistema de Generacioacuten de Energiacutea solar (en ingleacutes Solar Energy Generating
System SEGS) es un conjunto de nueve plantas con una capacidad total de 350 MW
Actualmente es el sistema solar operacional maacutes grande (tanto del tipo termal o no)
La planta Nevada Solar One tiene una capacidad de 64 MW Estaacuten en construccioacuten
las plantas Andasol 1 y 2 en Espantildea cada planta tiene una capacidad de 50 MW sin
embargo estas plantas son de un disentildeo que tiene un sistema de almacenamiento
de calor que requiere un terreno con colectores solares mayor en relacioacuten al tamantildeo
del que deberiacutea tener para su generacioacuten El almacenamiento de calor permite una
mejor utilizacioacuten de las turbinas de vapor Con una operacioacuten diurna y parcialmente
nocturna la turbina de vapor de Andasol 1 con una capacidad de punta de 50 MW
produce maacutes energiacutea que Nevada Solar One con una capacidad de punta de 64 MW
debido al sistema de almacenamiento de calor y un terreno de colectores maacutes grande
que posee la planta de Andasol 1(httpwwwwikipediaorg 2017)
Existiacutea la propuesta de instalar 553 MW adicionales en el Mojave Solar Park
California (David 2007) pero este proyecto fue cancelado en el antildeo 2011 Tambieacuten
IBERDROLA (2013) puso en marcha en Egipto la central de Kuraymat de 150
megavatios (MW) de potencia Se trata de una instalacioacuten pionera en el mundo dado
que incorpora una tecnologiacutea que utiliza de forma combinada el gas y la energiacutea solar
lo que contribuye a disminuir las emisiones de CO2 y a mejorar el rendimiento global
de la planta Tambieacuten se generan 25 MW de vapor como aporte para una planta de
gas en Hassi Rmel Argelia (wwwsolarbuzzcom 2016)
El gobierno de India ha comenzado a desarrollar una iniciativa llamada Jawaharlal
Nehru National Solar Mission (tambieacuten conocida como la misioacuten solar nacional) para
resolver el problema de abastecimiento de energiacutea eleacutectrica
(httpwwwwikipediaorg 2017)
14
Figura 6 Esquema de un CCP Fuente Greenpeace
En la figura 6 se pueden ver los elementos principales del conjunto del colector de
forma maacutes detallada se definen del siguiente modo
El Reflector Ciliacutendrico Paraboacutelico su misioacuten es la de reflejar y concentrar sobre el
Receptor la radiacioacuten solar directa incidente sobre la superficie A grandes rasgos es
un espejo curvo que forma en una de sus dimensiones una paraacutebola de forma que
concentra sobre su liacutenea focal toda la radiacioacuten reflejada Entre los materiales usados
para la reflexioacuten encontramos plaacutesticos recubiertos con peliacuteculas de plata o aluminio
chapas metaacutelicas o el maacutes usado vidrios sobre los que se depositan una capa de
plata junto con un protector de base de cobre y pintura epoxi
El tubo de absorcioacuten o Receptor El tubo absorbedor consta de dos tubos
conceacutentricos separados por un espacio de vaciacuteo El tubo interior por el que circula
el fluido calo-portador es metaacutelico y el exterior es de cristal
El tubo interior es tratado con un recubrimiento metaacutelico selectivo que puede consistir
en una fina capa de cromo niacutequel cobalto o alguacuten otro acabado logrado por
Sputtering o Deposicioacuten Fiacutesica de Vapor (PVD por sus siglas en ingleacutes) Dicho
recubrimiento otorga al tubo sus propiedades uacutetiles para eacuteste uso elevada
absortividad a lo largo de todo el espectro solar y una baja emisividad en el espectro
infrarrojo lo cual se traduce en un elevado rendimiento teacutermico El tubo exterior de
vidrio cumple dos propoacutesitos de igual importancia el primero es proteger el
recubrimiento selectivo del tubo interior y minimizar las perdidas teacutermicas por
conveccioacuten Para aumentar el rendimiento oacuteptico del captador es comuacuten la utilizacioacuten
de un tratamiento antireflexivo en ambas caras del tubo de vidrio que logra mejorar
15
la transmisividad Para lograr mantener el vaciacuteo necesario entre los dos tubos se suele
soldar cada tubo el de vidrio y el de metal por separado a un fuelle metaacutelico que
soporta las diferentes dilataciones de cada material al variar la temperatura Con esto
se logra flexibilizar la unioacuten entre los dos tubos evitando grietas por las que pudiera
ingresar aire al vaciacuteo Otro mecanismo que se utiliza para mantener el vaciacuteo son los
llamados getters en ingleacutes que son colocados en el vaciacuteo debido a su propiedad de
reaccionar quiacutemicamente o por absorcioacuten con cualquier moleacutecula de gas que pudiera
penetrar al espacio confinado atrapaacutendolo y asiacute manteniendo el espacio libre de
cualquier elemento
Figura 7 Esquema del tubo de absorcioacuten o Receptor
El Sistema de Seguimiento Solar El seguimiento del Sol se hace con el objetivo
de aprovechar la mayor parte de horas posibles de luz de forma que la radiacioacuten
solar llegue lo maacutes perpendicularmente posible al colector y se mantengan en el foco
lineal continuamente Los CCPacutes pueden tener seguimiento a dos ejes o a un uacutenico
eje Normalmente el seguimiento se realiza a un eje pues mecaacutenicamente es maacutes
sencillo esto implica menos costos y menores peacuterdidas teacutermicas por no haber
tuberiacuteas pasivas La orientacioacuten puede ser Norte-Sur o Este-Oeste Los mecanismos
de accionamiento que mueven al colector pueden ser eleacutectricos (apropiado para
equipos pequentildeos) hidraacuteulicos (para lazos de colectores) y mecaacutenicos (reloj de
pesas) (Paredes 2012)
16
Figura 8 Esquema del seguimiento solar a un eje de un CCP Fuente Greenpeace
Cimentacioacuten y estructura metaacutelica La cimentacioacuten soporta los colectores y los fija
al suelo de forma que el conjunto estructural soporte las cargas para las que fue
disentildeado La misioacuten de la estructura metaacutelica del colector es la de dar rigidez al
conjunto de elementos que lo componen a la vez que hacer de interface con la
cimentacioacuten del propio colector (Hidalgo 2012)
La tecnologiacutea cilindro paraboacutelica es una tecnologiacutea limpia madura y con un extenso
historial que demuestra estar preparada para la instalacioacuten a gran escala Esta
tecnologiacutea lleva siendo instalada a nivel comercial desde los antildeos 80 con un
excepcional comportamiento Desde entonces ha experimentado importantes
mejoras a nivel de costes y rendimientos Actualmente hay maacutes de 1 GWe en
operacioacuten maacutes de 800 MWe en construccioacuten y maacutes de 2 GWe en promocioacuten a nivel
mundial Por lo que es esta la tecnologiacutea maacutes segura a aplicar
16 Orientacioacuten del colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Los captadores cilindro paraboacutelicos suelen estar instalados en los campos solares de
tal manera que sus ejes de rotacioacuten queden orientados bien Norte-Sur o bien Este-
Oeste Con la configuracioacuten Este-Oeste las variaciones estacionales suelen ser
pequentildeas permitiendo tener un aporte teacutermico maacutes estable durante el antildeo a costa
de perder parte de la energiacutea anual disponible Con la configuracioacuten Norte-Sur esa
energiacutea anual suministrada es optimizada al maacuteximo con el punto en contra de tener
variaciones estacionales mucho mayores que con la configuracioacuten Este-Oeste que
en ocasiones y dependiendo de la latitud y de las condiciones atmosfeacutericas del
emplazamiento pueden suponer relaciones de 3 a 1 entre verano e invierno En el
caso de la planta Termo solar acoplada al economizador de la caldera para la
produccioacuten de electricidad de la UEB umlGeorge Washingtonuml se ha realizado el disentildeo
atendiendo al criterio de maximizacioacuten del aporte energeacutetico anual por lo que la
configuracioacuten elegida es la Norte-Sur
17
17 Peacuterdidas en un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Cuando la radiacioacuten solar alcanza la superficie de un colector paraboacutelico se pierde
una cantidad importante de ella debido a diferentes factores El total de las peacuterdidas
se puede dividir en tres grupos
171 Peacuterdidas geomeacutetricas Provocan la disminucioacuten del aacuterea efectiva de captacioacuten
solar de los colectores En un CCP se dividen en peacuterdidas debidas a la posicioacuten
relativa de los colectores entre siacute los cuales se pueden dar sombra unos a otros y
las peacuterdidas inherentes a cada colector que son motivo del aacutengulo de incidencia el
cual provoca que en los extremos del colector haya una peacuterdida de superficie reflexiva
uacutetil La existencia del aacutengulo de incidencia tambieacuten afecta a los valores de la
reflectividad absortividad y transmisividad ya que estos paraacutemetros presentan su
valor maacuteximo cuando el aacutengulo de incidencia es 0deg (Hidalgo 2012)
172 Peacuterdidas oacutepticas Se deben a imperfecciones en los materiales que componen
el colector la superficie del concentrador no es un reflector perfecto ni el vidrio del
tubo absorbedor es completamente transparente ni el recubrimiento selectivo del
tubo metaacutelico es un absorbedor perfecto Los cuatro paraacutemetros que intervienen en
las peacuterdidas oacutepticas de un canal paraboacutelico son la reflectividad de los espejos
paraboacutelicos la absortancia del tubo metaacutelico la transmitancia de la cubierta de vidrio
y el factor de interceptacioacuten (Hidalgo 2012)
Reflectancia ρ no toda la energiacutea incidente es reflejada hacia el tubo
absorbedor
Absortancia α cantidad de radiacioacuten que absorbe la superficie selectiva del
tubo metaacutelico
Transmitancia 120591 de aquella radiacioacuten que intercepta el tubo de vidrio solo
una parte consigue atravesarlo
Factor de interceptacioacuten γ no toda la radiacioacuten reflejada por los espejos
acaba incidiendo sobre el tubo absorbedor Las causas son diversas imperfecciones
en los espejos un mal posicionamiento de los colectores etc
173 Peacuterdidas teacutermicas Principalmente se encuentran asociadas a dos elementos
del sistema el tubo absorbedor y las tuberiacuteas de fluido teacutermico Las perdidas
asociadas estaacuten formadas por perdidas por conduccioacuten por conveccioacuten y por
radiacioacuten de los diferentes medios que conforman el conjunto del tubo absorbedor
es decir por el tubo metaacutelico la cubierta de cristal y la atmosfera De manera que
la potencia teacutermica disipada en el colector equivale a la suma de las peacuterdidas teacutermicas
en el receptor y las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas por donde circula el fluido
teacutermico (HTF) (Hidalgo 2012)
18
Peacuterdidas teacutermicas en el aceite teacutermico (HTF)
Las peacuterdidas teacutermicas asociadas al tubo absorbedor (119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905) se deben a la
diferencia de temperaturas entre eacuteste y el ambiente pudiendo ser por conduccioacuten
por radiacioacuten y por conveccioacuten desde el tubo absorbedor al ambiente Aunque cada
una de estas peacuterdidas podriacutea calcularse aplicando las ecuaciones que rigen los
mecanismos de transferencia de calor antes mencionados en la praacutectica las
peacuterdidas teacutermicas globales en un colector se cuantifican mediante ecuaciones
experimentales (Hidalgo 2012)
18 Rendimiento de un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Como consecuencia de todas las peacuterdidas oacutepticas geomeacutetricas y teacutermicas que
existen en un CCP la energiacutea teacutermica uacutetil que da un CCP es menor que la que dariacutea
en condiciones ideales cuando no existieran dichas peacuterdidas
En un CCP se suelen definir tres rendimientos diferentes y un paraacutemetro
I) Rendimiento oacuteptico con un aacutengulo de incidencia de 0ordm (rendimiento oacuteptico pico)
Tiene en cuenta todas las peacuterdidas oacutepticas que tienen lugar en el colector con un
aacutengulo de incidencia de 0ordm Su valor viene dado por el producto de estos cuatro
factores reflectividad de los espejos transmisividad del tubo de vidrio factor de
interceptacioacuten (que tiene en cuenta la parte de radiacioacuten reflejada que por cualquier
causa no alcanza el absorbente) y absortividad de la superficie selectiva que recubre
el tubo metaacutelico absorbente
II) Rendimiento teacutermico Considera todas las peacuterdidas teacutermicas que tienen lugar en
el colector
III) Rendimiento global Considera todas las peacuterdidas tanto oacutepticas como
geomeacutetricas y teacutermicas que tienen lugar en el colector
IV) Modificador por aacutengulo de incidencia Considera todas las peacuterdidas oacutepticas y
geomeacutetricas que tienen lugar en el colector para un aacutengulo de incidencia ϕ ne 0ordmy que
no se tienen en cuenta en rendimiento oacuteptico (peacuterdidas geomeacutetricas de final de
colector bloqueo de la radiacioacuten concentrada por parte de los soportes del tubo
absorbente e influencia del aacutengulo de incidencia en la absortividad y transmisividad
del tubo absorbente y en la reflectividad de los espejos) (Paredes 2012)
19 Disentildeos hiacutebridos
En general las formas de concentracioacuten de la energiacutea solar se pueden dividir en
tecnologiacuteas lineales y de enfoque puntual Los canales paraboacutelicos y los colectores
lineales Fresnel pertenecen a las tecnologiacuteas de enfoque lineal mientras que las
tecnologiacuteas de enfoque de puntos principales son el receptor central (torre solar) y el
reflector paraboacutelico (disco) Desde el punto de la disponibilidad del mercado y el
estado actual de desarrollo para el presente estudio de caso se han elegido las
siguientes tres opciones de tecnologiacutea Lineal Fresnel (LF) Ciliacutendrico Paraboacutelico
19
(CCP) y Torre Central (STC) Para todas las opciones de CSP nombradas hay
diferentes configuraciones de tecnologiacuteas posibles cuyo rango se muestra en la tabla
1 (E Burin 2016)
Tabla 1 Rangos para las 3 tecnologiacuteas posibles
Unidad LF CCP STC
Fluido teacutermico
(HTF)
- Aceite teacutermico
Agua
Sal
Aceite teacutermico
Agua
sal
Agua
Sal
Aire
Concentracioacuten - 25-100 70-80 300-1000
Rango de
temperatura
oC 380-600(ST) 380-600(ST) 565(ST)
Performance MWel 10-200 10-200 10-150
Capacidad de
corriente instalada
1 88 11
Proporcioacuten de las
obras (2012)
6 75 18
(ST) Steam Turbine
Fuente(Reuszlig 2012 Pitz-Paal 2013 REN 2013)
Debido a la diferente etapa de desarrollo teacutecnico de las tres tecnologiacuteas de CSP y
sus HTF para el estudio de caso se examinaron las siguientes combinaciones CCP
(aceite teacutermico) LF (agua vapor) y STC (agua vapor)
En cuanto a los disentildeos de integracioacuten de las tres tecnologiacuteas de CSP elegidas
desde el punto de vista termodinaacutemico es esforzarse por alcanzar un nivel de
temperatura lo maacutes alto posible para el calor solar agregado Por esa razoacuten el calor
solar agregado se usoacute aquiacute para proporcionar calor para el precalentamiento del agua
de alimentacioacuten a alta presioacuten asiacute como para la produccioacuten paralela de vapor
saturado y vapor vivo en paralelo con los generadores de vapor de bagazo Los
diagramas de flujo de proceso de los tres disentildeos de integracioacuten se muestran en la
siguiente figura
20
Figura 9 Diagramas de flujo de proceso de los tres disentildeos de integracioacuten posibles
En el disentildeo 1 el calor solar reemplaza completamente la extraccioacuten a alta presioacuten
de la turbina CEST Para este propoacutesito el campo solar proporciona en el punto de
disentildeo un rendimiento teacutermico equivalente a la demanda de calor requerida para el
calentador de agua de alimentacioacuten de alta presioacuten Debido al modo de operacioacuten de
ahorro de combustible este reemplazo y la cantidad reducida de bagazo quemado
afecta el rendimiento de la turbina CEST asiacute como la liacutenea de calentamiento del agua
de alimentacioacuten Debido a que no se realiza la extraccioacuten de vapor de alta presioacuten en
el tiempo en que el campo este trabajando se seleccionoacute las tecnologiacuteas CCP y LF
Cabe sentildealar que no es posible una operacioacuten de solo solar
El disentildeo de integracioacuten 2 permite una produccioacuten paralela de vapor saturado con
calor solar para reducir el consumo de bagazo Por lo tanto parte del flujo de masa
de agua de alimentacioacuten principal que va a los generadores de vapor se desviacutea Este
flujo maacutesico secundario pasa en el caso de CCP a traveacutes de un generador de vapor
solar tiacutepico mientras que en el caso de la LF se alimenta directamente al campo
solar En ambos casos se produce vapor saturado a 67 bar que luego se une al flujo
de masa principal dentro de los generadores de vapor para el sobrecalentamiento
En consecuencia el disentildeo de integracioacuten 2 solo afecta el rendimiento de los
21
generadores de vapor mientras que las condiciones de vapor vivo permanecen
iguales Al mantener el estudio de caso cerca de la viabilidad teacutecnica deben
respetarse las condiciones teacutecnicas de contorno de los generadores de vapor Con
el fin de evitar fuertes desequilibrios en estos componentes se asumioacute que se permite
reducir la carga del generador de vapor a un nivel miacutenimo del 85 Del mismo modo
este disentildeo no permite una operacioacuten solo solar
En el disentildeo de integracioacuten 3 el calor solar desplaza al generador de vapor de
carga teacutermica Una parte del agua de alimentacioacuten se deriva de los generadores de
vapor A medida que pasa a traveacutes del sistema de torre solar se produce vapor
sobrecalentado a 520 deg C y 67 bar Esta integracioacuten afecta solo el rendimiento teacutermico
de los generadores de vapor mientras que el ciclo agua vapor se opera en modo
normal En comparacioacuten con el disentildeo de integracioacuten 2 la operacioacuten de los
generadores de vapor se simplifica Eso significa que los generadores de vapor
funcionan aquiacute con una carga parcial normal de 100 a 65 de carga Con respecto
a eso al permitir una carga miacutenima del generador de vapor del 65 en el punto de
disentildeo solar la torre solar fue disentildeada para proporcionar todo el calor restante
necesario Cabe sentildealar que para el disentildeo de integracioacuten 3 es posible una
operacioacuten solo solar cuando la instalacioacuten de cantildea de azuacutecar estaacute fuera de servicio
Tabla 2 Muacuteltiplo solar simulado seguacuten la tecnologiacutea de CSP
Disentildeo Tecnologiacutea Muacuteltiplo solar
simulado
Disentildeo 1 CCP
LF
09 - 14
08 - 14
Disentildeo 2 CCP
LF
09 - 13
08 - 14
Disentildeo 3 STC 08 - 40
Seleccioacuten del Disentildeo y la tecnologiacutea
Luego del anaacutelisis acerca del disentildeo y la tecnologiacutea a emplear en este proyecto se
decidioacute elegir la tecnologiacutea de colectores ciliacutendricos paraboacutelicos (CCP) y el disentildeo
nuacutemero 1 Los colectores de canal paraboacutelico son los maacutes empleados en el mundo
actualmente y lleva siendo instalada a nivel comercial desde los antildeos 80 con un
excepcional comportamiento Desde entonces ha experimentado importantes
mejoras a nivel de costes y rendimientos Hoy diacutea hay maacutes de 1 GWe en operacioacuten
maacutes de 800 MWe en construccioacuten y maacutes de 2 GWe en promocioacuten a nivel mundial
22
Para las condiciones de nuestro paiacutes esta tecnologiacutea pudiera ser la maacutes factible y
segura tambieacuten contamos en Cuba con industrias que poseen capacidad
maquinaria y herramientas para llegar a construir gran parte del equipo como las
bases y estructuras metaacutelicas teniendo que importarse solamente el tubo
absolvedor Reduciendo esto los costos en gran medida ejemplo de esto es la faacutebrica
de antena de Santa Clara que ya han construido maquetas de un equipo de esta
tecnologiacutea y se encuentran en condiciones de comenzar una produccioacuten a mayor
escala
110 Influencia de la industria azucarera en Cuba
La escasez de recursos energeacuteticos primarios junto con la afectacioacuten ambiental
resultante de la utilizacioacuten irracional de la energiacutea asociada a la actividad humana
obliga a la buacutesqueda de fuentes alternativas en especial fuentes renovables de
energiacutea La biomasa ha sido fuente de energiacutea desde tiempos inmemoriales fue de
hecho el primer combustible que empleoacute el hombre pero no obstante sus milenios
de utilizacioacuten la biomasa continuacutea ocupando un lugar importante en la matriz
energeacutetica a nivel mundial y continuaraacute sieacutendolo La biomasa es un combustible
renovable se encuentra ampliamente distribuida a nivel mundial y resulta en muchas
ocasiones un subproducto de ciertos procesos productivos (agriacutecolas e industriales)
En Cuba existen diferentes tipos de biomasa con posibilidades econoacutemicas de
empleo entre las maacutes importantes estaacuten el bagazo y los residuos agriacutecolas de la
cantildea de azuacutecar la lentildea y el raleo de los bosques el marabuacute la cascara de arroz y
los residuos del cafeacute En la proyeccioacuten estrateacutegica de la generacioacuten de electricidad en
Cuba para el 2030 se considera que las fuentes renovables de energiacutea alcanzaran
el 24 del total (en la actualidad representan el 43 ) y la biomasa representaraacute el
14 del total por lo que ella representaraacute el 58 de la electricidad obtenida con
fuentes renovables Este proceso de generacioacuten de electricidad con biomasa se
centraraacute casi totalmente en la industria azucarera lo que conlleva a un problema
fundamental que consiste en que la zafra se realiza en tan solo 5 meses
aproximadamente y se necesita que la generacioacuten sea durante todo el antildeo En la
actualidad existen tecnologiacuteas disponibles y posibilidades para su empleo que
permiten valorar diferentes alternativas para incrementar sustantivamente el
potencial de generacioacuten eleacutectrica de los centrales azucareros como son las
bioeleacutectricas las cuales se plantea la instalacioacuten de alrededor de 25 en toda Cuba lo
que requiere de un suministro adicional de combustible para el resto del antildeo en que
no hay zafra Para esto planteamos en este trabajo la hibridacioacuten con un campo termo
solar que permita el ahorro de combustible y su posterior uso en los meses en que
no hay zafra
En nuestro paiacutes se sigue una poliacutetica de desarrollo sostenible y se ha comenzado
una serie de proyectos en la industria azucarera buscando modificaciones que
permitan un aumento en la energiacutea generada por toneladas de cantildea molida Para
23
esto se valoran aspectos como la variacioacuten de los paraacutemetros de explotacioacuten (presioacuten
y temperatura) de las plantas generadoras y las que consumen vapor mejorar el
secado del bagazo que se quema en las calderas hibridar los generadores de vapor
con energiacutea solar y aumentar la entrega al SEN haciendo un uso eficiente de la
electricidad que se consume asiacute como evitar las paradas imprevistas
Las Bioeleacutectricas suscitan hoy creciente intereacutes en el mundo y en Cuba ante la
necesidad de produccioacuten de energiacutea compatible con el medio ambiente Actualmente
una decena de naciones son paradigmas en el uso de esas instalaciones Isla
Reunioacuten India Isla Mauricio Australia Isla Guadalupe Belice Guatemala Estados
Unidos Costa Rica China y particularmente Brasil que posee 160 de 188 existentes
en el orbe Globalmente estas unidades tienen un potencia instalada de maacutes 2800
megavatios y de esa cifra al menos dos mil corresponden a Brasil secundado en
cuanto a cantidad de Bioeleacutectricas por India (14) Isla Mauricio (3) Isla Reunioacuten (2)
mientras que los restantes paiacuteses mencionados poseen una individualmente
(Salomoacuten 2016)
111 Propuesta para la hibridacioacuten de la bioeleacutectrica con energiacutea renovable
En el paiacutes se lucha hoy por un acercamiento hacia las tecnologiacuteas de energiacutea
renovables Con el propoacutesito de convertir todos los sistemas de generacioacuten de
energiacutea eleacutectrica en sistemas maacutes compatibles con el medio ambiente La hibridacioacuten
de la caldera del central George Washington consiste en disentildear un campo de
Colectores Ciliacutendricos Paraboacutelicos prototipo (EUROTrough-150) Con el fin de elevar
la temperatura del agua proveniente del proceso hasta los 260 oC e inyectarla al
economizador de la caldera para ahorrar bagazo que pudiera ser utilizado en los
restantes meses del antildeo cuando no hay zafra para la produccioacuten de energiacutea eleacutectrica
y su entrega al sistema energeacutetico nacional En el siguiente esquema se muestra la
propuesta planteada para la hibridacioacuten
24
Figura 10 Esquema de la hibridacion con colectores solares
25
Seguacuten un documento sobre eficiencia energeacutetica emitido por el Instituto Cubano de
Investigaciones Azucareras (ICINAZ) a todos los centrales del paiacutes se hace relacioacuten
en cuanto a la temperatura del agua de alimentacioacuten de la caldera y cuanto incide
esto en la eficiencia de dicha caldera Quedando que por cada 5 ordmC que se
incrementa la temperatura del agua de alimentacioacuten se incrementa 1 la eficiencia
de la caldera Siendo esto una justificacioacuten razonable para la propuesta planteada
que eleva la temperatura del agua de alimentacioacuten de 166 ordmC a 260 ordmC Alterando
la temperatura unos 94 ordmC influyendo esto en el aumento de la eficiencia en 18
puntos porcentuales
Conclusiones parciales
En este capiacutetulo se realizoacute una amplia revisioacuten bibliograacutefica que abordoacute el estado
del arte y avances tecnoloacutegicos maacutes importantes para los temas relacionados con
esta investigacioacuten que fueron el de energiacutea solar teacutermica y todo lo relacionado con
las bioeleacutectricas a nivel mundial y en nuestro paiacutes Tambieacuten se realizoacute un anaacutelisis
exhaustivo para la determinacioacuten de la tecnologiacutea de sistemas de concentracioacuten
solar lo que resulto que el sistema de Colectores Ciliacutendricos Paraboacutelicos prototipo
EUROTrough-150 es el maacutes factible para su instalacioacuten en Cuba y posteriormente
pudiera ser fabricado por industrias nacionales El disentildeo de incorporacioacuten del
campo al esquema termodinaacutemico de la bioeleacutectrica resulto ser maacutes factible y de
menores transformaciones tecnoloacutegicas en la estructura del central el de
incorporarlo antes de la caldera y que este inyecte el agua calentada directamente
al economizador realizando el salto teacutermico del agua en un intercambiador de calor
existente en la interseccioacuten del campo con la tuberiacutea del agua proveniente de las
bombas
26
Capiacutetulo 2 Materiales y Meacutetodos En este capiacutetulo se describen los programas y foacutermulas utilizadas para el caacutelculo de los objetivos planteados
La presente investigacioacuten se realizoacute desde enero hasta mayo del 2018 Para la realizacioacuten de los caacutelculos se utilizaron los softwares Engineering Equation Solver (EES) (2004) Matlab (2010) y Excel (2016)
Tabla 3 Condiciones de frontera para la bioeleacutectrica
21 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB uml George Washington uml
En este apartado se realizaraacute la evaluacioacuten del recurso solar disponible en el emplazamiento analizado El estudio del potencial solar en el emplazamiento consiste en el anaacutelisis de los datos de radiacioacuten disponibles el tratamiento de los mismos la estimacioacuten de las variabilidades asociadas y el caacutelculo de la produccioacuten una vez consideradas todas las peacuterdidas A la hora de evaluar el recurso solar y a falta de una medida precisa y especiacutefica en el propio emplazamiento se ha recurrido a diversas fuentes para la obtencioacuten de datos de radiacioacuten con el fin de realizar un ajuste estadiacutestico de los mismos y minimizar los errores asociados a ellos
Para el caacutelculo del potencial solar en la zona del central umlGeorge Washingtonuml fue necesario calcular la radiacioacuten solar directa (DNI) que incide en ese lugar y la duracioacuten diurna del diacutea
211 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa
Para el caacutelculo de la radiacioacuten solar directa en la zona de la UEB uml George Washington uml se tomaron como coordenadas de referencia la latitud y la longitud Lat 22587 Long -80244
Para ello se utilizaron modelos estadiacutesticos que permitieron obtener varios valores de radiacioacuten solar directa (DNI) teniendo en cuenta la posicioacuten geograacutefica del lugar y el diacutea del antildeo que se analiza dicha radiacioacuten En este caso se usoacute la foacutermula para condiciones normales
DNI = 1230 ∙ e^ (minus1
38∙cos∙(120579120579120579minus16)) (1)
27
Doacutende
Aacutengulo de incidencia solar θs El valor del aacutengulo de incidencia (θs) sobre la normal a una superficie plana estaacute dado por la siguiente foacutermulaθs
120579119904 = cosminus1(sin 119889 ∙ sin 119871 ∙ cos 119904 minus sin 119889 ∙ cos 119871 ∙ sin 119904 ∙ cos 119892 + cos 119889 cos 119871 ∙ cos 119904 ∙ cos 119908 +cos 119889 ∙ sin 119871 ∙ sin 119904 ∙ cos 119908 ∙ cos 119892 + cos 119892 ∙ sin 119904 ∙ sin 119892 ∙ sin 119908) (2)
Doacutende
d- Aacutengulo de declinacioacuten L- Latitud geograacutefica s- Inclinacioacuten del colector g- Orientacioacuten del colector w- Aacutengulo horario
212 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea (nuacutemero de horas en que el sol estaacute
sobre el horizonte)
119915 = 120784 ∙119934119930
120783120787 (3)
Doacutende
119830119826 = 119836119848119852minus120783(minus 119853119834119847 119923 ∙ 119853119834119847 119941) (4)
L-Latitud geograacutefica
d-Declinacioacuten
Se compararon los resultados de DNI por la metodologiacutea utilizada en este trabajo con la base de datos de la NASA (httpeosweblarcnasagovsse 2017)
Aun asiacute los lugares para desarrollar aplicaciones de energiacutea solar teacutermica por concentracioacuten deben cumplir con unos estaacutendares de acuerdo a la radiacioacuten solar perpendicular a la superficie incidente sobre un metro cuadrado para que sea eficiente dicha instalacioacuten lo cual se valora de la siguiente manera
Se tuvieron en cuenta los valores de radiacioacuten solar directa (kWm2diacutea) (GESIME 2014)
No idoacuteneos Hasta 1700 kWhmsup2antildeo (47 kWhmsup2diacutea)
Idoacuteneos Entre 1700 y 2700 kWhmsup2antildeo (47 y 74 kWhmsup2diacutea)
Oacuteptimos Maacutes de 2700 kWhmsup2antildeo (74 kWhmsup2diacutea)
28
213 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
El colector ciliacutendrico paraboacutelico que se propuso fue el (Eurotrough-150) cuyas caracteriacutesticas se observaran en la tabla4 y figura 11
Tabla 4 Caracteriacutesticas del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico Eurotrough-150 (ET-150)
Figura 11 Prototipo EUROTrough en la Plataforma Solar de Almeriacutea Espantildea
Para el caacutelculo del rendimiento global de un Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico hay que realizar un balance energeacutetico teniendo en cuenta las peacuterdidas que suceden en el mismo
Caracteriacutesticas um
Ancho de apertura 577 m
Longitud total de cada colector 150 m
Aacuterea de apertura del colector 8175 m2
Longitud focal 171 m
Longitud del absorbedor 41 m
Radio exterior del absorbedor 0035 m
Radio interior del absorbedor 00325 m
Distancia entre filas de colectores 17 m
Rendimiento Oacuteptico pico 78
Factor de ensuciamiento 95
Disponibilidad 97
29
214 Peacuterdidas geomeacutetricas
La geometriacutea del canal paraboacutelico lleva asociada una disminucioacuten del aacuterea efectiva de captacioacuten Estas peacuterdidas se dividen en dos grupos Peacuterdidas debidas a la posicioacuten relativa de los colectores los cuales se pueden dar sombra unos a otros Peacuterdidas inherentes a cada colector son las debidas al aacutengulo de incidencia de
la radiacioacuten solar (g) respecto a la normal del plano de apertura del colector (figura
12)
Figura 12 Aacutengulo de incidencia en un Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
Como consecuencia de este aacutengulo existe una peacuterdida de superficie reflexiva uacutetil en los extremos del colector Por tanto el aacutengulo de incidencia tiene gran importancia sobre el comportamiento teacutermico del colector puesto que limita la cantidad de radiacioacuten solar que se puede aprovechar Se hizo una comparacioacuten del aacutengulo de incidencia en cuanto a la orientacioacuten y el seguimiento solar del colector ciliacutendrico paraboacutelico
Si la orientacioacuten (g) es de Norte-Sur con seguimiento solar Este-Oeste g = 0ordm
Si la orientacioacuten (g) es de Este-Oeste con seguimiento solar Norte-Sur g = 90ordm
Declinacioacuten seguacuten foacutermula de Cooper (Ribot J 2001)
119889 = 2345 ∙ 119904119890119899 [360 ∙(284+119899)
365] (5)
Siendo ldquonrdquo el nuacutemero de diacutea natural para el 1 de enero n=1 y para el 31 de diciembre
n=365
El aacutengulo horario se calcula seguacuten la foacutermula
30
120591 = 15deg ∙ (ℎ119904 minus 12) (6)
Siendo ldquohsrdquo las horas de reloj El valor es negativo por la mantildeana y positivo tras el mediodiacutea y cero al mediodiacutea solar
Se consideroacute el aacutengulo horario 0ordm por ser el mediodiacutea solar donde maacutes radiacioacuten incide sobre la tierra con el objetivo de simplificar los caacutelculos
Se consideroacute el aacutengulo de inclinacioacuten igual a 0ordm (disposicioacuten horizontal) por ser maacutes eficiente
La latitud del lugar en estudio (UEB uml George Washington uml) Santo Domingo es de 22587ordm
Las peacuterdidas asociadas al aacutengulo de incidencia son miacutenimas cuando el aacutengulo es
0ordm cos 120579119904 = 1 y maacuteximas cuando es 90ordm Por tanto cuanto menor sea el aacutengulo de incidencia mayor es la energiacutea solar incidente sobre el colector y mayor es el rendimiento del mismo
215 Peacuterdidas oacutepticas
Caacutelculo del rendimiento oacuteptico pico del colector 120578119900119901119905119874119900 que es aquel que tiene en
cuenta todas las peacuterdidas oacutepticas que tienen lugar en el captador con un aacutengulo de incidencia de 0ordm 120578119900119901119905119874119900 = 120588 ∙ 120574 ∙ 120591 ∙ 120572 (7)
Donde
120588 Reflectancia no toda la energiacutea incidente es reflejada hacia el tubo absorbedor
120574 Factor de interceptacioacuten no toda la radiacioacuten reflejada por los espejos acaba incidiendo sobre el tubo absorbedor Las causas son diversas imperfecciones en los espejos un mal posicionamiento de los colectores etc
120591 Transmitancia de aquella radiacioacuten que intercepta el tubo de vidrio solo una parte consigue atravesarlo
α Absortancia cantidad de radiacioacuten que absorbe la superficie selectiva del tubo metaacutelico
Ademaacutes de las peacuterdidas debidas al aacutengulo de incidencia existen otras peacuterdidas que se asocian a dicho aacutengulo El efecto del aacutengulo de incidencia en el rendimiento del CCP se cuantifica mediante el modificador por aacutengulo de incidencia 119870(120579119904) Eacuteste considera todas las peacuterdidas oacutepticas y geomeacutetricas que tienen lugar en el captador
para un aacutengulo de incidencia 120579119904 ne 0ordm y que no se tienen en cuenta en el rendimiento oacuteptico pico
31
El modificador por el aacutengulo de incidencia depende directamente del aacutengulo de
incidencia siendo 119870(120579119904) = 1 para 120579119904 = 0deg y siendo 119870(120579119904) =0 para 120579119904 = 90deg y se
obtiene como funcioacuten de eacuteste seguacuten la expresioacuten
119870(120579119904) = 1 minus 223073 ∙ 10minus4 ∙ (120579119904) minus 11 ∙ 10minus4 ∙ (1205791199042) + 318596 ∙ 10minus6 ∙ (120579119904
3) minus 485509 ∙
10minus9 ∙ (1205791199044) (8)
216 Peacuterdidas teacutermicas
Las peacuterdidas teacutermicas que tiene lugar en un CCP dan como consecuencia que la energiacutea teacutermica uacutetil sea menor que la energiacutea solar absorbida por el colector Teniendo en cuenta esto la potencia teacutermica uacutetil por colector seraacute igual la diferencia entre los calores absorbido y perdido
119906119905119894119897 = 119886119887119904 minus 119901119890119903119889 (9)
Doacutende
119906119905119894119897 ∶ 119875119900119905119890119899119888119894119886 119905eacute119903119898119894119888119886 uacute119905119894119897 119901119900119903 119888119900119897119890119888119905119900119903 (119882)
119886119887119904 119862119886119897119900119903 119886119887119904119900119903119887119894119889119900 119901119900119903 119890119897 119891119897119906119894119889119900 119889119890 119905119903119886119899119904119891119890119903119890119899119888119894119886 119889119890 119888119886119897119900119903 (119867119879119865) (119882)
119901119890119903119889 119875eacute119903119889119894119889119886119904 119905eacute119903119898119894119888119886119904 119889119890119897 119867119879119865 119886119897 119886119898119887119894119890119899119905119890 (119882)
Peacuterdidas teacutermicas en el aceite teacutermico (HTF) Las peacuterdidas teacutermicas se producen a lo largo del circuito por donde se mueve el fluido teacutermico principalmente en dos lugares en el tubo absorbedor y en las tuberiacuteas del campo de colectores De manera que la potencia teacutermica disipada en el colector equivale a la suma de las peacuterdidas teacutermicas en el receptor y las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas por donde circula el fluido teacutermico (HTF)
119876119901119890119903119889 = 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 + 119875119890119903119889119905119906119887119890119903 (10)
Las peacuterdidas teacutermicas asociadas al tubo absorbedor 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 se deben a la diferencia de temperaturas entre eacuteste y el ambiente pudiendo ser por conduccioacuten por radiacioacuten y por conveccioacuten desde el tubo absobedor al ambiente Aunque cada una de estas peacuterdidas podriacutea calcularse aplicando las ecuaciones que rigen los mecanismos de transferencia de calor antes mencionados en la praacutectica las peacuterdidas teacutermicas globales en un colector se cuantifican mediante ecuaciones experimentales Asiacute las peacuterdidas teacutermicas en el tubo absorbedor por metro longitudinal de colector vienen dadas por la ecuacioacuten
119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 =1198751198901199031198891+1198751198901199031198892+1198751198901199031198893+1198751198901199031198894
119879119904minus119879119890 (11)
32
Doacutende
1198751198901199031198891 = (1198600 + 1198605 ∙ radic119907) ∙ (119879119904 minus 119879119890) (12)
1198751198901199031198892 = (1198601 + 1198606 ∙ radic119907) ∙ (119879119904
2minus1198791198902
2minus 119879119886119898119887 ∙ (119879119904 minus 119879119890)) (13)
1198751198901199031198893 = (1198602+1198604∙119863119873119868∙119870(120579119904)∙cos(120579119904)
3∙ (119879119904
3 minus 1198791198903)) (14)
1198751198901199031198894 =1198603
4∙ (119879119904
4 minus 1198791198904) (15)
Siendo
119879119904 Temperatura del HTF a la salida del campo solar
119879119890 Temperaturas del HTF a la entrada del campo solar
119879119886119898119887 Temperatura ambiente
119907 Velocidad del viento (ms)
Los coeficientes empleados en las foacutermulas se recogen en la tabla 5
Tabla 5 Coeficientes de peacuterdidas teacutermicas
A0 405
A1 0247
A2 -000146
A3 565E-06
A4 762E-08
A5 -17
A6 00125
En general las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas (119875119890119903119889119905119906119887119890119903 ) del campo de colectores son pequentildeas del orden de 8 Wm2 Finalmente la potencia teacutermica disipada por el aceite teacutermico a su paso por un colector es
33
119901119890119903119889 = 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 ∙ 119871119888119900119897119890119888119905119900119903 + 119875119890119903119889119905119906119887119890119903 ∙ 119878119888 (16)
Doacutende
119878119888 Aacuterea de apertura del colector (Ver tabla 1)
Un colector como todos los sistemas de concentracioacuten de la energiacutea solar solo puede aprovechar la radiacioacuten solar que incide normal a su plano de apertura De esta forma la energiacutea solar por unidad de tiempo y en el punto de disentildeo que incide sobre la superficie de apertura de un CCP viene dada por la ecuacioacuten
119904119900119897 = 119863119873119868 ∙ cos(120579119904) ∙ 119878119888 (17)
La potencia absorbida por el colector 119886119887119904 va a ser menor que la 119904119900119897 ya que eacutesta uacuteltima no tiene en cuenta las peacuterdidas oacutepticas y geomeacutetricas en el colector ni la limpieza de los espejos ni la disponibilidad del campo solar La radiacioacuten solar absorbida en un colector CCP viene dada por la ecuacioacuten
119886119887119904 = 119863119873119868 ∙ cos(120579119904) ∙ 119878119888 ∙ 119870 ∙ (120579119904) ∙ Ƞ1199001199011199050ordm ∙ 119865119888 ∙ 119865119889119894119904119901 (18)
Siendo
119865119888 Factor de ensuciamiento de los espejos (95 )Tiene en cuenta que aunque los espejos se limpien no recuperan su estado inicial 119865119889119894119904119901 Factor de disponibilidad (97 ) Fraccioacuten del campo solar que estaacute en
operacioacuten y captando la energiacutea solar El rendimiento global de un CCP viene dado por el cociente entre el aumento de entalpia en el HTF a su paso por el colector y la energiacutea solar incidente sobre el captador
Ƞ119888119900119897119890119888 =119876119906119905119894119897
119876119904119900119897 (19)
22 Dimensionamiento del campo solar de la zona de la UEB uml George
Washington uml
El dimensionamiento del campo solar consiste en determinar el nuacutemero de CCPs (o nuacutemero de lazos) necesarios para aportar la energiacutea que demanda este en el punto de disentildeo (Hidalgo 2012)
Para dimensionar el campo solar es necesario evaluar las condiciones del terreno
donde se va a realizar el montaje de los colectores y hacer un balance energeacutetico
del generador de vapor solar
34
221 Caracterizacioacuten del terrero
Se tuvo en cuenta el relieve y el tamantildeo del terreno cercano al central lo que resulto favorable para abaratar la inversioacuten en cuanto a movimientos de tierra y compra de terrenos Los recursos hiacutedricos ya tienen una infraestructura creada puesto que son necesarios para el proceso que realiza la faacutebrica actualmente Esto se basa en posos que bombean el agua hasta los filtros donde se realiza el tratamiento externo al agua y van luego al proceso todo este sistema ya se encuentra instalado y en buenas condiciones lo que resulta de gran ayuda para el proyecto futuro de Bioeleacutectrica
222 Balance energeacutetico en el generador de vapor solar (GVS)
Para calcular el nuacutemero de lazos necesarios en el campo solar es preciso conocer primero la potencia teacutermica que puede aportar el campo solar en el punto de disentildeo esto se determina mediante la foacutermula
119888119886119898119901119900 =119882119890119897119890119888119905
120578119905119906119903119887 (20)
Doacutende
119888119886119898119901119900 Potencia teacutermica del campo solar
119882119890119897119890119888119905 Potencia eleacutectrica de la turbina
120578119905119906119903119887 Eficiencia termo-mecaacutenica de la turbina (Se asumioacute de 68)
Seguidamente hay que establecer el balance de masas y energiacutea en el Generador de vapor solar (GVS) El GVS se disentildea para recuperar la energiacutea del fluido teacutermico procedente del campo solar Para el intercambiador de calor (GVS) se cumple que la cantidad de calor transferido por unidad de tiempo permanece constante o lo que es lo mismo la energiacutea total es la misma antes y despueacutes de cada transformacioacuten El balance energeacutetico en un intercambiador de calor se resuelve mediante la ecuacioacuten
119886119892119906119886 ∙ ∆119867119886119892119906119886 = 119886119888119890119894119905119890 ∙ ∆119867119886119888119890119894119905119890 (21)
Ademaacutes para cada fluido de forma individual se cumple que
= 119886119888119890119894119905119890 ∙ 119862119901119886119888119890119894119905119890∙ ∆119879 = 119898119886119888119890119894119905119890 ∙ (ℎ119904 minus ℎ119890) (22)
Doacutende
∆H Diferencia de entalpiacuteas a la entrada y a la salida del intercambiador (kJkg)
Q Potencia teacutermica intercambiada (kW)
35
m Caudal maacutesico (kgs) Cp Calor especiacutefico (kJkg ordmC)
∆T Diferencia de temperaturas a la entrada y la salida del intercambiador (ordmC) hs he Entalpiacuteas a la entrada y a la salida respectivamente (kJKg) Y seguacuten el teorema de conservacioacuten de la masa se tiene que
119890119899119905119903119886 = 119904119886119897119890
223 Caacutelculo del nuacutemero de lazos
Los caacutelculos que se han desarrollado en los acaacutepites anteriores constituyen los datos de partida para el caacutelculo del nuacutemero de colectores requeridos en el campo solar para poder alcanzar la potencia teacutermica demandada al campo solar
Caracteriacutesticas del aceite teacutermico (HTF)
El aceite teacutermico que se ha empleado como fluido calo-portador es Therminol VP-1 cuyo rango de temperatura de trabajo se encuentra entre 12-400ordmC La temperatura a la salida del campo solar no debe excederse de los 400ordmC ya que para temperaturas superiores el aceite se degrada y pierde sus propiedades teacutermicas A continuacioacuten se presentan las graacuteficas correspondientes a variacioacuten de densidad y entalpiacutea del aceite teacutermico Therminol VP-1 con la temperatura figuras 13 y 14 respectivamente y que han sido elaboradas a partir de datos del fabricante
Figura 13 Therminol VP-1 Entalpiacutea vs Temperatura
36
Figura 14 Therminol VP-1 Densidad vs Temperatura(Hidalgo 2012)
Para determinar el nuacutemero de lazos necesarios en el campo solar se ha seguido la siguiente metodologiacutea de caacutelculo
Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF
Incremento de temperatura del HTF en un colector
Nuacutemero de colectores necesarios por lazo Nuacutemero de lazos en el campo solar
224 Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF por cada lazo
El caudal de aceite estaacute controlado por la temperatura de salida del campo Cuando la radiacioacuten solar es baja el flujo se reduce con el objetivo de mantener la temperatura de salida del campo y por el contrario cuando la radiacioacuten solar es superior a la del punto de disentildeo los colectores se desenfocan para evitar que el aceite exceda los 393ordmC La velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor se calcula a partir de la expresioacuten del nuacutemero de Reynolds
119877119890 =119907∙119863∙120588
120583 (23)
Doacutende
119907 Velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor (ms) (Se asumioacute una
velocidad de 3 ms la cual es una velocidad econoacutemica)
119877119890 Nuacutemero de Reynolds (-)
120583 Viscosidad dinaacutemica del HTF a la temperatura media de trabajo (Pas)
119863 Diaacutemetro interior del tubo absorbedor (m)
120588 Densidad del HTF a la temperatura media de trabajo (kgm3)
37
Para cumplir con los requisitos de flujo turbulento el caudal miacutenimo de aceite que circula por un lazo en el punto de disentildeo es
= 119907 ∙ 119878 ∙ 120588 (24)
Siendo S en m2 la seccioacuten transversal interior del tubo absorbedor
225 Incremento de temperatura del HTF en un colector
La potencia teacutermica uacutetil del colector se invierte en aumentar la temperatura del aceite De esta forma el incremento de temperatura que sufre el aceite teacutermico a su paso por un colector es decir desde que entra en el colector y hasta que sale del mismo es
∆119879119888119900119897119890119888 = 119879119904 minus 119879119888 =uacute119905119894119897
∙119862119901 (25)
∆119879119888119900119897119890119888 Incremento de temperatura del aceite teacutermico en el colector (ordmC)
119879119888 119879119904 Temperatura del HTF a la entrada y a la salida del colector respectivamente
(ordmC)
119906119905119894119897 Potencia teacutermica uacutetil por colector (W)
Caudal maacutesico de aceite teacutermico por colector (kgs)
119862119901 Calor especiacutefico del aceite teacutermico a la temperatura media de trabajo (kJkg ordmC)
226 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
El incremento total de temperatura del HTF por lazo ΔT lazo es igual a la diferencia entre las temperaturas a la salida y a la entrada del campo solar Por tanto el nuacutemero teoacuterico de colectores en serie por lazo seraacute igual a
119873119888119900119897119890119888 =∆119879119897119886119911119900
∆119879119888119900119897119890119888 (26)
119873119888119900119897119890119888 Nuacutemero teoacuterico de colectores por lazo
∆119879119897119886119911119900 Incremento de temperatura por lazo (ordmC)
Esto implica el salto teacutermico y caudal maacutesico por lazo que es necesario tener el aceite para asiacute poder alcanzar la temperatura de entrada del agua en el economizador
227 Nuacutemero de lazos en el campo solar
A diferencia del nuacutemero de colectores que viene fijado por el salto de temperatura del aceite teacutermico en el campo el nuacutemero de lazos paralelos que conforman el campo solar depende de la potencia teacutermica demanda por el campo El nuacutemero de lazos es igual al cociente entre la potencia teacutermica del campo solar y la potencia teacutermica uacutetil por colector
38
119925119949119938119963119952 =119940119938119950119953119952
uacute119957119946119949 119935119949119938119963119952 (27)
Doacutende
119925119949119938119963119952 Nuacutemero de lazos
119940119938119950119953119952 Potencia teacutermica del campo solar (kW)
uacute119957119946119949 Potencia teacutermica uacutetil por lazo (kW)
23 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un
antildeo)
Para el caacutelculo de las toneladas de CO2 dejadas de emitir se utilizaraacute el iacutendice de
generacioacuten de una planta convencional de combustible foacutesil que para Cuba es de
270 gkWh Con este iacutendice y el aumento de la produccioacuten de energiacutea eleacutectrica con
la incorporacioacuten del campo solar se calcularaacute el ahorro de combustible foacutesil y a este
valor de combustible sustituido y el uso de los factores de emisioacuten de CO2 mostrados
en la siguiente (tabla 6) se podraacute determinar cuaacutentas toneladas de CO2 es capaz de
evitar la instalacioacuten del campo solar
Tabla 6 Factores de emisioacuten de especies especificadas
Tecnologiacutea CO (gkgf) SO2 (gkgf) NO2eq (gkgf) PM10
(gkgf)
CO2
(kgkgf)
CIE-HFO 24 27 128 528 306
CIE-DO 12 4 84 195 313
Fuente (EPA 2004)
24 Factibilidad econoacutemica del proyecto
Para el caacutelculo de la rentabilidad econoacutemica se optimizoacute la dimensioacuten del campo solar que fuera maacutes rentable para este trabajo donde se tuvo en cuenta el nuacutemero de lazos necesarios del campo y la tasa interna de retorno
241 Valor actual neto (VAN)
El VAN permite calcular el valor presente de un determinado nuacutemero de flujos de caja futuros originados por una inversioacuten teniendo en cuenta la peacuterdida de valor del dinero en el tiempo a traveacutes de una tasa de descuento (Martiacutenez 2017) y se calcula mediante la siguiente ecuacioacuten
39
(28)
Donde
119868119900 Costo inicial de la inversioacuten FC Flujo de caja n El tiempo para el cual se requiere calcular el VAN i La tasa de descuento Meacutetodo de caacutelculo mediante el Excel Para calcular el VAN es necesario conocer el flujo de caja teniendo en cuenta los ingresos y los gastos Ingresos El ingreso es debido a la venta de energiacutea eleacutectrica a la red para ello se utilizoacute un precio de 021 (USDkWh) Ingresos por ventas
119868119899119892119903119890119904119900=119875119903119890119888119894119900 (119880119878119863119896119882ℎ)lowast119864119899119890119903119892iacute119886 (29) Gastos Costo fijo de operacioacuten y mantenimiento Se calcula primero la inversioacuten total mediante la ecuacioacuten siguiente
119894119899119907119890119903119904119894oacute119899 119905119900119905119886119897=119862119900119904119905119900 119906119899119894119905119886119903119894119900 119889119890 119894119899119907119890119903119904119894oacuten (119880119878119863119896119882119890)lowast119875119900119905119890119899119888119894119886 (kWe) (30) Entonces se calcula el costo fijo de operacioacuten y mantenimiento
119862119891=119894119899119907119890119903119904119894oacute119899 119905119900119905119886119897lowast02 (31) Donde
119862119891 Costo fijo de operacioacuten y mantenimiento
Costo variable de operacioacuten y mantenimiento
119862119907=119864119899119903119892iacute119886 (119896119882ℎ)lowast002(119880119878119863119896119882ℎ) (32)
Donde
119862119907 Es el costo variable de operacioacuten y mantenimiento A continuacioacuten se calcula la utilidad antes de impuesto que es la diferencia entre los ingresos y los costos de operacioacuten fijo y variable 119880119879119860=119894119899119892119903119890119904119900minus(119862119891+119862119907) (33)
Donde
119880119879119860 Es la utilidad antes de impuesto o neta Entonces el impuesto en Cuba es del 35 de la utilidad neta
40
119868119898119901119906119890119904119905119900=035lowast(119880119878119863) (34)
El flujo de caja quedariacutea como
119865119888=119880119879119860 (119880119878119863)minus119868119898119901119906119890119904119905119900 (119880119878119863) (35)
Teniendo el flujo de caja se puede calcular el VAN aplicando la tasa de descuento
del 10
Si VAN gt 0 El proyecto es rentable
Si VAN = 0 El proyecto es postergado
Si VAN lt 0 El proyecto no es rentable
242 Tasa interna de retorno (TIR)
Se define como la tasa de descuento que iguala el VAN a cero
Si TIR gt tasa de descuento (r) El proyecto es aceptable
Si TIR = tasa de descuento (r) El proyecto es postergado
Si TIR lt tasa de descuento (r) El proyecto no es aceptable La TIR es aquella tasa de descuento que iguala el valor actual de la corriente de cobros con el valor actual de la corriente de pagos por lo que es la tasa de descuento que hace al VAN igual a cero y puede utilizarse como indicador de la rentabilidad de un proyecto se utiliza como uno de los criterios para decidir sobre la aceptacioacuten o rechazo de un proyecto de inversioacuten (Martiacutenez 2017) y se puede expresar de la siguiente forma
(36) Para simplificacioacuten de los caacutelculos se utilizoacute el software Microsoft Excel que de forma iterativa busca este valor se utilizoacute la estimacioacuten de los flujos de caja para 25 antildeos al igual que para el caacutelculo del VAN
243 Periacuteodo de recuperacioacuten de la inversioacuten
El periacuteodo de recuperacioacuten se cumple cuando la suma de los flujos de caja consecutivos desde el primer antildeo da como resultado el valor de la inversioacuten pero teniendo en cuenta el efecto del tiempo sobre el dinero Calculado de esta manera se conoce como periacuteodo de recuperacioacuten de la inversioacuten descontado Para obtenerlo se hallaron todos los flujos de caja para 25 antildeos consecutivos que es el tiempo de estudio del proyecto entonces se le restoacute el descuento correspondiente a cada antildeo y se graficoacute el resultado quedando como una curva
41
Conclusiones parciales
En este capiacutetulo se realizoacute un estudio de la metodologiacutea de caacutelculo para la
realizacioacuten del dimensionamiento del campo solar para la tecnologiacutea de colectores
cilindro paraboacutelico para esto se escogioacute la metodologiacutea planteada por (Hidalgo
2012) Siendo fundamental el estudio de la radiacioacuten solar de la zona en que estaacute
situada la instalacioacuten Tambieacuten se tuvo en cuenta el acceso a los recursos hiacutedricos
y la cercaniacutea a la red eleacutectrica nacional lo cual no tuvo ninguna dificultad puesto
que donde se pretende ubicar el campo ya existe una instalacioacuten con todas estas
necesidades cubiertas que es el central al cual se pretende convertir en
bioeleacutectrica Luego de estos anaacutelisis y una vez dimensionado el campo solar se
realizoacute el caacutelculo de la rentabilidad econoacutemica seguacuten lo planteado por (Martiacutenez
2017) planteaacutendose como principales indicadores econoacutemicos el costo nivelado de
la energiacutea generada costo de inversioacuten VAN y TIR El impacto ambiental se tuvo
en cuenta mediante el caacutelculo de las emisiones de CO2 dejadas de emitir si la
energiacutea generada con el excedente de bagazo ahorrado por la insercioacuten del campo
hubiera sido generada por una planta teacutermica convencional
42
Capiacutetulo 3 Resultados y Discusioacuten
En este capiacutetulo se exponen los resultados de los caacutelculos efectuados y a la vez se
interpreta el porqueacute de estos asiacute como la discusioacuten de las bibliografiacuteas consultadas
31 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB umlGeorge Washington uml
311 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa
Para el caacutelculo de la radiacioacuten solar directa (DNI) primeramente se halloacute el aacutengulo
de declinacioacuten de cada mes Dicho aacutengulo se anuloacute para el 22 de Marzo y el 23 de
Septiembre puesto que ocurren los equinoccios momento del antildeo en que el sol estaacute
situado en el plano del ecuador terrestre y alcanzoacute el valor maacuteximo positivo el 22 de
Junio y el valor maacuteximo negativo el 22 de diciembre diacuteas en que ocurren los
solsticios que son los momentos del antildeo en los que el sol alcanza su mayor o menor
altura aparente en el cielo y la duracioacuten del diacutea o de la noche son las maacuteximas del
antildeo respectivamente (figura 15)
Figura 15 Aacutengulo de declinacioacuten para los diferentes meses del antildeo
Los valores de DNI que inciden en la zona de la UEB umlGeorge Washingtonuml se
mantuvieron como promedio por encima de 10 kWhm2diacutea seguacuten la metodologiacutea
de caacutelculo empleada siendo oacuteptimos para la instalacioacuten de este tipo de tecnologiacutea
Esto pudiera ser debido a que por la metodologiacutea de caacutelculo solo se tuvo en cuenta
la latitud geograacutefica y el diacutea del antildeo en que se analizoacute dicha radiacioacuten por esta
razoacuten se observoacute que sus valores fueron mayores que los valores de radiacioacuten solar
-30
-20
-10
0
10
20
30
Gra
dos s
exagesim
ale
s
Aacutengulo de declinacioacuten
43
directa que aporta la base de datos de la NASA (httpeosweblarcnasagovsse
2017) como promedio 506 kWhm2diacutea y los aportados por el Instituto de
Meteorologiacutea cubano para esta zona (como promedio 582 kWhm2diacutea) idoacuteneo para
este tipo de tecnologiacutea de los datos de radiacioacuten analizados se utilizoacute para los
caacutelculos siguientes de dimensionamiento del campo los aportados por el instituto de
meteorologiacutea cubano por ser los maacutes especiacuteficos y detallados de todas las fuentes
consultadas Algunos meses como noviembre y diciembre no alcanzan el valor
idoacuteneo de 47 kWhm2-diacutea sin embargo (La Rosa 2014) planteoacute que Cuba se
localiza en una zona geograacutefica de alta radiacioacuten solar y que se caracteriza por la
gran cantidad de diacuteas soleados en el antildeo
Figura 16 Comparacioacuten entre el DNI calculado por la metodologiacutea el aportado por la NASA
y el obtenido por el Instituto de Meteorologiacutea cubano
En cada metro cuadrado del territorio cubano se recibe diariamente una cantidad de
energiacutea solar equivalente a medio kilogramo de petroacuteleo combustible valor
promedio praacutecticamente invariable durante todo el antildeo Otra de las caracteriacutesticas
de la radiacioacuten solar en Cuba es que su valor es casi igual en todo el paiacutes ya que
la diferencia en latitud desde el lugar maacutes bajo hasta el maacutes alto es de soacutelo 3 grados
Por lo tanto la radiacioacuten solar en Cuba es utilizable en todo el territorio y durante
todo el antildeo con un valor medio de maacutes de 5 kWhm2diacutea tanto en su forma de
bioenergiacutea o biomasa energiacutea hidraacuteulica energiacutea eoacutelica o directamente convertida
en calor o electricidad (Beacuterriz 2000)
0
2
4
6
8
10
12
14
DN
I (k
Whm
2-d
iacutea)
meses
Radiacioacuten solar
Calculado NASA Meteorologiacutea cubana
44
312 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea
Luego de haber calculado la semiduracioacuten diurna en grados sexagesimales (WS)
para cada diacutea del antildeo en la zona de la UEB umlGeorge Washingtonuml se calcularon las
horas de luz solar durante el diacutea lo cual se muestra promediado en la tabla 7 donde
se ve que esta es mayor que 10 horas asiacute como tambieacuten se observa que son maacutes
largos los diacuteas en los meses de verano (Abril-Agosto)
Tabla 7 promedio de horas de sol al diacutea por meses del antildeo
32 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
Se realizoacute el balance energeacutetico del CCP teniendo en cuenta las peacuterdidas que
sucedieron en el mismo debido a su fabricacioacuten y a su posicioacuten
321 Peacuterdidas geomeacutetricas
Peacuterdidas debidas a la posicioacuten relativa de los colectores
En este trabajo no se tuvo en cuenta las peacuterdidas por sombras ya que se asumioacute
que la construccioacuten de estos colectores iba a estar lo suficientemente separados
para que no se pudieran dar sombra unos a otros
Peacuterdidas inherentes a cada colector
Se comparoacute el aacutengulo de incidencia en cuanto a la orientacioacuten y el seguimiento solar
del colector ciliacutendrico paraboacutelico Se seleccionoacute la orientacioacuten N-S con seguimiento
solar E-O por lo que se seleccionoacute para el caacutelculo del resto de las variables (g = 0)
Para la inclinacioacuten del colector se tomoacute con eje horizontal (s = 0) Se consideroacute el
aacutengulo horario 0ordm por ser el mediodiacutea solar donde maacutes radiacioacuten incide sobre la
tierra con el objetivo de simplificar los caacutelculos
Con los datos calculados anteriormente se halloacute el aacutengulo de incidencia (figura 17)
En este caso se observa que a diferencia de la radiacioacuten solar directa el aacutengulo de
incidencia es menor para los meses de verano reafirmando que a menor aacutengulo de
incidencia mayor la radiacioacuten que va a captar el colector
enero febrero marzo abril mayo junio julio agosto septiembre octubre noviembre diciembre
108 112 119 125 131 134 132 127 121 114 109 106
45
Figura 17 Aacutengulo de incidencia por meses para una orientacioacuten N-S con seguimiento solar
E-O
322 Peacuterdidas oacutepticas
Las caracteriacutesticas oacutepticas del colector ET-150 se reflejaron en la tabla 8 y con estas
se calculoacute el rendimiento oacuteptico
Tabla 8 Caacutelculo del rendimiento oacuteptico
Rendimiento oacuteptico
ntilde Reflectividad superficie reflectora 090
ocirc Transmisividad del cristal absorbedor 095
aacute Absortividad del tubo del absorbedor 096
ɣ Factor de interceptacioacuten 095
Ƞopt0ordm= 078
Cuanto mayor es el valor del rendimiento oacuteptico mayor seraacute el rendimiento del
captador Asiacute cuanto mayor sea el valor de las variables que lo definen mejor seraacute
el rendimiento de los captadores (Rojas 2013)
Ademaacutes de las peacuterdidas debidas al aacutengulo de incidencia existen otras peacuterdidas que
se asocian a dicho aacutengulo El efecto del aacutengulo de incidencia en el rendimiento del
CCP se cuantifica mediante el modificador por aacutengulo de incidencia 119870(120579119904)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Gra
do
s se
xage
sim
ale
s
Aacutengulo de incidencia
46
323 Peacuterdidas teacutermicas
Se calculoacute la potencia teacutermica uacutetil la potencia teacutermica absorbida y la potencia
teacutermica perdida La energiacutea teacutermica uacutetil fue menor que la energiacutea teacutermica absorbida
Esto es debido a las peacuterdidas teacutermicas que se presentan en este tipo de tecnologiacutea
Durante los meses de verano existioacute un descenso de las diferentes potencias
calculadas a causa de las condiciones de nubosidad (lluvia) para esta eacutepoca del
antildeo (figura 18) Para los meses de invierno las potencias decrecieron debido a la
disminucioacuten de la radiacioacuten solar tiacutepico en esta eacutepoca del antildeo
Figura 18 Energiacutea solar por unidad de tiempo radiacioacuten solar absorbida en un colector
peacuterdidas teacutermicas y potencia teacutermica uacutetil para todos los meses del antildeo
Estas peacuterdidas teacutermicas influyeron negativamente en el rendimiento global del
colector CCP ET-150 que tuvo un valor aproximado al 70 Para los meses de
verano hubo un mayor rendimiento aunque este se vio afectado por la nubosidad
El funcionamiento teacutermico de cualquier captador solar estaacute determinado por el
llamado rendimiento global definido como la relacioacuten entre la potencia teacutermica que
es capaz de proporcionar o potencia teacutermica uacutetil y la potencia procedente del Sol
que se tome como referencia No toda la potencia solar puede ser absorbida por el
receptor Existen una serie de peacuterdidas de energiacutea debidas tanto a la geometriacutea y
oacuteptica del captador como a las propiedades de los materiales del propio receptor
que hay que tener en cuenta (Rojas 2013)
16
161
162
163
164
165
166
167
168
169
17
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Qp
er(
kW
h)
Qso
lu
til(
kW
h)
meses
Peacuterdidas teacutermicas
Qsol Qutil Qperd
47
33 Dimensionamiento del campo solar
331 Caracterizacioacuten del terrero
El terreno del central George Washington es llano desprovisto de grandes
obstaacuteculos que puedan crear dificultades en la construccioacuten del campo y crear
sombras que entorpezcan la radiacioacuten del sol en los espejos reflectores Estaacute
cercano a la carretera y consta con posos que facilita el acceso a los recursos
hiacutedricos en el emplazamiento Estaacute solucionado el problema de la conectividad a la
red eleacutectrica nacional puesto que el central ya contaba con esta infraestructura Por
lo tanto posee las condiciones idoacuteneas para la instalacioacuten de un campo solar
332 Balance energeacutetico en el intercambiador de calor
A partir de la temperatura que se quiere elevar el agua de alimentacioacuten de la caldera
(260 oC) y el flujo de esta (255 kgs) se determina una cantidad de energiacutea teacutermica
que debe suministrar el campo para suplir esta demanda Dicha energiacutea teacutermica se
logra a traveacutes de la radiacioacuten solar captada por los colectores la cual es transferida
en forma de calor a un fluido portador en este caso aceite HTF Este necesita un
determinado flujo para absorber toda esa energiacutea y luego transferirla al agua Los
caudales necesarios para la captacioacuten de este calor se encuentran en la (tabla 9)
Tabla 9 Paraacutemetros termodinaacutemicos en el intercambiador de calor
Datos Agua de
alimentacioacuten Aceite teacutermico
Caudal(kgs) 255 462
Temperatura(ordmC) 166 300
Presioacuten (bar) 67 25
Entalpiacutea (kJkg) 6974 490
Con estos datos se concluye que para calentar un flujo de agua de 255 kgs (a
temperatura de 166ordmC y presioacuten de 67 bar) hasta alcanzar una temperatura de
260ordmC se necesita un flujo de energiacutea teacutermica de 106225 kW lo cual es
proporcionada por 462 kgs de aceite teacutermico proveniente del campo solar que estaacute
a una temperatura de 300ordmC y presioacuten de 25 bar
48
333 Caacutelculo del nuacutemero de lazos
3331 Caacutelculo del caudal miacutenimo de circulacioacuten del fluido de transferencia de
calor (HTF) por cada lazo
Para que exista un flujo turbulento por el interior del tubo absorbedor a una velocidad
del fluido econoacutemica de 3 ms el caudal miacutenimo de circulacioacuten debe ser de 86 kgs
(tabla 10)
Tabla 10 Caudal miacutenimo de circulacioacuten del fluido de transferencia de calor (HTF) por
cada lazo
Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF por cada lazo 86 kgs
Nuacutemero de Reynolds 874E+5
Velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor 3 ms
Viscosidad dinaacutemica del HTF a la temperatura media de
trabajo 194E-04 kgmmiddots
Densidad del HTF a la temperatura media de trabajo 870 Kgm3
3332 Incremento de la temperatura del HTF en un colector
Para calentar el flujo de aceite de 200 a 300ordmC lo cual equivale a un salto teacutermico
por lazo de 100ordmC es necesario 4 colectores por lazo Por tanto el salto de
temperatura promedio del HTF a su paso por un colector es aproximadamente de
283ordmC (tabla 11)
Tabla 11 Salto de temperatura promedio del HTF a su paso por un colector
meses ∆119931119949119938119963119952() ∆119827119836119848119845119838119836() 119821119845119834119859119848119852
Enero 100 248 40
Febrero 100 263 38
Marzo 100 301 33
Abril 100 343 29
Mayo 100 333 30
Junio 100 318 31
Julio 100 325 31
Agosto 100 330 30
Septiembre 100 286 35
Octubre 100 262 38
Noviembre 100 202 50
Diciembre 100 186 54
49
3333 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
El nuacutemero de colectores necesarios por lazo para cada mes se refleja en la (tabla
12) Con este resultado se concluye que la cantidad de colectores totales que debe
tener cada lazo del campo solar es aproximadamente de 4
Tabla 12 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo para cada mes del antildeo
Meses Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
Enero 40
Febrero 38
Marzo 33
Abril 29
Mayo 30
Junio 31
Julio 31
Agosto 30
Septiembre 35
Octubre 38
Noviembre 50
Diciembre 54
3334 Nuacutemero de lazos en el campo solar
Al ser la potencia teacutermica del campo solar 106225 kW y ser la potencia teacutermica uacutetil
promedio por lazo aproximadamente de 26556 kW el nuacutemero de lazos necesarios
por campo solar debe ser aproximadamente de 4
Para generar 106 MW teacutermico con una radiacioacuten promedio de 5355 Wm2 para todo
un antildeo la dimensioacuten del campo solar debe ser de 44448 m2 Esto se logra con un
total de 4 lazos con 4 colectores cada uno
334 Caacutelculo del ahorro de bagazo propiciado por el campo
Una de las ideas fundamentales de este proyecto es el ahorro de bagazo para su
uso fuera de temporada y asiacute no parar la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica por la
ausencia de combustible Para esto se halloacute el iacutendice de generacioacuten con el campo
(tabla 13) quedando un ahorro de maacutes de 25 mil toneladas de bagazo Pudiendo
dar un margen de 30 diacuteas maacutes de generacioacuten de electricidad lo que equivale a maacutes
de 14 mil MWe
50
Tabla 13 Generacioacuten en el periacuteodo de zafra y ahorro de bagazo propiciados por el campo
solar
Generacioacuten eleacutectrica total 111063 MWh
Iacutendice de generacioacuten sin campo 500 kWhtb
Iacutendice de generacioacuten con campo 575 kWhtb
Ahorro de bagazo 251586 TonZafra
Porciento de bagazo ahorrado 14
Generacioacuten con el excedente de Bagazo 14463 MWh
Seguacuten los datos de la tabla 13 y suponiendo que la zafra sea de 120 diacuteas sin contar
las paradas este resultado extenderiacutea la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica a 232 diacuteas
aproximadamente maacutes de la mitad del antildeo y solo se necesitariacutea para los restantes
133 diacuteas del antildeo abastecerse por medio de otra fuente como pudiera ser bagazo
aportado por centrales cercanos que funcionaran como tributarios o utilizar otro
combustible complementario como los residuos agriacutecolas cantildeero lentildea o carboacuten de
marabuacute
34 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un
antildeo)
Para el caacutelculo se halloacute el ahorro de combustible foacutesil con la incorporacioacuten del campo
solar De la (tabla 14) mostrada en el capiacutetulo anterior se tomoacute el valor para las
emisiones de CO2 que fue de 306 kgkgf lo que reflejoacute los siguientes resultados
Tabla 14 Ahorro de combustible y emisiones de CO2 dejadas de emitir propiciado por el campo
Iacutendice de generacioacuten de una planta
teacutermica convencional en Cuba 270 gkWh
Ahorro de combustible Foacutesil 3888 TCC
CO2 dejado de emitir 11897 Ton
35 Factibilidad econoacutemica del proyecto
Para los caacutelculos de factibilidad econoacutemica en este proyecto se ha tomado los
siguientes valores (tabla 15)
51
Tabla 15 Valores necesarios para el caacutelculo de la factibilidad econoacutemica
Precio de la electricidad 021 $kWh
Impuestos 30
Tasa de descuento 10
Vida uacutetil 25 antildeos
Tambieacuten se tuvieron en cuenta los costos de inversioacuten del campo solar (tabla 16)
Tabla 16 Costos de Inversioacuten del campo solar Fuente (IDEA 2013)
Captacioacuten y concentracioacuten de
energiacutea solar
Campo solar(CCP)
espejos 35 Eur m2
apertura
130800 m2
457800
euros
estructuras
metaacutelicas
72 Eur m2
apertura
13080
m2
941760
euros
sistemas de
posicionamiento
6600 Eurunid
16
unidades
108585
euros
movimiento de
tierras
21 Eur m2
apertura
13080
m2 27468000 euros
cimentacioacuten 37 Eur m2
apertura
13080
m2 48396000 euros
montaje 43 Eur m2
apertura
13080
m2 56244000 euros
nave de montaje 545 Eur m2
apertura
13080
m2 7128600 euros
costo total
2900511
euros
Sistema de conversioacuten solar teacutermico
aceite teacutermico 283 Eurkg
100
Kg 283 euros
tubos
absorbedores
892 Eurtubo
16
tubos
14675
euros
juntas rotativas 190 Eur unid 33 unidades 625187 euros
tuverias valvulas y
accesorios
13400 Eurlazo 4 lazos 4915834 euros
sistTrasiego
aceites
87000 Eurlazo 4 lazos 31916236 euros
sistPurificacioacuten
de aceite
380000 Eur unid 1 unidades 380000 euros
ProteccContra
incendios
11400 Eurlazo 1 lazos 11400 euros
sistInertizacioacuten 5900 Eurlazo 1 lazos 5900 euros
52
Intercambiador
aceite-vapor
240 EurkW 10623 kWe 2549400 euros
calderas GV 53 EurkWt - 0 euros
costo total 33362310 euros
TOTAL DEL COSTO DE INVERSIOacuteN
9137253
euros
9959606
doacutelares
Tabla 17 Costos de operacioacuten y mantenimiento (OampM) del campo solar en millones de
euros (MEUR MWantildeo) Fuente (IDEA 2013)
Personal 001 MEUR MWantildeo
Mantenimiento 004 MEUR MWantildeo
Otros 002 MEUR MWantildeo
total 007 MEUR MWantildeo
Tabla 18 Costos de operacioacuten y mantenimiento (OampM) del campo solar en MEUR Fuente
(IDEA 2013)
Potencia del
campo solar
11 MW
Personal 011
Mantenimiento 042
Otros 021
total 074
Esto equivale a un costo fijo de 1772000 doacutelares en operacioacuten y mantenimiento
Paraacutemetros operativos
Venta de electricidad 21 centkWh
Produccioacuten de electricidad solar 144626 MWhantildeo
Costos OampM campo solar 289252 USD antildeo
Costo nivelado de la energiacutea generada
Este costo se determinoacute al sumar los costos variables el de inversioacuten total y los
costos de operacioacuten y mantenimiento luego se dividioacute entre la generacioacuten total de
la planta en los 25 antildeos de vida uacutetil de esta tecnologiacutea quedando de 0032$kWh
351 Tasa interna de retorno (TIR)
Con un campo de 16 colectores y para las condiciones de este proyecto se obtuvo
una TIR de
TIR= 30
La TIR calculada fue mayor que la tasa de descuento por tanto el proyecto es
aceptable
53
352 Valor actual neto (VAN)
El valor actual neto es positivo con un valor que asciende a $ 34116545 por lo que
se cumple la condicioacuten de VAN mayor que cero por lo que el proyecto es rentable
353 Periacuteodo de recuperacioacuten (PR)
El tiempo en que se recupera esta inversioacuten es de aproximadamente 9 antildeos (figura
18)
Los costos de inversioacuten incluyen costes de Ingenieriacutea obtencioacuten de los permisos
necesarios y autorizaciones administrativas obra civil y equipo electromecaacutenico
Los beneficios corresponden a las ventas anuales de electricidad una vez
deducidos los gastos de operacioacuten y mantenimiento En general se estima en el
sector que para que una inversioacuten sea interesante el periacuteodo de recuperacioacuten no
debe exceder de 7 antildeos (Penche 1998) Este proyecto excede en dos antildeos lo
planteado por (Penche 1998) aunque sigue siendo factible e interesante para las
condiciones del paiacutes ya que como plantea el problema de investigacioacuten el principal
intereacutes de este trabajo es aumentar los diacuteas de generacioacuten de electricidad Debido
al problema que presenta Cuba con los iacutendices de generacioacuten se hace necesario
una mejora en este sector a toda costa priorizando esto quedando asiacute los periodos
de recuperacioacuten por detraacutes de este intereacutes primordial
Figura 19 Periacuteodo de recuperacioacuten en antildeos
Teniendo en cuenta estos tres iacutendices econoacutemicos calculados que se tuvieron en
cuenta para la rentabilidad econoacutemica de este proyecto se obtiene como resultado
que dicho proyecto es econoacutemicamente factible
-15000000
-10000000
-5000000
0
5000000
10000000
15000000
20000000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Doacutela
res
Antildeos
Periacuteodo de recuperacioacuten de la invercioacuten
54
Conclusiones
La tecnologiacutea de plantas hibridas solar-biomasa para el caso de Cuba es
potencialmente factible a partir de los valores encontrados de radiacioacuten solar
directa en todo el territorio alcanzando estos maacutes de 5 kWhm2-dia durante
todo el antildeo siendo favorable para la implementacioacuten de esta tecnologiacutea
El rendimiento global de cada colector tiene un valor aproximado del 70
debido a las peacuterdidas geomeacutetricas oacutepticas teacutermicas y por las condiciones
meteoroloacutegicas del lugar puesto que al ser Cuba una isla rodeada de mar
hay ocurrencia de un gran nuacutemero de precipitaciones y cielos nublados al
antildeo que afectan considerablemente el factor de disponibilidad del campo
solar
El campo solar tendraacute 4 colectores por lazo y 4 lazos por campo con una
potencia teacutermica de 106 MW lo que representa un aacuterea de casi 45 ha
aumentaacutendose el iacutendice de generacioacuten de electricidad de la planta con su
conversioacuten en planta hibrida (solar-biomasa) de 500 kWhtb a 575 kWhtb
Con la implementacioacuten del proyecto propuesto (hibridacioacuten biomasa-energiacutea
solar) se puede lograr un ahorro de 251586 toneladas de bagazo por zafra
lo que equivale a 30 diacuteas adicionales de generacioacuten eleacutectrica de la planta lo
que extenderiacutea la generacioacuten en la bioeleacutectrica a unos 230 diacuteas acercaacutendose
cada vez maacutes a lo previsto por la poliacutetica existente en el paiacutes de conversioacuten
de centrales en bioeleacutectricas de llegar a los 300 diacuteas Pudieacutendose saldar los
70 diacuteas faltantes con combustibles alternativos como el RAC y el marabuacute con
gran abundancia en nuestros campos
La implementacioacuten en la UEB George Washington de la hibridacioacuten permitiriacutea
anualmente con el excedente de bagazo obtenido una generacioacuten de
electricidad adicional de 145 GWh con una disminucioacuten de 11897 toneladas
de emisiones de CO2 funcionando como una fuente de empleo considerable
para los habitantes de este lugar
El estudio de la hibridacioacuten solar-biomasa en la UEB George Washington
indica que un proyecto de este tipo es factible con una inversioacuten de casi 10
millones de doacutelares logra como resultados maacutes importantes un VAN de maacutes
de 34 millones una TIR de 30 un PRD de aproximadamente 9 antildeos y un
costo nivelado de la electricidad de 0032 $kWh valor de gran motivacioacuten
para la implementacioacuten de esta tecnologiacutea
55
Recomendaciones
Extender el estudio de factibilidad de plantas de energiacutea hiacutebridas biomasa
solar a otros centrales azucareros del paiacutes que se prevean convertir en
bioeleacutectricas
Incluir en la metodologiacutea de anaacutelisis empleada en este trabajo para futuros
estudios otro tipo de tecnologiacuteas de concentracioacuten como pudiera ser la de
colector lineal Fresnel cuya aplicacioacuten ha venido en aumento en los uacuteltimos
antildeos a nivel mundial
Profundizar en el estudio de factibilidad de este proyecto analizando la
influencia de la variacioacuten de paraacutemetros como el salto entaacutelpico en el
intercambiador de calor del campo solar para la optimizacioacuten del disentildeo del
campo solar
56
Bibliografiacutea
BEacuteRRIZ L MADRUGA E 2000 Cuba y las fuentes renovables de energiacutea CUBASOLAR pp 29
CENGEL Y 2012 Termodinaacutemica Meacutexico DF
DAVID A 2007 Business and Finance Israeli Company to build largest solar park in world in US [Online] Available (httpwwwynetnewscom) [Accessed 10 febrero 2018]
E BURIN T V S MULTHAUPT A THELEN G OELJEKLAUS K GOumlRNER E BAZZO 2016 Thermodynamic and economic evaluation of a solar aided sugarcane bagasse cogeneration power plant THE 28TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON EFFICIENCY COST OPTIMIZATION SIMULATION AND ENVIRONMENTAL IMPACT OF ENERGY SYSTEMS
EPA Factor Information REtrieval (FIRE) Software Technology Transfer Network Clearinghouse for Inventories amp Emissions Factors 2004
GACETA 2007 Estrategia Ambiental Nacional Ministerio de Justicia 30 ed Gaceta Oficial Republica de Cuba
GESIME 2014 Conceptualizacioacuten del programa de desarrollo de la energiacutea solar teacutermica en Cuba 2014-2020 MINEM Desarrollado por grupo de desarrollo de la energiacutea solar teacutermica Grupo Empresarial de la Industria Sidero-Mecaacutenica 36
GUTIEacuteRREZ E 2013 ldquoEl azuacutecar cubano adquiere protagonismo energeacuteticordquo Diarios latinoamericanos de Tierrameacuterica
HERRERA I 2016 Poligeneration Workshop KTH Universidad Central Marta Abreu de Las Villas
HIDALGO L 2012 Estudio Teacutecnico-econoacutemico de una central hiacutebrida solar-ciclo combinado Proyecto final de carrera para optar por el tiacutetulo ingeniero teacutecnico de minas Departamento de sistemas energeacuteticos 79
HTTPEOSWEBLARCNASAGOVSSE 2017 Surface Meteorology and Solar Energy [Online] [Accessed 22 noviembre]
HTTPWWWWIKIPEDIAORG 2017 Energiacutea solar teacutermica [Online] [Accessed 17 diciembre 2017]
IDEA 2013 Plan de Energiacuteas (PER) 2011-2020 Instituto para la Diversificacioacuten y Ahorro de la Energiacutea
LA ROSA D 2014 Recuperacioacuten de la disponibilidad de generacioacuten en el ciclo combinado de Energas Varadero con aporte termosolar httpwwwcubasolarcu
MARTIacuteN S 2017 Colector ciliacutendrico paraboacutelico Available from httpwwwtecnoblogsanmartinwordpresscom]
57
MARTIacuteNEZ L 2017 Conjunto de alternativas tecnoloacutegicas para la ingenieriacutea conceptual del estudio de oportunidad de la conversioacuten en bioeleacutectrica del central George Washington Trabajo de diploma Universidad Central ldquoMarta Abreurdquo de Las Villas
MAXWELL E L RENNE DS 1994 Measures of Renewable Energy National Renewable Energy Laboratory
PAREDES C 2012 Disentildeo de captador solar ciliacutendrico paraboacutelico para aplicaciones rurales en Paraguay Proyecto final de carrera para optar por el tiacutetulo de ingeniero teacutecnico de minas Especialidad en recursos energeacuteticos combustibles y explosivos 57
PENCHE C 1998 Manual de pequentildea hidroeleacutectrica D I R E C C I Oacute N G E N E R A L D
E E N E R G I A ( D G X V I I ) 259
PETROLEUM B 2006 BP Statistical Review of World Energy June 2006 Quantifying Energy
PETROLEUM B 2018 Statistical Review of World Energy [Online] Available httpwwwbpcomenergyoutlook [Accessed 12 febrero de 2018]
PITZ-PAAL 2013 Solar thermal power plants BINE-Themeninfo FIZ Karlsruhe GmbH
REN 2013 Global Status Report Paris
REUszlig N 2012 Modern Gas- amp Steam Turbines in Solarthermic Applications 14th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery Honolulu
RIBOT J E A ROVIRA P ROVIRA A BAROacuteN JL 2001 Curso de Energiacutea Solar Centro de Tecnologiacutea Educativa CTE Barcelona Espantildea Obra completa 4ta edicioacuten Leccioacuten 3 El potencial real de la energiacutea solar
RODRIacuteGUEZ J 2015 Metodologiacutea para la caracterizacioacuten termoeconoacutemica de plantas hiacutebridas de generacioacuten de electricidad Tesis Doctoral Universidad Politeacutecnica de Madrid
ROJAS E 2013 Energiacutea Solar Teacutermica Observatorio de energiacutea renovable para Ameacuterica Latina y Caribe Programa de capacitacioacuten de energiacuteas renovables ONUDI 68
SALOMOacuteN R 2016 ldquoBioeleacutectricas despiertan creciente intereacutes mundialrdquo
SALOMOacuteN R 2018 Biomasa fuente de electricidad inagotable para Cuba Diaacutelogos del Sur Prensa Latina de La Habana
SEBASTIAacuteN E 2011 Sistemas de colector ciliacutendrico paraboacutelico para generar energiacutea httpeliseosebastiancom
SHILLING Z NORMAN 2003 IGCC Clean Power Generation Alternative For Solid Fuels Product Line Leader
58
WWWSOLARBUZZCOM H 2016 Abener Signs Contract for Solar Thermal Electric-Combined Cycle Hybrid Plant [Online] [Accessed 16 diciembre 2017]
Resumen
En este trabajo se efectuoacute el dimensionamiento de un campo termo solar con
tecnologiacutea de colectores cilindro paraboacutelicos EUROTrough-150 Dicho campo se
propone con el fin de inyectar energiacutea solar al sistema termo-energeacutetico de la UEB
umlGeorge Washingtonuml y disminuir asiacute el consumo de bagazo en la generacioacuten de
vapor La disminucioacuten en el consumo de bagazo permite acumular dicho combustible
para extender los periacuteodos de generacioacuten de energiacutea eleacutectrica maacutes allaacute del periacuteodo
de zafra El disentildeo del sistema que se propone consiste esencialmente en elevar la
temperatura del agua de alimentacioacuten a la caldera hasta 260 oC con energiacutea solar
Para ello se realizoacute un estudio de la radiacioacuten solar directa incidente en la zona donde
estaacute ubicada la UEB siendo esta idoacutenea para la instalacioacuten de tecnologiacuteas de
concentracioacuten solar Se disentildeoacute el campo solar y se calcularon las peacuterdidas inherentes
a cada colector logrando un rendimiento global de aproximadamente 70 Inciden
sobre esta eficiencia las peacuterdidas geomeacutetricas oacutepticas teacutermicas y las condiciones
meteoroloacutegicas del lugar Se evaluaron las caracteriacutesticas del terreno para
dimensionar el campo solar cercaniacutea a los recursos hiacutedricos y a la red eleacutectrica
nacional lo que resulto adecuado para implementar esta tecnologiacutea Se analizoacute un
anaacutelisis econoacutemico y de impacto ambiental del esquema propuesto encontraacutendose
que es econoacutemicamente factible con un VAN de 34 millones de USD y una TIR del
30 y un periacuteodo de recuperacioacuten de la inversioacuten de 9 antildeos y 10 meses
Palabras clave campo termo solar rendimiento global radiacioacuten solar impacto
ambiental
Abstract
In this work the dimensioning of a solar thermal field with parabolic trough collector technology EUROTrough-150 was carried out This field is proposed in order to inject solar energy into the thermo-energy system of the UEB George Washington and thus reduce the consumption of bagasse in steam generation The decrease in bagasse consumption allows the accumulation of such fuel to extend the periods of generation of electric power beyond the harvest period The design of the proposed system consists essentially in raising the temperature of the feed water to the boiler
up to 260 ⁰C with solar energy For this purpose a study of direct solar radiation was
carried out in the area where the UEB is located being ideal for the installation of solar concentration technologies The solar field was designed and the losses inherent to each collector were calculated achieving an overall yield of approximately 70 The geometric optical and thermal losses and the meteorological conditions of the place affect this efficiency The characteristics of the UEB location were evaluated to dimension the solar field proximity to water resources and the national electricity grid which was adequate to implement this technology An economic and environmental impact analysis of the proposed scheme was analyzed finding that it is economically feasible with a NPV of USD 34 million and an IRR of 30 and an investment recovery period of 9 years and 10 months
Key words solar thermal field global performance solar radiation environmental impact
Iacutendice
Introduccioacuten 1
Capiacutetulo 1 Revisioacuten Bibliograacutefica 4
11 Ciclo termodinaacutemico de la industria azucarera 4
12 Concepto de bioeleacutectrica 6
13 Planta hiacutebrida 6
14 La energiacutea solar 7
15 Sistemas teacutermicos solares 8
151 Sistemas de torre central (STC) 9
152 Disco Paraboacutelico (DP) 10
153 Concentrador lineal Fresnel 12
154 Colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP) 12
16 Orientacioacuten del colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP) 16
17 Peacuterdidas en un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP) 17
171 Peacuterdidas geomeacutetricas 17
172 Peacuterdidas oacutepticas 17
173 Peacuterdidas teacutermicas 17
18 Rendimiento de un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP) 18
19 Disentildeos hiacutebridos 18
110 Influencia de la industria azucarera en Cuba 22
111 Propuesta para la hibridacioacuten de la bioeleacutectrica con energiacutea renovable 23
Conclusiones parciales 25
Capiacutetulo 2 Materiales y Meacutetodos 26
21 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB uml George Washington uml 26
211 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa 26
212 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea (nuacutemero de horas en que el sol estaacute sobre
el horizonte) 27
213 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP) 28
214 Peacuterdidas geomeacutetricas 29
215 Peacuterdidas oacutepticas 30
216 Peacuterdidas teacutermicas 31
22 Dimensionamiento del campo solar de la zona de la UEB uml George Washington uml
33
221 Caracterizacioacuten del terrero 34
222 Balance energeacutetico en el generador de vapor solar (GVS) 34
223 Caacutelculo del nuacutemero de lazos 35
224 Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF por cada lazo 36
225 Incremento de temperatura del HTF en un colector 37
226 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo 37
227 Nuacutemero de lazos en el campo solar 37
23 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un antildeo)
38
24 Factibilidad econoacutemica del proyecto 38
241 Valor actual neto (VAN) 38
242 Tasa interna de retorno (TIR) 40
243 Periacuteodo de recuperacioacuten de la inversioacuten 40
Conclusiones parciales 41
Capiacutetulo 3 Resultados y Discusioacuten 42
31 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB umlGeorge Washington uml 42
311 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa 42
312 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea 44
32 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP) 44
321 Peacuterdidas geomeacutetricas 44
322 Peacuterdidas oacutepticas 45
323 Peacuterdidas teacutermicas 46
33 Dimensionamiento del campo solar 47
331 Caracterizacioacuten del terrero 47
332 Balance energeacutetico en el intercambiador de calor 47
333 Caacutelculo del nuacutemero de lazos 48
3331 Caacutelculo del caudal miacutenimo de circulacioacuten del fluido de transferencia de calor
(HTF) por cada lazo 48
3332 Incremento de la temperatura del HTF en un colector 48
3333 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo 49
3334 Nuacutemero de lazos en el campo solar 49
334 Caacutelculo del ahorro de bagazo propiciado por el campo 49
34 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un antildeo)
50
35 Factibilidad econoacutemica del proyecto 50
351 Tasa interna de retorno (TIR) 52
352 Valor actual neto (VAN) 53
353 Periacuteodo de recuperacioacuten (PR) 53
Conclusiones 54
Recomendaciones 55
1
Introduccioacuten
Las tendencias en el aumento de las temperaturas medias y el consecuente
calentamiento global son ya una amenaza para la vida existen en el presente
evidencias de sus impactos y Cuba no se encuentra exenta ejemplo de ello son
Degradacioacuten de los suelos (erosioacuten drenaje salinidad acidez compactacioacuten entre
otros) Estos afectan grandes extensiones de superficie agriacutecola del paiacutes (Gaceta
2007) Tambieacuten se ha visto maacutes recientemente el aumento de la intensidad de los
ciclones y la cantidad de estos que se forman anualmente Un ejemplo de esto fue el
huracaacuten Irma que azotoacute la isla a finales del antildeo 2017 siendo este de categoriacutea 5
afectando a casi todo el territorio nacional causando grandes dantildeos materiales Papel
protagoacutenico en este resquebrajamiento de la salud del planeta lo tiene el uso
indiscriminado de los combustibles foacutesiles Actualmente la mayor parte de la
generacioacuten de energiacutea teacutermica en el mundo estaacute basada en hidrocarburos
provenientes del petroacuteleo y gas natural cuyas reservas probadas permitiraacuten satisfacer
la demanda soacutelo para algunos antildeos maacutes ya que se cuenta con estudios que
demuestran que las reservas de petroacuteleo mundial solo constan con aproximadamente
15 mil millones de barriles lo necesario para satisfacer las necesidades de la
poblacioacuten mundial por tan solo 506 antildeos (Petroleum 2018) Aun cuando hubiese
suficientes recursos foacutesiles para cubrir la creciente demanda el problema estaacute
relacionado con la contaminacioacuten especiacuteficamente con las altas emisiones de CO2 y
muchos otros que afectan seriamente el ecosistema
Se han realizados esfuerzos importantes por parte de la comunidad internacional
para la proteccioacuten del medio ambiente como son el protocolo de Montreal el protocolo
de Kioto y el tratado de Paris Bajo estos acuerdos internacionales es donde la
tecnologiacutea relacionada con el aprovechamiento de la radiacioacuten solar se reconoce
como una solucioacuten apropiada para la generacioacuten de energiacutea teacutermica y eleacutectrica Se
debe recordar que la transformacioacuten de la radiacioacuten solar es la fuente primordial de
las tecnologiacuteas renovables ya que el viento olas hidroeleacutectrica e incluso biomasa
son resultado de la potencia proveniente del Sol (Maxwell 1994 Shilling 2003)
Si bien las fuentes renovables de energiacutea tienen gran potencial econoacutemico sin olvidar
desde luego su bajo impacto ambiental hasta la fecha no han sido ampliamente
explotadas y comercializadas Lo anterior se debe principalmente al costo de
inversioacuten relativamente alto para desarrollar estas tecnologiacuteas Ademaacutes estos
sistemas no han tenido un mayor despliegue debido a la intermitencia y
requerimientos de almacenamiento de energiacutea por lo que es comuacuten que se opte por
fuentes convencionales Sin embargo en los sistemas con fuentes renovables
ademaacutes de su bajo impacto ambiental un punto que se debe considerar es el costo
2
de operacioacuten ya que estas tecnologiacuteas no presentan consumo de combustible para
su operacioacuten Asiacute la amortizacioacuten de los sistemas con fuentes renovables ocurre por
el ahorro de los costos asociados al consumo de combustible Dado que la energiacutea
solar en su forma primaria es gratuita el reto es disentildear sistemas de captacioacuten y
aprovechamiento que transformen esta energiacutea con sistemas que sean econoacutemicos
y faacutecilmente operables Sin embargo para el aprovechamiento de la energiacutea solar se
tiene como primera limitante su baja densidad de potencia comparada con los
combustibles foacutesiles por lo que se busca sistemas con elevada eficiencia de
conversioacuten Otra limitante es su intermitencia ya sea por el ciclo diacutea-noche o bien por
condiciones atmosfeacutericas adversas como lluvia o nublados y por la estacionalidad
En Cuba las energiacuteas renovables solo representan 46 por ciento de la generacioacuten
eleacutectrica y el resto lo aportan los combustibles foacutesiles de esto la industria azucarera
aporta el 35 por ciento Existe en Cuba un programa nacional de fuentes renovables
de energiacutea y eficiencia energeacutetica El plan para elevar la eficiencia energeacutetica
contempla que para 2030 un total de 25 ingenios generen un excedente de 872 MW
conectados a la red del Sistema Eleacutectrico Nacional Para alcanzar este objetivo se
modernizan los ingenios para transformarlos en modernas plantas bioeleacutectricas Las
inversiones estimadas estaacuten en el orden de los 1290 millones de doacutelares que se
pretenden obtener de diversas formas (Gutieacuterrez 2013)
Este trabajo tiene como propoacutesito estudiar la integracioacuten de energiacutea solar teacutermica con
biomasa para la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica y teacutermica en los esquemas
energeacuteticos de las bioeleacutectricas en Cuba Se tomaraacute como caso de estudio la Unidad
Empresarial de Base uml George Washington uml donde se evaluaraacute incorporar al
economizador de la caldera de vapor agua calentada por un campo solar compuesto
por colectores ciliacutendrico paraboacutelico prototipo EUROTrough-150 Se espera con la
introduccioacuten de esta tecnologiacutea ahorrar bagazo para que sea utilizado en la eacutepoca
pos zafra por la bioeleacutectrica que se preveacute instalar alliacute La caldera del Central basa su
funcionamiento en utilizar como combustible el bagazo residual del proceso de la
elaboracioacuten de azuacutecar
Problema
La insuficiente biomasa cantildeera para que las bioeleacutectricas alcancen al menos 300 diacuteas
de generacioacuten de energiacutea al antildeo causa que los periacuteodos de recuperacioacuten de la
inversioacuten en esta tecnologiacutea sean muy prolongados siendo una posible solucioacuten la
hibridacioacuten de biomasa cantildeera con energiacutea solar teacutermica de concentracioacuten
Se planteoacute la siguiente hipoacutetesis
Si se realiza un estudio de factibilidad de combinar la energiacutea solar teacutermica con la
biomasa cantildeera en las condiciones de Cuba se lograraacute economizar biomasa cantildeera
3
para que las bioeleacutectricas alcancen al menos 300 diacuteas de generacioacuten de energiacutea al
antildeo y a la vez lograr que se reduzcan los periacuteodos de recuperacioacuten de las inversiones
de las bioeleacutectricas en el paiacutes
Por todo lo antes expuesto y para la realizacioacuten de este trabajo de ingenieriacutea se
definioacute el siguiente objetivo general
Estudiar la factibilidad de combinar la energiacutea solar teacutermica de concentracioacuten con
biomasa cantildeera para aumentar la generacioacuten de electricidad al menos 300 diacuteas al
antildeo en las bioeleacutectricas en Cuba
Y como objetivos especiacuteficos
Determinar el potencial solar en la zona central del paiacutes para seleccionar la
tecnologiacutea de concentracioacuten solar y el esquema maacutes factible de hibridacioacuten en la
bioeleacutectrica para las condiciones de Cuba
Realizar el dimensionamiento oacuteptimo del campo solar teacutermico de concentracioacuten para
inyectar energiacutea al ciclo de las bioeleacutectricas proyectadas
Analizar la factibilidad de una propuesta de bioeleacutectrica hiacutebrida biomasa-solar
mediante el uso de indicadores econoacutemicos como el costo nivelado de la energiacutea
generada costo de inversioacuten VAN y TIR asiacute como el impacto ambiental causado
por esta para el caso de estudio UEB umlGeorge Washingtonuml
4
Capiacutetulo 1 Revisioacuten Bibliograacutefica
En este capiacutetulo se realizoacute una recopilacioacuten seleccioacuten y anaacutelisis de la literatura
consultada que constituye el marco teoacuterico del trabajo Se reconocieron las
contribuciones de otros autores buscaacutendose una loacutegica entre los propoacutesitos
investigativos y el conocimiento que existe acerca del problema que se abordoacute
11 Ciclo termodinaacutemico de la industria azucarera
En la industria azucarera cubana al igual que en todo el mundo se emplea un ciclo
de potencia de vapor especiacuteficamente un ciclo Rankine con algunas desviaciones
Se consideran ciclos de potencia de vapor en los que el fluido de trabajo se evapora
y condensa alternadamente Asimismo se analiza la generacioacuten de potencia
acoplada con un proceso de calentamiento llamada cogeneracioacuten La constante
demanda de eficiencias teacutermicas maacutes altas ha producido algunas modificaciones
innovadoras en el ciclo baacutesico de potencia de vapor Entre eacutestos se estudian ciclos
con recalentamiento y regenerativo asiacute como ciclos combinados de potencia de gas
y vapor El vapor de agua es el fluido de trabajo usado para estos ciclos de potencia
de vapor en la industria azucarera debido a sus muchas y atractivas caracteriacutesticas
como bajo costo disponibilidad y alta entalpiacutea de vaporizacioacuten(Cengel 2012)
El ciclo Rankine ideal simple consta de cuatro procesos que son los siguientes
1-2 Compresioacuten isentroacutepica en una bomba
2-3 Adicioacuten de calor a presioacuten constante en una caldera
3-4 Expansioacuten isentroacutepica en una turbina
4-1 Rechazo de calor a presioacuten constante en un condensador
Figura 1 Ciclo Rankine ideal simple
5
En la industria azucarera este ciclo de potencia no se encuentra asiacute del todo puesto
que se le realizan algunas modificaciones ya que el proceso es el que funciona como
condensador del ciclo y en otros casos como es el de las bioeleacutectricas que se
pretenden instalar se realiza un recalentamiento a la salida de la turbina de alta para
luego ser insertado en una turbina de baja Tambieacuten se colocan calentadores
regenerativos con el fin de calentar el agua a la entrada de la caldera o como se
plantea en este trabajo se puede hibridar con un campo termosolar que funcione
como calentador del agua que entra a la caldera todas estas medidas con el fin de
aumentar la eficiencia del ciclo
Al existir una generacioacuten de potencia en forma de energiacutea eleacutectrica y una demanda
de calor necesaria para el proceso de fabricacioacuten de azuacutecar el ciclo termodinaacutemico
pasa a ser un esquema de cogeneracioacuten (Herrera 2016) el cual se muestra en la
figura siguiente
Lo centrales azucareros convencionales no presentan condensador la funcioacuten de
este la realiza netamente el proceso Por lo que existe una equivalencia entre los
flujos de vapor utilizados para la generacioacuten y los que se usan en el proceso sin
poder realizar un aumento considerable de estos limitando asiacute la generacioacuten de
potencia eleacutectrica En el caso de la bioeleacutectrica no ocurre asiacute puesto que aumentan
los paraacutemetros del ciclo y con este los flujos de la sustancia termoportadora Siendo
necesaria la presencia de un condensador ya que con el proceso no basta para
Figura 2 Ciclo de cogeneracioacuten
6
condensar las enormes cantidades de vapor y que luego puedan ser transportadas
por las bombas asiacutea la caldera
12 Concepto de bioeleacutectrica
Una bioeleacutectrica es una planta de cogeneracioacuten que se construye en un aacuterea aledantildea
al central lo que facilita no detener las zafras durante el periacuteodo de construccioacuten y
montaje Su funcionamiento consiste en un ciclo Rankin con mejoras que consta de
una caldera de alta presioacuten para el proceso de adiccioacuten de calor posteriormente se
expande en una turbina de vapor y se realiza una extraccioacuten para el proceso luego
se condensa el vapor de escape de la turbina y se bombea nuevamente a la caldera
Cuando se realiza su puesta en marcha opera abastecieacutendose de todo el bagazo
producido residuos agriacutecolas y del condensado de vapor puro procedente de los
equipos de calentamiento evaporacioacuten y tachos provenientes de la faacutebrica de azuacutecar
a la que a su vez suministra el vapor de escape de los turbogeneradores para el
proceso de fabricacioacuten del endulzante asiacute como la electricidad que necesita El
excedente eleacutectrico del proceso fabril del azuacutecar se vende al Sistema Eleacutectrico
Nacional (SEN)(Salomoacuten 2018)
13 Planta hiacutebrida
Una planta hiacutebrida se define como una planta que utiliza dos o maacutes recursos
energeacuteticos en este caso solar y biomasa aprovechando las ventajas de cada uno y
disminuyendo sus desventajas como por ejemplo
Se mejora la eficiencia solar eleacutectrica
Se eliminan los arranques y paradas de la turbina que limitan su eficiencia y
encarecen su mantenimiento
Se garantiza un suministro eleacutectrico independientemente del recurso solar Ya no
es necesario el uso de sistemas de almacenamiento para satisfacer la curva de
demanda
Los costes de inversioacuten se reducen se reducen los riesgos de inversioacuten al estar
garantizada la generacioacuten de electricidad Adicionalmente se pueden aprovechar las
instalaciones ya existentes La reduccioacuten en los costes permite operar en lugares con
menor radiacioacuten solar
Sin embargo las plantas hibridas presentan incertidumbre sobre su comportamiento
a lo largo del tiempo debido a la variabilidad temporal del recurso solar de la
demanda eleacutectrica y del solapamiento de ambos Es necesario establecer coacutemo se
van a comportar las instalaciones a lo largo d un antildeo y de este modo poder determinar
su idoneidad bajo unas condiciones de radiacioacuten y de demanda eleacutectrica
dependientes del tiempo(Rodriacuteguez 2015)
7
Los principales componentes que forman parte de una planta hiacutebrida solar-biomasa
se distinguen como el bloque solar el bloque de potencia y la hibridacioacuten
Bloque solar Es donde la energiacutea del sol es convertida en energiacutea teacutermica La
tecnologiacutea solar empleada depende del rango de temperaturas de operacioacuten de la
planta hibrida Es necesario que sean compatibles con las del bloque de potencia
Bloque de potencia es el ciclo termodinaacutemico que convierte la energiacutea teacutermica en
eleacutectrica
Hibridacioacuten es el modo en que el bloque de potencia y el bloque solar son
conectados
14 La energiacutea solar
El Sol es un enorme reactor de fusioacuten nuclear formado por una esfera de materia
gaseosa caliente de 139 millones de kiloacutemetros de diaacutemetro que constituye la
principal fuente de energiacutea para la Tierra situada a una distancia media de 149106
km Debido a la radiacioacuten solar la temperatura en la superficie terrestre es alrededor
de 250ordmC superior a la temperatura que habriacutea en la superficie si eacutesta dependiera
solo del calor interno El Sol radia continuamente una potencia de 38middot1023 kW de
los cuales la Tierra intercepta 17middot1014 kW La energiacutea solar recibida en la atmoacutesfera
exterior de la Tierra en un antildeo se conoce con el nombre de SERPY (Solar Energy
Received Per Year) y corresponde a 155middot1015 MWh cantidad que equivale
aproximadamente a 12000 veces la energiacutea consumida en el mundo si se tienen en
cuenta los datos publicados de produccioacuten y consumo energeacutetico mundial durante el
antildeo 2005 (Petroleum 2006) De la radiacioacuten recibida en la superficie exterior el 30
se refleja al espacio el 47 es absorbido por la atmoacutesfera mares y tierra para
mantener la temperatura ambiente y el restante 23 se usa para mantener la
conveccioacuten atmosfeacuterica y el ciclo hidroloacutegico (Rojas 2013)
La radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera tiene un valor constante de unos 1300 Wm
denominaacutendose constante solar Sin embargo toda esta energiacutea no puede ser
aprovechada debido a diferentes fenoacutemenos que se interponen en su camino desde
el Sol hasta la superficie terrestre Al atravesar la atmoacutesfera las nubes dispersan la
radiacioacuten separaacutendola en radiacioacuten directa y difusa Las sombras causadas por
objetos proacuteximos tambieacuten contribuyen a atenuar el valor de la radiacioacuten Finalmente
el hecho de que la direccioacuten del Sol y la superficie captadora no sea la misma
tambieacuten influye en la disminucioacuten de la constante solar Todos estos factores hacen
que la energiacutea que llega a la Tierra sea de unos 1000 Wm en un diacutea claro a las 12
horas del mediodiacutea solar y a nivel del mar Esta energiacutea no es suficiente para alcanzar
las temperaturas que se requieren por lo que se utilizan elementos concentradores
La energiacutea solar tiene muchas aplicaciones donde ser utilizada Estas actividades se
clasifican en tres grupos generacioacuten teacutermica generacioacuten de trabajo y generacioacuten de
friacuteo El primer grupo contiene la generacioacuten de calor para calefaccioacuten agua caliente
8
sanitaria (ACS) desecacioacuten y refrigeracioacuten Dentro de esta divisioacuten existen
diferencias seguacuten la temperatura alcanzada Podemos distinguir procesos de baja
temperatura que usan colectores planos para ACS hasta 60ordmC procesos de media
temperatura para calefaccioacuten y produccioacuten de friacuteo y procesos de alta temperatura en
la industria La generacioacuten teacutermica tambieacuten incluye la arquitectura bioclimaacutetica La
generacioacuten de trabajo se puede dar de forma teacutermica y de forma fotovoltaica Los
parques de heliostatos o concentradores ciliacutendrico-paraboacutelicos producen vapor que
se utiliza en ciclos de potencia mientras que los paneles fotovoltaicos convierten la
luz en electricidad por medio de semiconductores Por uacuteltimo la generacioacuten de friacuteo
se produce por medio de maacutequinas de absorcioacuten
Las tecnologiacuteas usadas para este tipo de energiacutea son colectores planos para
calefaccioacuten y ACS concentracioacuten en torre discos paraboacutelicos colectores ciliacutendricos
paraboacutelicos y colectores Fresnel para la produccioacuten de electricidad Maacutes adelante se
explicaraacuten con maacutes detalle todas estas tecnologiacuteas
La principal ventaja con la que cuenta la energiacutea solar es que se trata de un recurso
inagotable que estaacute al alcance de todos pero uno de los problemas de esta reside
que la demanda no coincide con la produccioacuten Para ajustar la demanda a la
produccioacuten se hace necesario el uso de sistemas de almacenamiento Otro problema
a tener en cuenta es la intermitencia del recurso solar A lo largo del antildeo hay
numerosos diacuteas en los que las nubes impiden el correcto aprovechamiento de la
energiacutea solar La solucioacuten a este problema es la instalacioacuten de un sistema de apoyo
consistente generalmente en una caldera auxiliar operada con un combustible foacutesil
De este modo se puede prescindir de los sistemas de almacenaje (Paredes 2012)
15 Sistemas teacutermicos solares El objetivo esencial de cualquier sistema teacutermico solar es captar la radiacioacuten que
proviene del sol para transformarla en energiacutea teacutermica de un fluido y transportarla de
la manera maacutes econoacutemica y eficaz posible a un usuario Las aplicaciones del
aprovechamiento solar pueden ser directas en forma de calor o bien indirectas
utilizando este calor para obtener trabajo mecaacutenico en un eje y finalmente
electricidad Entre las tecnologiacuteas existentes hay tres que destacan por su grado de
desarrollo los sistemas de colectores cilindro paraboacutelicos (CCP) los sistemas de
receptor central (SRC) o sistemas de torre central (STC) y los discos paraboacutelicos
(DP) o maacutes propiamente paraboloides de revolucioacuten Tambieacuten existen los sistemas
de concentradores lineales Fresnel (CLF) que a pesar de no estar ampliamente
desarrollados en cuanto a tecnologiacutea se refiere merecen una mencioacuten Aunque los
campos de aplicacioacuten de los Sistemas Termo-solares de Concentracioacuten (CSTS) son
diversos es en los campos de generacioacuten de electricidad vapor de proceso o de
ambos simultaacuteneamente donde estos sistemas han alcanzado su mayor grado de
desarrollo dando lugar a Centrales Energeacuteticas Termo-solares (CETS) Las CETS
son entre los sistemas basados en el aprovechamiento de las energiacuteas renovables
uno de los de mayor potencial de contribucioacuten a la satisfaccioacuten de la demanda
9
energeacutetica especialmente en las regiones situadas en el llamado ldquocinturoacuten solarrdquo
que son aquellas que se encuentran entre las latitudes 35o norte y 35o sur (Paredes
2012)
151 Sistemas de torre central (STC)
Este sistema se caracteriza porque el conjunto colector estaacute compuesto por un grupo
maacutes o menos numeroso de concentradores planos individuales llamados heliostatos
los cuales dirigen la radiacioacuten solar concentrada hacia un receptor central situado en
lo alto de una torre Por tanto la concentracioacuten de la radiacioacuten se produce en tres
dimensiones por lo que el valor de la razoacuten de concentracioacuten es muy elevado asiacute
como las temperaturas que se alcanzan pudiendo llegar eacutestas a los 1500 degC
Figura 3 Esquema de un STC Fuente Greenpeace
A parte de los componentes principales del sistema que se detallan maacutes adelante
para un correcto funcionamiento del sistema se requieren una serie de equipos y
sistemas auxiliares como el sistema de caracterizacioacuten de imaacutegenes blancos
lambertianos para evaluacioacuten de imaacutegenes ajustes de offsets etc
El sistema colector El heliostato es junto con el receptor uno de los componentes
que representa mayor importancia dentro del sistema llegando a suponer hasta un
60 del coste total de la parte solar Su funcioacuten es la de captar la radiacioacuten solar y
redirigirla hacia el receptor
Estaacute compuesto baacutesicamente por una superficie reflectante ndashespejos de vidrio como
los de los CCPs ademaacutes de una estructura soporte mecanismos de movimiento y
un sistema de control
En cuanto al tamantildeo existen de varias dimensiones desde 40 o 50 m2 hasta su
evolucioacuten a los 150 m2 Aunque actualmente se tiende a los heliostatos maacutes
10
pequentildeos pues suponen una simplificacioacuten y abaratamiento en los procesos de
transporte instalacioacuten y puesta en servicio El campo de heliostatos en relacioacuten al
receptor estaacute condicionado en gran parte por la orografiacutea del terreno por el tamantildeo
de la planta y por la disposicioacuten del receptor Las dos formas claacutesicas de colocar los
heliostatos son
Campo circundante heliostatos alrededor de la torre
Campo Norte-Sur heliostatos a un lado de la Torre La orientacioacuten dependeraacute de
en queacute latitud se encuentre el emplazamiento
No obstante existen otras disposiciones que tratan de aprovechar la orografiacutea del
terreno (por ejemplo una ladera orientada al Sur) o usan un concentrador secundario
para evitar los inconvenientes derivados de situar el receptor sobre una torre
La torre La funcioacuten de la torre es la de servir de soporte al receptor que
normalmente debe situarse a una cierta altura sobre el nivel del campo de helioacutestatos
para reducir las sombras y bloqueos entre eacutestos y a diversos elementos auxiliares
(blancos lambertianos sistemas de medida etc) Hasta hoy las torres construidas
han sido de estructuras metaacutelicas o de hormigoacuten
El receptor Es el dispositivo donde se produce la conversioacuten de la radiacioacuten solar
concentrada en energiacutea teacutermica
152 Disco Paraboacutelico (DP)
Los sistemas de discos paraboacutelicos se componen baacutesicamente en un reflector o en
un conjunto de reflectores que tienen forma de paraboloide de revolucioacuten Ademaacutes
poseen un receptor situado en el foco puntual de dicho paraboloide y de un sistema
de generacioacuten eleacutectrica compacto (un motor o una turbina maacutes un alternador) Por lo
general receptor y sistema de generacioacuten suelen formar parte de un mismo conjunto
El principio de funcionamiento es el mismo que para los CCPacutes es decir la radiacioacuten
concentrada por el paraboloide incide sobre el receptor donde se convierte en
energiacutea teacutermica (pudiendo alcanzar los 1500 oC que permite generar electricidad Los
elementos principales del colector Disco Paraboacutelico son los siguientes
Concentrador La forma de la superficie reflexiva en este tipo de sistema es la de
un paraboloide de revolucioacuten cuyo tamantildeo depende de la potencia nominal y de la
energiacutea que se desea generar en un determinado tiempo y bajo unas condiciones de
radiacioacuten determinadas
Receptor Es un sistema de discos paraboacutelicos que tienen dos funciones
fundamentales por un lado la de absorber la radiacioacuten solar reflejada por el
concentrador y por el otro transferir la energiacutea absorbida al fluido de trabajo de la
maacutequina asociada Hasta la fecha existen dos tipos de reflectores tubos
directamente iluminados por la reflexioacuten de los rayos y receptores de reflujo
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Sistema de Seguimiento Con objeto de seguir la posicioacuten del sol en todo momento
los discos paraboacutelicos realizan un seguimiento de eacuteste en dos ejes Se realiza seguacuten
dos tipos de montaje
Seguimiento en acimut-elevacioacuten en el que el movimiento se realiza seguacuten dos
ejes el vertical y el horizontal
Seguimiento polar en el que el movimiento en un eje es muy lento pues solo se
debe seguir las variaciones estacionales del sol y el movimiento en el otro eje es a
velocidad constante
Actualmente el uso de discos paraboacutelicos para generar electricidad se encuentra en
fase de desarrollo en algunas plantas experimentales como la de Planta Solar de
Almeriacutea pero la falta de fiabilidad y su elevado coste constituyen los principales
obstaacuteculos para su introduccioacuten real en la generacioacuten eleacutectrica En cambio
atendiendo a la misma forma estructural y con el mismo principio de reflexioacuten en un
foco puntual del paraboloide de revolucioacuten es muy comuacuten encontrar a nivel
particular cocinas solares
Figura 4 Esquema de un Disco Paraboacutelico Fuente Greenpeace
12
153 Concentrador lineal Fresnel
Esta tecnologiacutea es la maacutes nueva de las cuatro que actualmente hay disponible para
los sistemas solares de concentracioacuten Son captadores de foco lineal en los que
largos reflectores que poseen ejes de giros independientes y paralelos reflejan la
radiacioacuten solar directa sobre un tubo receptor situado sobre ellos Es la tecnologiacutea
maacutes joven de las cuatro descritas por lo que existen actualmente solo dos plantas
comerciales en funcionamiento con una potencia eleacutectrica total de 64 MWe
Figura 5 Concentrador Lineal Fresnel
154 Colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Esta tecnologiacutea cilindro-paraboacutelica basa su funcionamiento en seguimiento solar y en
la concentracioacuten de los rayos solares en unos tubos receptores de alta eficiencia
teacutermica localizados en la liacutenea focal de los cilindros En estos tubos un fluido
transmisor de calor tal como aceite sinteacutetico es calentado aproximadamente a
400ordmC por los rayos solares concentrados El aceite es bombeado a traveacutes de una
serie de intercambiadores de calor para producir vapor sobrecalentado El calor
presente en este vapor se convierte en energiacutea eleacutectrica en una turbina de vapor
convencional Los colectores cilindro-paraboacutelicos se emplean maacutes a escala industrial
de 10 a 100 MW para la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica en un campo solar y en un
sistema de potencia En el campo solar la energiacutea de la radiacioacuten solar se transforma
en energiacutea teacutermica en una serie de filas paralelas de colectores cilindro-paraboacutelicos
cada uno de ellos con seguimiento solar La eficiencia durabilidad y costo de una
central con colectores cilindro-paraboacutelicos depende fuertemente de la estructura y
robustez del colector Un moacutedulo colector generalmente compuesto de elementos
de 12 m de largo conectados en serie puede tener hasta 150 m de longitud Sus
espejos paraboacutelicos reflejan la radiacioacuten solar y la concentran sobre un tubo
absorbente en su liacutenea focal (Sebastiaacuten 2011)
13
A principios del siglo pasado (1912) la primera planta de canal paraboacutelico fue
construida en Meadi Egipto para bombeo de agua Con 79 plantas 31425 MW
instalados esta tecnologiacutea es la maacutes madura de las tecnologiacuteas CSP (maacutes de 100
antildeos de experiencia en operacioacuten) (GESIME 2014)
Las primeras centrales con colectores cilindro-paraboacutelicos operan comercialmente en
California desde 1985 En este periodo de tiempo han generado maacutes de doce mil
millones de kilowatts hora de electricidad lo que es suficiente para suministrar
electricidad a aproximadamente doce millones de personas durante un antildeo Al igual
que en centrales teacutermicas con combustibles convencionales y tambieacuten en centrales
nucleares la corriente se genera en las centrales solares teacutermicas con una turbina a
vapor y un generador acoplado (Martiacuten 2017)
El Sistema de Generacioacuten de Energiacutea solar (en ingleacutes Solar Energy Generating
System SEGS) es un conjunto de nueve plantas con una capacidad total de 350 MW
Actualmente es el sistema solar operacional maacutes grande (tanto del tipo termal o no)
La planta Nevada Solar One tiene una capacidad de 64 MW Estaacuten en construccioacuten
las plantas Andasol 1 y 2 en Espantildea cada planta tiene una capacidad de 50 MW sin
embargo estas plantas son de un disentildeo que tiene un sistema de almacenamiento
de calor que requiere un terreno con colectores solares mayor en relacioacuten al tamantildeo
del que deberiacutea tener para su generacioacuten El almacenamiento de calor permite una
mejor utilizacioacuten de las turbinas de vapor Con una operacioacuten diurna y parcialmente
nocturna la turbina de vapor de Andasol 1 con una capacidad de punta de 50 MW
produce maacutes energiacutea que Nevada Solar One con una capacidad de punta de 64 MW
debido al sistema de almacenamiento de calor y un terreno de colectores maacutes grande
que posee la planta de Andasol 1(httpwwwwikipediaorg 2017)
Existiacutea la propuesta de instalar 553 MW adicionales en el Mojave Solar Park
California (David 2007) pero este proyecto fue cancelado en el antildeo 2011 Tambieacuten
IBERDROLA (2013) puso en marcha en Egipto la central de Kuraymat de 150
megavatios (MW) de potencia Se trata de una instalacioacuten pionera en el mundo dado
que incorpora una tecnologiacutea que utiliza de forma combinada el gas y la energiacutea solar
lo que contribuye a disminuir las emisiones de CO2 y a mejorar el rendimiento global
de la planta Tambieacuten se generan 25 MW de vapor como aporte para una planta de
gas en Hassi Rmel Argelia (wwwsolarbuzzcom 2016)
El gobierno de India ha comenzado a desarrollar una iniciativa llamada Jawaharlal
Nehru National Solar Mission (tambieacuten conocida como la misioacuten solar nacional) para
resolver el problema de abastecimiento de energiacutea eleacutectrica
(httpwwwwikipediaorg 2017)
14
Figura 6 Esquema de un CCP Fuente Greenpeace
En la figura 6 se pueden ver los elementos principales del conjunto del colector de
forma maacutes detallada se definen del siguiente modo
El Reflector Ciliacutendrico Paraboacutelico su misioacuten es la de reflejar y concentrar sobre el
Receptor la radiacioacuten solar directa incidente sobre la superficie A grandes rasgos es
un espejo curvo que forma en una de sus dimensiones una paraacutebola de forma que
concentra sobre su liacutenea focal toda la radiacioacuten reflejada Entre los materiales usados
para la reflexioacuten encontramos plaacutesticos recubiertos con peliacuteculas de plata o aluminio
chapas metaacutelicas o el maacutes usado vidrios sobre los que se depositan una capa de
plata junto con un protector de base de cobre y pintura epoxi
El tubo de absorcioacuten o Receptor El tubo absorbedor consta de dos tubos
conceacutentricos separados por un espacio de vaciacuteo El tubo interior por el que circula
el fluido calo-portador es metaacutelico y el exterior es de cristal
El tubo interior es tratado con un recubrimiento metaacutelico selectivo que puede consistir
en una fina capa de cromo niacutequel cobalto o alguacuten otro acabado logrado por
Sputtering o Deposicioacuten Fiacutesica de Vapor (PVD por sus siglas en ingleacutes) Dicho
recubrimiento otorga al tubo sus propiedades uacutetiles para eacuteste uso elevada
absortividad a lo largo de todo el espectro solar y una baja emisividad en el espectro
infrarrojo lo cual se traduce en un elevado rendimiento teacutermico El tubo exterior de
vidrio cumple dos propoacutesitos de igual importancia el primero es proteger el
recubrimiento selectivo del tubo interior y minimizar las perdidas teacutermicas por
conveccioacuten Para aumentar el rendimiento oacuteptico del captador es comuacuten la utilizacioacuten
de un tratamiento antireflexivo en ambas caras del tubo de vidrio que logra mejorar
15
la transmisividad Para lograr mantener el vaciacuteo necesario entre los dos tubos se suele
soldar cada tubo el de vidrio y el de metal por separado a un fuelle metaacutelico que
soporta las diferentes dilataciones de cada material al variar la temperatura Con esto
se logra flexibilizar la unioacuten entre los dos tubos evitando grietas por las que pudiera
ingresar aire al vaciacuteo Otro mecanismo que se utiliza para mantener el vaciacuteo son los
llamados getters en ingleacutes que son colocados en el vaciacuteo debido a su propiedad de
reaccionar quiacutemicamente o por absorcioacuten con cualquier moleacutecula de gas que pudiera
penetrar al espacio confinado atrapaacutendolo y asiacute manteniendo el espacio libre de
cualquier elemento
Figura 7 Esquema del tubo de absorcioacuten o Receptor
El Sistema de Seguimiento Solar El seguimiento del Sol se hace con el objetivo
de aprovechar la mayor parte de horas posibles de luz de forma que la radiacioacuten
solar llegue lo maacutes perpendicularmente posible al colector y se mantengan en el foco
lineal continuamente Los CCPacutes pueden tener seguimiento a dos ejes o a un uacutenico
eje Normalmente el seguimiento se realiza a un eje pues mecaacutenicamente es maacutes
sencillo esto implica menos costos y menores peacuterdidas teacutermicas por no haber
tuberiacuteas pasivas La orientacioacuten puede ser Norte-Sur o Este-Oeste Los mecanismos
de accionamiento que mueven al colector pueden ser eleacutectricos (apropiado para
equipos pequentildeos) hidraacuteulicos (para lazos de colectores) y mecaacutenicos (reloj de
pesas) (Paredes 2012)
16
Figura 8 Esquema del seguimiento solar a un eje de un CCP Fuente Greenpeace
Cimentacioacuten y estructura metaacutelica La cimentacioacuten soporta los colectores y los fija
al suelo de forma que el conjunto estructural soporte las cargas para las que fue
disentildeado La misioacuten de la estructura metaacutelica del colector es la de dar rigidez al
conjunto de elementos que lo componen a la vez que hacer de interface con la
cimentacioacuten del propio colector (Hidalgo 2012)
La tecnologiacutea cilindro paraboacutelica es una tecnologiacutea limpia madura y con un extenso
historial que demuestra estar preparada para la instalacioacuten a gran escala Esta
tecnologiacutea lleva siendo instalada a nivel comercial desde los antildeos 80 con un
excepcional comportamiento Desde entonces ha experimentado importantes
mejoras a nivel de costes y rendimientos Actualmente hay maacutes de 1 GWe en
operacioacuten maacutes de 800 MWe en construccioacuten y maacutes de 2 GWe en promocioacuten a nivel
mundial Por lo que es esta la tecnologiacutea maacutes segura a aplicar
16 Orientacioacuten del colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Los captadores cilindro paraboacutelicos suelen estar instalados en los campos solares de
tal manera que sus ejes de rotacioacuten queden orientados bien Norte-Sur o bien Este-
Oeste Con la configuracioacuten Este-Oeste las variaciones estacionales suelen ser
pequentildeas permitiendo tener un aporte teacutermico maacutes estable durante el antildeo a costa
de perder parte de la energiacutea anual disponible Con la configuracioacuten Norte-Sur esa
energiacutea anual suministrada es optimizada al maacuteximo con el punto en contra de tener
variaciones estacionales mucho mayores que con la configuracioacuten Este-Oeste que
en ocasiones y dependiendo de la latitud y de las condiciones atmosfeacutericas del
emplazamiento pueden suponer relaciones de 3 a 1 entre verano e invierno En el
caso de la planta Termo solar acoplada al economizador de la caldera para la
produccioacuten de electricidad de la UEB umlGeorge Washingtonuml se ha realizado el disentildeo
atendiendo al criterio de maximizacioacuten del aporte energeacutetico anual por lo que la
configuracioacuten elegida es la Norte-Sur
17
17 Peacuterdidas en un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Cuando la radiacioacuten solar alcanza la superficie de un colector paraboacutelico se pierde
una cantidad importante de ella debido a diferentes factores El total de las peacuterdidas
se puede dividir en tres grupos
171 Peacuterdidas geomeacutetricas Provocan la disminucioacuten del aacuterea efectiva de captacioacuten
solar de los colectores En un CCP se dividen en peacuterdidas debidas a la posicioacuten
relativa de los colectores entre siacute los cuales se pueden dar sombra unos a otros y
las peacuterdidas inherentes a cada colector que son motivo del aacutengulo de incidencia el
cual provoca que en los extremos del colector haya una peacuterdida de superficie reflexiva
uacutetil La existencia del aacutengulo de incidencia tambieacuten afecta a los valores de la
reflectividad absortividad y transmisividad ya que estos paraacutemetros presentan su
valor maacuteximo cuando el aacutengulo de incidencia es 0deg (Hidalgo 2012)
172 Peacuterdidas oacutepticas Se deben a imperfecciones en los materiales que componen
el colector la superficie del concentrador no es un reflector perfecto ni el vidrio del
tubo absorbedor es completamente transparente ni el recubrimiento selectivo del
tubo metaacutelico es un absorbedor perfecto Los cuatro paraacutemetros que intervienen en
las peacuterdidas oacutepticas de un canal paraboacutelico son la reflectividad de los espejos
paraboacutelicos la absortancia del tubo metaacutelico la transmitancia de la cubierta de vidrio
y el factor de interceptacioacuten (Hidalgo 2012)
Reflectancia ρ no toda la energiacutea incidente es reflejada hacia el tubo
absorbedor
Absortancia α cantidad de radiacioacuten que absorbe la superficie selectiva del
tubo metaacutelico
Transmitancia 120591 de aquella radiacioacuten que intercepta el tubo de vidrio solo
una parte consigue atravesarlo
Factor de interceptacioacuten γ no toda la radiacioacuten reflejada por los espejos
acaba incidiendo sobre el tubo absorbedor Las causas son diversas imperfecciones
en los espejos un mal posicionamiento de los colectores etc
173 Peacuterdidas teacutermicas Principalmente se encuentran asociadas a dos elementos
del sistema el tubo absorbedor y las tuberiacuteas de fluido teacutermico Las perdidas
asociadas estaacuten formadas por perdidas por conduccioacuten por conveccioacuten y por
radiacioacuten de los diferentes medios que conforman el conjunto del tubo absorbedor
es decir por el tubo metaacutelico la cubierta de cristal y la atmosfera De manera que
la potencia teacutermica disipada en el colector equivale a la suma de las peacuterdidas teacutermicas
en el receptor y las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas por donde circula el fluido
teacutermico (HTF) (Hidalgo 2012)
18
Peacuterdidas teacutermicas en el aceite teacutermico (HTF)
Las peacuterdidas teacutermicas asociadas al tubo absorbedor (119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905) se deben a la
diferencia de temperaturas entre eacuteste y el ambiente pudiendo ser por conduccioacuten
por radiacioacuten y por conveccioacuten desde el tubo absorbedor al ambiente Aunque cada
una de estas peacuterdidas podriacutea calcularse aplicando las ecuaciones que rigen los
mecanismos de transferencia de calor antes mencionados en la praacutectica las
peacuterdidas teacutermicas globales en un colector se cuantifican mediante ecuaciones
experimentales (Hidalgo 2012)
18 Rendimiento de un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Como consecuencia de todas las peacuterdidas oacutepticas geomeacutetricas y teacutermicas que
existen en un CCP la energiacutea teacutermica uacutetil que da un CCP es menor que la que dariacutea
en condiciones ideales cuando no existieran dichas peacuterdidas
En un CCP se suelen definir tres rendimientos diferentes y un paraacutemetro
I) Rendimiento oacuteptico con un aacutengulo de incidencia de 0ordm (rendimiento oacuteptico pico)
Tiene en cuenta todas las peacuterdidas oacutepticas que tienen lugar en el colector con un
aacutengulo de incidencia de 0ordm Su valor viene dado por el producto de estos cuatro
factores reflectividad de los espejos transmisividad del tubo de vidrio factor de
interceptacioacuten (que tiene en cuenta la parte de radiacioacuten reflejada que por cualquier
causa no alcanza el absorbente) y absortividad de la superficie selectiva que recubre
el tubo metaacutelico absorbente
II) Rendimiento teacutermico Considera todas las peacuterdidas teacutermicas que tienen lugar en
el colector
III) Rendimiento global Considera todas las peacuterdidas tanto oacutepticas como
geomeacutetricas y teacutermicas que tienen lugar en el colector
IV) Modificador por aacutengulo de incidencia Considera todas las peacuterdidas oacutepticas y
geomeacutetricas que tienen lugar en el colector para un aacutengulo de incidencia ϕ ne 0ordmy que
no se tienen en cuenta en rendimiento oacuteptico (peacuterdidas geomeacutetricas de final de
colector bloqueo de la radiacioacuten concentrada por parte de los soportes del tubo
absorbente e influencia del aacutengulo de incidencia en la absortividad y transmisividad
del tubo absorbente y en la reflectividad de los espejos) (Paredes 2012)
19 Disentildeos hiacutebridos
En general las formas de concentracioacuten de la energiacutea solar se pueden dividir en
tecnologiacuteas lineales y de enfoque puntual Los canales paraboacutelicos y los colectores
lineales Fresnel pertenecen a las tecnologiacuteas de enfoque lineal mientras que las
tecnologiacuteas de enfoque de puntos principales son el receptor central (torre solar) y el
reflector paraboacutelico (disco) Desde el punto de la disponibilidad del mercado y el
estado actual de desarrollo para el presente estudio de caso se han elegido las
siguientes tres opciones de tecnologiacutea Lineal Fresnel (LF) Ciliacutendrico Paraboacutelico
19
(CCP) y Torre Central (STC) Para todas las opciones de CSP nombradas hay
diferentes configuraciones de tecnologiacuteas posibles cuyo rango se muestra en la tabla
1 (E Burin 2016)
Tabla 1 Rangos para las 3 tecnologiacuteas posibles
Unidad LF CCP STC
Fluido teacutermico
(HTF)
- Aceite teacutermico
Agua
Sal
Aceite teacutermico
Agua
sal
Agua
Sal
Aire
Concentracioacuten - 25-100 70-80 300-1000
Rango de
temperatura
oC 380-600(ST) 380-600(ST) 565(ST)
Performance MWel 10-200 10-200 10-150
Capacidad de
corriente instalada
1 88 11
Proporcioacuten de las
obras (2012)
6 75 18
(ST) Steam Turbine
Fuente(Reuszlig 2012 Pitz-Paal 2013 REN 2013)
Debido a la diferente etapa de desarrollo teacutecnico de las tres tecnologiacuteas de CSP y
sus HTF para el estudio de caso se examinaron las siguientes combinaciones CCP
(aceite teacutermico) LF (agua vapor) y STC (agua vapor)
En cuanto a los disentildeos de integracioacuten de las tres tecnologiacuteas de CSP elegidas
desde el punto de vista termodinaacutemico es esforzarse por alcanzar un nivel de
temperatura lo maacutes alto posible para el calor solar agregado Por esa razoacuten el calor
solar agregado se usoacute aquiacute para proporcionar calor para el precalentamiento del agua
de alimentacioacuten a alta presioacuten asiacute como para la produccioacuten paralela de vapor
saturado y vapor vivo en paralelo con los generadores de vapor de bagazo Los
diagramas de flujo de proceso de los tres disentildeos de integracioacuten se muestran en la
siguiente figura
20
Figura 9 Diagramas de flujo de proceso de los tres disentildeos de integracioacuten posibles
En el disentildeo 1 el calor solar reemplaza completamente la extraccioacuten a alta presioacuten
de la turbina CEST Para este propoacutesito el campo solar proporciona en el punto de
disentildeo un rendimiento teacutermico equivalente a la demanda de calor requerida para el
calentador de agua de alimentacioacuten de alta presioacuten Debido al modo de operacioacuten de
ahorro de combustible este reemplazo y la cantidad reducida de bagazo quemado
afecta el rendimiento de la turbina CEST asiacute como la liacutenea de calentamiento del agua
de alimentacioacuten Debido a que no se realiza la extraccioacuten de vapor de alta presioacuten en
el tiempo en que el campo este trabajando se seleccionoacute las tecnologiacuteas CCP y LF
Cabe sentildealar que no es posible una operacioacuten de solo solar
El disentildeo de integracioacuten 2 permite una produccioacuten paralela de vapor saturado con
calor solar para reducir el consumo de bagazo Por lo tanto parte del flujo de masa
de agua de alimentacioacuten principal que va a los generadores de vapor se desviacutea Este
flujo maacutesico secundario pasa en el caso de CCP a traveacutes de un generador de vapor
solar tiacutepico mientras que en el caso de la LF se alimenta directamente al campo
solar En ambos casos se produce vapor saturado a 67 bar que luego se une al flujo
de masa principal dentro de los generadores de vapor para el sobrecalentamiento
En consecuencia el disentildeo de integracioacuten 2 solo afecta el rendimiento de los
21
generadores de vapor mientras que las condiciones de vapor vivo permanecen
iguales Al mantener el estudio de caso cerca de la viabilidad teacutecnica deben
respetarse las condiciones teacutecnicas de contorno de los generadores de vapor Con
el fin de evitar fuertes desequilibrios en estos componentes se asumioacute que se permite
reducir la carga del generador de vapor a un nivel miacutenimo del 85 Del mismo modo
este disentildeo no permite una operacioacuten solo solar
En el disentildeo de integracioacuten 3 el calor solar desplaza al generador de vapor de
carga teacutermica Una parte del agua de alimentacioacuten se deriva de los generadores de
vapor A medida que pasa a traveacutes del sistema de torre solar se produce vapor
sobrecalentado a 520 deg C y 67 bar Esta integracioacuten afecta solo el rendimiento teacutermico
de los generadores de vapor mientras que el ciclo agua vapor se opera en modo
normal En comparacioacuten con el disentildeo de integracioacuten 2 la operacioacuten de los
generadores de vapor se simplifica Eso significa que los generadores de vapor
funcionan aquiacute con una carga parcial normal de 100 a 65 de carga Con respecto
a eso al permitir una carga miacutenima del generador de vapor del 65 en el punto de
disentildeo solar la torre solar fue disentildeada para proporcionar todo el calor restante
necesario Cabe sentildealar que para el disentildeo de integracioacuten 3 es posible una
operacioacuten solo solar cuando la instalacioacuten de cantildea de azuacutecar estaacute fuera de servicio
Tabla 2 Muacuteltiplo solar simulado seguacuten la tecnologiacutea de CSP
Disentildeo Tecnologiacutea Muacuteltiplo solar
simulado
Disentildeo 1 CCP
LF
09 - 14
08 - 14
Disentildeo 2 CCP
LF
09 - 13
08 - 14
Disentildeo 3 STC 08 - 40
Seleccioacuten del Disentildeo y la tecnologiacutea
Luego del anaacutelisis acerca del disentildeo y la tecnologiacutea a emplear en este proyecto se
decidioacute elegir la tecnologiacutea de colectores ciliacutendricos paraboacutelicos (CCP) y el disentildeo
nuacutemero 1 Los colectores de canal paraboacutelico son los maacutes empleados en el mundo
actualmente y lleva siendo instalada a nivel comercial desde los antildeos 80 con un
excepcional comportamiento Desde entonces ha experimentado importantes
mejoras a nivel de costes y rendimientos Hoy diacutea hay maacutes de 1 GWe en operacioacuten
maacutes de 800 MWe en construccioacuten y maacutes de 2 GWe en promocioacuten a nivel mundial
22
Para las condiciones de nuestro paiacutes esta tecnologiacutea pudiera ser la maacutes factible y
segura tambieacuten contamos en Cuba con industrias que poseen capacidad
maquinaria y herramientas para llegar a construir gran parte del equipo como las
bases y estructuras metaacutelicas teniendo que importarse solamente el tubo
absolvedor Reduciendo esto los costos en gran medida ejemplo de esto es la faacutebrica
de antena de Santa Clara que ya han construido maquetas de un equipo de esta
tecnologiacutea y se encuentran en condiciones de comenzar una produccioacuten a mayor
escala
110 Influencia de la industria azucarera en Cuba
La escasez de recursos energeacuteticos primarios junto con la afectacioacuten ambiental
resultante de la utilizacioacuten irracional de la energiacutea asociada a la actividad humana
obliga a la buacutesqueda de fuentes alternativas en especial fuentes renovables de
energiacutea La biomasa ha sido fuente de energiacutea desde tiempos inmemoriales fue de
hecho el primer combustible que empleoacute el hombre pero no obstante sus milenios
de utilizacioacuten la biomasa continuacutea ocupando un lugar importante en la matriz
energeacutetica a nivel mundial y continuaraacute sieacutendolo La biomasa es un combustible
renovable se encuentra ampliamente distribuida a nivel mundial y resulta en muchas
ocasiones un subproducto de ciertos procesos productivos (agriacutecolas e industriales)
En Cuba existen diferentes tipos de biomasa con posibilidades econoacutemicas de
empleo entre las maacutes importantes estaacuten el bagazo y los residuos agriacutecolas de la
cantildea de azuacutecar la lentildea y el raleo de los bosques el marabuacute la cascara de arroz y
los residuos del cafeacute En la proyeccioacuten estrateacutegica de la generacioacuten de electricidad en
Cuba para el 2030 se considera que las fuentes renovables de energiacutea alcanzaran
el 24 del total (en la actualidad representan el 43 ) y la biomasa representaraacute el
14 del total por lo que ella representaraacute el 58 de la electricidad obtenida con
fuentes renovables Este proceso de generacioacuten de electricidad con biomasa se
centraraacute casi totalmente en la industria azucarera lo que conlleva a un problema
fundamental que consiste en que la zafra se realiza en tan solo 5 meses
aproximadamente y se necesita que la generacioacuten sea durante todo el antildeo En la
actualidad existen tecnologiacuteas disponibles y posibilidades para su empleo que
permiten valorar diferentes alternativas para incrementar sustantivamente el
potencial de generacioacuten eleacutectrica de los centrales azucareros como son las
bioeleacutectricas las cuales se plantea la instalacioacuten de alrededor de 25 en toda Cuba lo
que requiere de un suministro adicional de combustible para el resto del antildeo en que
no hay zafra Para esto planteamos en este trabajo la hibridacioacuten con un campo termo
solar que permita el ahorro de combustible y su posterior uso en los meses en que
no hay zafra
En nuestro paiacutes se sigue una poliacutetica de desarrollo sostenible y se ha comenzado
una serie de proyectos en la industria azucarera buscando modificaciones que
permitan un aumento en la energiacutea generada por toneladas de cantildea molida Para
23
esto se valoran aspectos como la variacioacuten de los paraacutemetros de explotacioacuten (presioacuten
y temperatura) de las plantas generadoras y las que consumen vapor mejorar el
secado del bagazo que se quema en las calderas hibridar los generadores de vapor
con energiacutea solar y aumentar la entrega al SEN haciendo un uso eficiente de la
electricidad que se consume asiacute como evitar las paradas imprevistas
Las Bioeleacutectricas suscitan hoy creciente intereacutes en el mundo y en Cuba ante la
necesidad de produccioacuten de energiacutea compatible con el medio ambiente Actualmente
una decena de naciones son paradigmas en el uso de esas instalaciones Isla
Reunioacuten India Isla Mauricio Australia Isla Guadalupe Belice Guatemala Estados
Unidos Costa Rica China y particularmente Brasil que posee 160 de 188 existentes
en el orbe Globalmente estas unidades tienen un potencia instalada de maacutes 2800
megavatios y de esa cifra al menos dos mil corresponden a Brasil secundado en
cuanto a cantidad de Bioeleacutectricas por India (14) Isla Mauricio (3) Isla Reunioacuten (2)
mientras que los restantes paiacuteses mencionados poseen una individualmente
(Salomoacuten 2016)
111 Propuesta para la hibridacioacuten de la bioeleacutectrica con energiacutea renovable
En el paiacutes se lucha hoy por un acercamiento hacia las tecnologiacuteas de energiacutea
renovables Con el propoacutesito de convertir todos los sistemas de generacioacuten de
energiacutea eleacutectrica en sistemas maacutes compatibles con el medio ambiente La hibridacioacuten
de la caldera del central George Washington consiste en disentildear un campo de
Colectores Ciliacutendricos Paraboacutelicos prototipo (EUROTrough-150) Con el fin de elevar
la temperatura del agua proveniente del proceso hasta los 260 oC e inyectarla al
economizador de la caldera para ahorrar bagazo que pudiera ser utilizado en los
restantes meses del antildeo cuando no hay zafra para la produccioacuten de energiacutea eleacutectrica
y su entrega al sistema energeacutetico nacional En el siguiente esquema se muestra la
propuesta planteada para la hibridacioacuten
24
Figura 10 Esquema de la hibridacion con colectores solares
25
Seguacuten un documento sobre eficiencia energeacutetica emitido por el Instituto Cubano de
Investigaciones Azucareras (ICINAZ) a todos los centrales del paiacutes se hace relacioacuten
en cuanto a la temperatura del agua de alimentacioacuten de la caldera y cuanto incide
esto en la eficiencia de dicha caldera Quedando que por cada 5 ordmC que se
incrementa la temperatura del agua de alimentacioacuten se incrementa 1 la eficiencia
de la caldera Siendo esto una justificacioacuten razonable para la propuesta planteada
que eleva la temperatura del agua de alimentacioacuten de 166 ordmC a 260 ordmC Alterando
la temperatura unos 94 ordmC influyendo esto en el aumento de la eficiencia en 18
puntos porcentuales
Conclusiones parciales
En este capiacutetulo se realizoacute una amplia revisioacuten bibliograacutefica que abordoacute el estado
del arte y avances tecnoloacutegicos maacutes importantes para los temas relacionados con
esta investigacioacuten que fueron el de energiacutea solar teacutermica y todo lo relacionado con
las bioeleacutectricas a nivel mundial y en nuestro paiacutes Tambieacuten se realizoacute un anaacutelisis
exhaustivo para la determinacioacuten de la tecnologiacutea de sistemas de concentracioacuten
solar lo que resulto que el sistema de Colectores Ciliacutendricos Paraboacutelicos prototipo
EUROTrough-150 es el maacutes factible para su instalacioacuten en Cuba y posteriormente
pudiera ser fabricado por industrias nacionales El disentildeo de incorporacioacuten del
campo al esquema termodinaacutemico de la bioeleacutectrica resulto ser maacutes factible y de
menores transformaciones tecnoloacutegicas en la estructura del central el de
incorporarlo antes de la caldera y que este inyecte el agua calentada directamente
al economizador realizando el salto teacutermico del agua en un intercambiador de calor
existente en la interseccioacuten del campo con la tuberiacutea del agua proveniente de las
bombas
26
Capiacutetulo 2 Materiales y Meacutetodos En este capiacutetulo se describen los programas y foacutermulas utilizadas para el caacutelculo de los objetivos planteados
La presente investigacioacuten se realizoacute desde enero hasta mayo del 2018 Para la realizacioacuten de los caacutelculos se utilizaron los softwares Engineering Equation Solver (EES) (2004) Matlab (2010) y Excel (2016)
Tabla 3 Condiciones de frontera para la bioeleacutectrica
21 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB uml George Washington uml
En este apartado se realizaraacute la evaluacioacuten del recurso solar disponible en el emplazamiento analizado El estudio del potencial solar en el emplazamiento consiste en el anaacutelisis de los datos de radiacioacuten disponibles el tratamiento de los mismos la estimacioacuten de las variabilidades asociadas y el caacutelculo de la produccioacuten una vez consideradas todas las peacuterdidas A la hora de evaluar el recurso solar y a falta de una medida precisa y especiacutefica en el propio emplazamiento se ha recurrido a diversas fuentes para la obtencioacuten de datos de radiacioacuten con el fin de realizar un ajuste estadiacutestico de los mismos y minimizar los errores asociados a ellos
Para el caacutelculo del potencial solar en la zona del central umlGeorge Washingtonuml fue necesario calcular la radiacioacuten solar directa (DNI) que incide en ese lugar y la duracioacuten diurna del diacutea
211 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa
Para el caacutelculo de la radiacioacuten solar directa en la zona de la UEB uml George Washington uml se tomaron como coordenadas de referencia la latitud y la longitud Lat 22587 Long -80244
Para ello se utilizaron modelos estadiacutesticos que permitieron obtener varios valores de radiacioacuten solar directa (DNI) teniendo en cuenta la posicioacuten geograacutefica del lugar y el diacutea del antildeo que se analiza dicha radiacioacuten En este caso se usoacute la foacutermula para condiciones normales
DNI = 1230 ∙ e^ (minus1
38∙cos∙(120579120579120579minus16)) (1)
27
Doacutende
Aacutengulo de incidencia solar θs El valor del aacutengulo de incidencia (θs) sobre la normal a una superficie plana estaacute dado por la siguiente foacutermulaθs
120579119904 = cosminus1(sin 119889 ∙ sin 119871 ∙ cos 119904 minus sin 119889 ∙ cos 119871 ∙ sin 119904 ∙ cos 119892 + cos 119889 cos 119871 ∙ cos 119904 ∙ cos 119908 +cos 119889 ∙ sin 119871 ∙ sin 119904 ∙ cos 119908 ∙ cos 119892 + cos 119892 ∙ sin 119904 ∙ sin 119892 ∙ sin 119908) (2)
Doacutende
d- Aacutengulo de declinacioacuten L- Latitud geograacutefica s- Inclinacioacuten del colector g- Orientacioacuten del colector w- Aacutengulo horario
212 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea (nuacutemero de horas en que el sol estaacute
sobre el horizonte)
119915 = 120784 ∙119934119930
120783120787 (3)
Doacutende
119830119826 = 119836119848119852minus120783(minus 119853119834119847 119923 ∙ 119853119834119847 119941) (4)
L-Latitud geograacutefica
d-Declinacioacuten
Se compararon los resultados de DNI por la metodologiacutea utilizada en este trabajo con la base de datos de la NASA (httpeosweblarcnasagovsse 2017)
Aun asiacute los lugares para desarrollar aplicaciones de energiacutea solar teacutermica por concentracioacuten deben cumplir con unos estaacutendares de acuerdo a la radiacioacuten solar perpendicular a la superficie incidente sobre un metro cuadrado para que sea eficiente dicha instalacioacuten lo cual se valora de la siguiente manera
Se tuvieron en cuenta los valores de radiacioacuten solar directa (kWm2diacutea) (GESIME 2014)
No idoacuteneos Hasta 1700 kWhmsup2antildeo (47 kWhmsup2diacutea)
Idoacuteneos Entre 1700 y 2700 kWhmsup2antildeo (47 y 74 kWhmsup2diacutea)
Oacuteptimos Maacutes de 2700 kWhmsup2antildeo (74 kWhmsup2diacutea)
28
213 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
El colector ciliacutendrico paraboacutelico que se propuso fue el (Eurotrough-150) cuyas caracteriacutesticas se observaran en la tabla4 y figura 11
Tabla 4 Caracteriacutesticas del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico Eurotrough-150 (ET-150)
Figura 11 Prototipo EUROTrough en la Plataforma Solar de Almeriacutea Espantildea
Para el caacutelculo del rendimiento global de un Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico hay que realizar un balance energeacutetico teniendo en cuenta las peacuterdidas que suceden en el mismo
Caracteriacutesticas um
Ancho de apertura 577 m
Longitud total de cada colector 150 m
Aacuterea de apertura del colector 8175 m2
Longitud focal 171 m
Longitud del absorbedor 41 m
Radio exterior del absorbedor 0035 m
Radio interior del absorbedor 00325 m
Distancia entre filas de colectores 17 m
Rendimiento Oacuteptico pico 78
Factor de ensuciamiento 95
Disponibilidad 97
29
214 Peacuterdidas geomeacutetricas
La geometriacutea del canal paraboacutelico lleva asociada una disminucioacuten del aacuterea efectiva de captacioacuten Estas peacuterdidas se dividen en dos grupos Peacuterdidas debidas a la posicioacuten relativa de los colectores los cuales se pueden dar sombra unos a otros Peacuterdidas inherentes a cada colector son las debidas al aacutengulo de incidencia de
la radiacioacuten solar (g) respecto a la normal del plano de apertura del colector (figura
12)
Figura 12 Aacutengulo de incidencia en un Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
Como consecuencia de este aacutengulo existe una peacuterdida de superficie reflexiva uacutetil en los extremos del colector Por tanto el aacutengulo de incidencia tiene gran importancia sobre el comportamiento teacutermico del colector puesto que limita la cantidad de radiacioacuten solar que se puede aprovechar Se hizo una comparacioacuten del aacutengulo de incidencia en cuanto a la orientacioacuten y el seguimiento solar del colector ciliacutendrico paraboacutelico
Si la orientacioacuten (g) es de Norte-Sur con seguimiento solar Este-Oeste g = 0ordm
Si la orientacioacuten (g) es de Este-Oeste con seguimiento solar Norte-Sur g = 90ordm
Declinacioacuten seguacuten foacutermula de Cooper (Ribot J 2001)
119889 = 2345 ∙ 119904119890119899 [360 ∙(284+119899)
365] (5)
Siendo ldquonrdquo el nuacutemero de diacutea natural para el 1 de enero n=1 y para el 31 de diciembre
n=365
El aacutengulo horario se calcula seguacuten la foacutermula
30
120591 = 15deg ∙ (ℎ119904 minus 12) (6)
Siendo ldquohsrdquo las horas de reloj El valor es negativo por la mantildeana y positivo tras el mediodiacutea y cero al mediodiacutea solar
Se consideroacute el aacutengulo horario 0ordm por ser el mediodiacutea solar donde maacutes radiacioacuten incide sobre la tierra con el objetivo de simplificar los caacutelculos
Se consideroacute el aacutengulo de inclinacioacuten igual a 0ordm (disposicioacuten horizontal) por ser maacutes eficiente
La latitud del lugar en estudio (UEB uml George Washington uml) Santo Domingo es de 22587ordm
Las peacuterdidas asociadas al aacutengulo de incidencia son miacutenimas cuando el aacutengulo es
0ordm cos 120579119904 = 1 y maacuteximas cuando es 90ordm Por tanto cuanto menor sea el aacutengulo de incidencia mayor es la energiacutea solar incidente sobre el colector y mayor es el rendimiento del mismo
215 Peacuterdidas oacutepticas
Caacutelculo del rendimiento oacuteptico pico del colector 120578119900119901119905119874119900 que es aquel que tiene en
cuenta todas las peacuterdidas oacutepticas que tienen lugar en el captador con un aacutengulo de incidencia de 0ordm 120578119900119901119905119874119900 = 120588 ∙ 120574 ∙ 120591 ∙ 120572 (7)
Donde
120588 Reflectancia no toda la energiacutea incidente es reflejada hacia el tubo absorbedor
120574 Factor de interceptacioacuten no toda la radiacioacuten reflejada por los espejos acaba incidiendo sobre el tubo absorbedor Las causas son diversas imperfecciones en los espejos un mal posicionamiento de los colectores etc
120591 Transmitancia de aquella radiacioacuten que intercepta el tubo de vidrio solo una parte consigue atravesarlo
α Absortancia cantidad de radiacioacuten que absorbe la superficie selectiva del tubo metaacutelico
Ademaacutes de las peacuterdidas debidas al aacutengulo de incidencia existen otras peacuterdidas que se asocian a dicho aacutengulo El efecto del aacutengulo de incidencia en el rendimiento del CCP se cuantifica mediante el modificador por aacutengulo de incidencia 119870(120579119904) Eacuteste considera todas las peacuterdidas oacutepticas y geomeacutetricas que tienen lugar en el captador
para un aacutengulo de incidencia 120579119904 ne 0ordm y que no se tienen en cuenta en el rendimiento oacuteptico pico
31
El modificador por el aacutengulo de incidencia depende directamente del aacutengulo de
incidencia siendo 119870(120579119904) = 1 para 120579119904 = 0deg y siendo 119870(120579119904) =0 para 120579119904 = 90deg y se
obtiene como funcioacuten de eacuteste seguacuten la expresioacuten
119870(120579119904) = 1 minus 223073 ∙ 10minus4 ∙ (120579119904) minus 11 ∙ 10minus4 ∙ (1205791199042) + 318596 ∙ 10minus6 ∙ (120579119904
3) minus 485509 ∙
10minus9 ∙ (1205791199044) (8)
216 Peacuterdidas teacutermicas
Las peacuterdidas teacutermicas que tiene lugar en un CCP dan como consecuencia que la energiacutea teacutermica uacutetil sea menor que la energiacutea solar absorbida por el colector Teniendo en cuenta esto la potencia teacutermica uacutetil por colector seraacute igual la diferencia entre los calores absorbido y perdido
119906119905119894119897 = 119886119887119904 minus 119901119890119903119889 (9)
Doacutende
119906119905119894119897 ∶ 119875119900119905119890119899119888119894119886 119905eacute119903119898119894119888119886 uacute119905119894119897 119901119900119903 119888119900119897119890119888119905119900119903 (119882)
119886119887119904 119862119886119897119900119903 119886119887119904119900119903119887119894119889119900 119901119900119903 119890119897 119891119897119906119894119889119900 119889119890 119905119903119886119899119904119891119890119903119890119899119888119894119886 119889119890 119888119886119897119900119903 (119867119879119865) (119882)
119901119890119903119889 119875eacute119903119889119894119889119886119904 119905eacute119903119898119894119888119886119904 119889119890119897 119867119879119865 119886119897 119886119898119887119894119890119899119905119890 (119882)
Peacuterdidas teacutermicas en el aceite teacutermico (HTF) Las peacuterdidas teacutermicas se producen a lo largo del circuito por donde se mueve el fluido teacutermico principalmente en dos lugares en el tubo absorbedor y en las tuberiacuteas del campo de colectores De manera que la potencia teacutermica disipada en el colector equivale a la suma de las peacuterdidas teacutermicas en el receptor y las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas por donde circula el fluido teacutermico (HTF)
119876119901119890119903119889 = 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 + 119875119890119903119889119905119906119887119890119903 (10)
Las peacuterdidas teacutermicas asociadas al tubo absorbedor 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 se deben a la diferencia de temperaturas entre eacuteste y el ambiente pudiendo ser por conduccioacuten por radiacioacuten y por conveccioacuten desde el tubo absobedor al ambiente Aunque cada una de estas peacuterdidas podriacutea calcularse aplicando las ecuaciones que rigen los mecanismos de transferencia de calor antes mencionados en la praacutectica las peacuterdidas teacutermicas globales en un colector se cuantifican mediante ecuaciones experimentales Asiacute las peacuterdidas teacutermicas en el tubo absorbedor por metro longitudinal de colector vienen dadas por la ecuacioacuten
119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 =1198751198901199031198891+1198751198901199031198892+1198751198901199031198893+1198751198901199031198894
119879119904minus119879119890 (11)
32
Doacutende
1198751198901199031198891 = (1198600 + 1198605 ∙ radic119907) ∙ (119879119904 minus 119879119890) (12)
1198751198901199031198892 = (1198601 + 1198606 ∙ radic119907) ∙ (119879119904
2minus1198791198902
2minus 119879119886119898119887 ∙ (119879119904 minus 119879119890)) (13)
1198751198901199031198893 = (1198602+1198604∙119863119873119868∙119870(120579119904)∙cos(120579119904)
3∙ (119879119904
3 minus 1198791198903)) (14)
1198751198901199031198894 =1198603
4∙ (119879119904
4 minus 1198791198904) (15)
Siendo
119879119904 Temperatura del HTF a la salida del campo solar
119879119890 Temperaturas del HTF a la entrada del campo solar
119879119886119898119887 Temperatura ambiente
119907 Velocidad del viento (ms)
Los coeficientes empleados en las foacutermulas se recogen en la tabla 5
Tabla 5 Coeficientes de peacuterdidas teacutermicas
A0 405
A1 0247
A2 -000146
A3 565E-06
A4 762E-08
A5 -17
A6 00125
En general las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas (119875119890119903119889119905119906119887119890119903 ) del campo de colectores son pequentildeas del orden de 8 Wm2 Finalmente la potencia teacutermica disipada por el aceite teacutermico a su paso por un colector es
33
119901119890119903119889 = 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 ∙ 119871119888119900119897119890119888119905119900119903 + 119875119890119903119889119905119906119887119890119903 ∙ 119878119888 (16)
Doacutende
119878119888 Aacuterea de apertura del colector (Ver tabla 1)
Un colector como todos los sistemas de concentracioacuten de la energiacutea solar solo puede aprovechar la radiacioacuten solar que incide normal a su plano de apertura De esta forma la energiacutea solar por unidad de tiempo y en el punto de disentildeo que incide sobre la superficie de apertura de un CCP viene dada por la ecuacioacuten
119904119900119897 = 119863119873119868 ∙ cos(120579119904) ∙ 119878119888 (17)
La potencia absorbida por el colector 119886119887119904 va a ser menor que la 119904119900119897 ya que eacutesta uacuteltima no tiene en cuenta las peacuterdidas oacutepticas y geomeacutetricas en el colector ni la limpieza de los espejos ni la disponibilidad del campo solar La radiacioacuten solar absorbida en un colector CCP viene dada por la ecuacioacuten
119886119887119904 = 119863119873119868 ∙ cos(120579119904) ∙ 119878119888 ∙ 119870 ∙ (120579119904) ∙ Ƞ1199001199011199050ordm ∙ 119865119888 ∙ 119865119889119894119904119901 (18)
Siendo
119865119888 Factor de ensuciamiento de los espejos (95 )Tiene en cuenta que aunque los espejos se limpien no recuperan su estado inicial 119865119889119894119904119901 Factor de disponibilidad (97 ) Fraccioacuten del campo solar que estaacute en
operacioacuten y captando la energiacutea solar El rendimiento global de un CCP viene dado por el cociente entre el aumento de entalpia en el HTF a su paso por el colector y la energiacutea solar incidente sobre el captador
Ƞ119888119900119897119890119888 =119876119906119905119894119897
119876119904119900119897 (19)
22 Dimensionamiento del campo solar de la zona de la UEB uml George
Washington uml
El dimensionamiento del campo solar consiste en determinar el nuacutemero de CCPs (o nuacutemero de lazos) necesarios para aportar la energiacutea que demanda este en el punto de disentildeo (Hidalgo 2012)
Para dimensionar el campo solar es necesario evaluar las condiciones del terreno
donde se va a realizar el montaje de los colectores y hacer un balance energeacutetico
del generador de vapor solar
34
221 Caracterizacioacuten del terrero
Se tuvo en cuenta el relieve y el tamantildeo del terreno cercano al central lo que resulto favorable para abaratar la inversioacuten en cuanto a movimientos de tierra y compra de terrenos Los recursos hiacutedricos ya tienen una infraestructura creada puesto que son necesarios para el proceso que realiza la faacutebrica actualmente Esto se basa en posos que bombean el agua hasta los filtros donde se realiza el tratamiento externo al agua y van luego al proceso todo este sistema ya se encuentra instalado y en buenas condiciones lo que resulta de gran ayuda para el proyecto futuro de Bioeleacutectrica
222 Balance energeacutetico en el generador de vapor solar (GVS)
Para calcular el nuacutemero de lazos necesarios en el campo solar es preciso conocer primero la potencia teacutermica que puede aportar el campo solar en el punto de disentildeo esto se determina mediante la foacutermula
119888119886119898119901119900 =119882119890119897119890119888119905
120578119905119906119903119887 (20)
Doacutende
119888119886119898119901119900 Potencia teacutermica del campo solar
119882119890119897119890119888119905 Potencia eleacutectrica de la turbina
120578119905119906119903119887 Eficiencia termo-mecaacutenica de la turbina (Se asumioacute de 68)
Seguidamente hay que establecer el balance de masas y energiacutea en el Generador de vapor solar (GVS) El GVS se disentildea para recuperar la energiacutea del fluido teacutermico procedente del campo solar Para el intercambiador de calor (GVS) se cumple que la cantidad de calor transferido por unidad de tiempo permanece constante o lo que es lo mismo la energiacutea total es la misma antes y despueacutes de cada transformacioacuten El balance energeacutetico en un intercambiador de calor se resuelve mediante la ecuacioacuten
119886119892119906119886 ∙ ∆119867119886119892119906119886 = 119886119888119890119894119905119890 ∙ ∆119867119886119888119890119894119905119890 (21)
Ademaacutes para cada fluido de forma individual se cumple que
= 119886119888119890119894119905119890 ∙ 119862119901119886119888119890119894119905119890∙ ∆119879 = 119898119886119888119890119894119905119890 ∙ (ℎ119904 minus ℎ119890) (22)
Doacutende
∆H Diferencia de entalpiacuteas a la entrada y a la salida del intercambiador (kJkg)
Q Potencia teacutermica intercambiada (kW)
35
m Caudal maacutesico (kgs) Cp Calor especiacutefico (kJkg ordmC)
∆T Diferencia de temperaturas a la entrada y la salida del intercambiador (ordmC) hs he Entalpiacuteas a la entrada y a la salida respectivamente (kJKg) Y seguacuten el teorema de conservacioacuten de la masa se tiene que
119890119899119905119903119886 = 119904119886119897119890
223 Caacutelculo del nuacutemero de lazos
Los caacutelculos que se han desarrollado en los acaacutepites anteriores constituyen los datos de partida para el caacutelculo del nuacutemero de colectores requeridos en el campo solar para poder alcanzar la potencia teacutermica demandada al campo solar
Caracteriacutesticas del aceite teacutermico (HTF)
El aceite teacutermico que se ha empleado como fluido calo-portador es Therminol VP-1 cuyo rango de temperatura de trabajo se encuentra entre 12-400ordmC La temperatura a la salida del campo solar no debe excederse de los 400ordmC ya que para temperaturas superiores el aceite se degrada y pierde sus propiedades teacutermicas A continuacioacuten se presentan las graacuteficas correspondientes a variacioacuten de densidad y entalpiacutea del aceite teacutermico Therminol VP-1 con la temperatura figuras 13 y 14 respectivamente y que han sido elaboradas a partir de datos del fabricante
Figura 13 Therminol VP-1 Entalpiacutea vs Temperatura
36
Figura 14 Therminol VP-1 Densidad vs Temperatura(Hidalgo 2012)
Para determinar el nuacutemero de lazos necesarios en el campo solar se ha seguido la siguiente metodologiacutea de caacutelculo
Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF
Incremento de temperatura del HTF en un colector
Nuacutemero de colectores necesarios por lazo Nuacutemero de lazos en el campo solar
224 Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF por cada lazo
El caudal de aceite estaacute controlado por la temperatura de salida del campo Cuando la radiacioacuten solar es baja el flujo se reduce con el objetivo de mantener la temperatura de salida del campo y por el contrario cuando la radiacioacuten solar es superior a la del punto de disentildeo los colectores se desenfocan para evitar que el aceite exceda los 393ordmC La velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor se calcula a partir de la expresioacuten del nuacutemero de Reynolds
119877119890 =119907∙119863∙120588
120583 (23)
Doacutende
119907 Velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor (ms) (Se asumioacute una
velocidad de 3 ms la cual es una velocidad econoacutemica)
119877119890 Nuacutemero de Reynolds (-)
120583 Viscosidad dinaacutemica del HTF a la temperatura media de trabajo (Pas)
119863 Diaacutemetro interior del tubo absorbedor (m)
120588 Densidad del HTF a la temperatura media de trabajo (kgm3)
37
Para cumplir con los requisitos de flujo turbulento el caudal miacutenimo de aceite que circula por un lazo en el punto de disentildeo es
= 119907 ∙ 119878 ∙ 120588 (24)
Siendo S en m2 la seccioacuten transversal interior del tubo absorbedor
225 Incremento de temperatura del HTF en un colector
La potencia teacutermica uacutetil del colector se invierte en aumentar la temperatura del aceite De esta forma el incremento de temperatura que sufre el aceite teacutermico a su paso por un colector es decir desde que entra en el colector y hasta que sale del mismo es
∆119879119888119900119897119890119888 = 119879119904 minus 119879119888 =uacute119905119894119897
∙119862119901 (25)
∆119879119888119900119897119890119888 Incremento de temperatura del aceite teacutermico en el colector (ordmC)
119879119888 119879119904 Temperatura del HTF a la entrada y a la salida del colector respectivamente
(ordmC)
119906119905119894119897 Potencia teacutermica uacutetil por colector (W)
Caudal maacutesico de aceite teacutermico por colector (kgs)
119862119901 Calor especiacutefico del aceite teacutermico a la temperatura media de trabajo (kJkg ordmC)
226 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
El incremento total de temperatura del HTF por lazo ΔT lazo es igual a la diferencia entre las temperaturas a la salida y a la entrada del campo solar Por tanto el nuacutemero teoacuterico de colectores en serie por lazo seraacute igual a
119873119888119900119897119890119888 =∆119879119897119886119911119900
∆119879119888119900119897119890119888 (26)
119873119888119900119897119890119888 Nuacutemero teoacuterico de colectores por lazo
∆119879119897119886119911119900 Incremento de temperatura por lazo (ordmC)
Esto implica el salto teacutermico y caudal maacutesico por lazo que es necesario tener el aceite para asiacute poder alcanzar la temperatura de entrada del agua en el economizador
227 Nuacutemero de lazos en el campo solar
A diferencia del nuacutemero de colectores que viene fijado por el salto de temperatura del aceite teacutermico en el campo el nuacutemero de lazos paralelos que conforman el campo solar depende de la potencia teacutermica demanda por el campo El nuacutemero de lazos es igual al cociente entre la potencia teacutermica del campo solar y la potencia teacutermica uacutetil por colector
38
119925119949119938119963119952 =119940119938119950119953119952
uacute119957119946119949 119935119949119938119963119952 (27)
Doacutende
119925119949119938119963119952 Nuacutemero de lazos
119940119938119950119953119952 Potencia teacutermica del campo solar (kW)
uacute119957119946119949 Potencia teacutermica uacutetil por lazo (kW)
23 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un
antildeo)
Para el caacutelculo de las toneladas de CO2 dejadas de emitir se utilizaraacute el iacutendice de
generacioacuten de una planta convencional de combustible foacutesil que para Cuba es de
270 gkWh Con este iacutendice y el aumento de la produccioacuten de energiacutea eleacutectrica con
la incorporacioacuten del campo solar se calcularaacute el ahorro de combustible foacutesil y a este
valor de combustible sustituido y el uso de los factores de emisioacuten de CO2 mostrados
en la siguiente (tabla 6) se podraacute determinar cuaacutentas toneladas de CO2 es capaz de
evitar la instalacioacuten del campo solar
Tabla 6 Factores de emisioacuten de especies especificadas
Tecnologiacutea CO (gkgf) SO2 (gkgf) NO2eq (gkgf) PM10
(gkgf)
CO2
(kgkgf)
CIE-HFO 24 27 128 528 306
CIE-DO 12 4 84 195 313
Fuente (EPA 2004)
24 Factibilidad econoacutemica del proyecto
Para el caacutelculo de la rentabilidad econoacutemica se optimizoacute la dimensioacuten del campo solar que fuera maacutes rentable para este trabajo donde se tuvo en cuenta el nuacutemero de lazos necesarios del campo y la tasa interna de retorno
241 Valor actual neto (VAN)
El VAN permite calcular el valor presente de un determinado nuacutemero de flujos de caja futuros originados por una inversioacuten teniendo en cuenta la peacuterdida de valor del dinero en el tiempo a traveacutes de una tasa de descuento (Martiacutenez 2017) y se calcula mediante la siguiente ecuacioacuten
39
(28)
Donde
119868119900 Costo inicial de la inversioacuten FC Flujo de caja n El tiempo para el cual se requiere calcular el VAN i La tasa de descuento Meacutetodo de caacutelculo mediante el Excel Para calcular el VAN es necesario conocer el flujo de caja teniendo en cuenta los ingresos y los gastos Ingresos El ingreso es debido a la venta de energiacutea eleacutectrica a la red para ello se utilizoacute un precio de 021 (USDkWh) Ingresos por ventas
119868119899119892119903119890119904119900=119875119903119890119888119894119900 (119880119878119863119896119882ℎ)lowast119864119899119890119903119892iacute119886 (29) Gastos Costo fijo de operacioacuten y mantenimiento Se calcula primero la inversioacuten total mediante la ecuacioacuten siguiente
119894119899119907119890119903119904119894oacute119899 119905119900119905119886119897=119862119900119904119905119900 119906119899119894119905119886119903119894119900 119889119890 119894119899119907119890119903119904119894oacuten (119880119878119863119896119882119890)lowast119875119900119905119890119899119888119894119886 (kWe) (30) Entonces se calcula el costo fijo de operacioacuten y mantenimiento
119862119891=119894119899119907119890119903119904119894oacute119899 119905119900119905119886119897lowast02 (31) Donde
119862119891 Costo fijo de operacioacuten y mantenimiento
Costo variable de operacioacuten y mantenimiento
119862119907=119864119899119903119892iacute119886 (119896119882ℎ)lowast002(119880119878119863119896119882ℎ) (32)
Donde
119862119907 Es el costo variable de operacioacuten y mantenimiento A continuacioacuten se calcula la utilidad antes de impuesto que es la diferencia entre los ingresos y los costos de operacioacuten fijo y variable 119880119879119860=119894119899119892119903119890119904119900minus(119862119891+119862119907) (33)
Donde
119880119879119860 Es la utilidad antes de impuesto o neta Entonces el impuesto en Cuba es del 35 de la utilidad neta
40
119868119898119901119906119890119904119905119900=035lowast(119880119878119863) (34)
El flujo de caja quedariacutea como
119865119888=119880119879119860 (119880119878119863)minus119868119898119901119906119890119904119905119900 (119880119878119863) (35)
Teniendo el flujo de caja se puede calcular el VAN aplicando la tasa de descuento
del 10
Si VAN gt 0 El proyecto es rentable
Si VAN = 0 El proyecto es postergado
Si VAN lt 0 El proyecto no es rentable
242 Tasa interna de retorno (TIR)
Se define como la tasa de descuento que iguala el VAN a cero
Si TIR gt tasa de descuento (r) El proyecto es aceptable
Si TIR = tasa de descuento (r) El proyecto es postergado
Si TIR lt tasa de descuento (r) El proyecto no es aceptable La TIR es aquella tasa de descuento que iguala el valor actual de la corriente de cobros con el valor actual de la corriente de pagos por lo que es la tasa de descuento que hace al VAN igual a cero y puede utilizarse como indicador de la rentabilidad de un proyecto se utiliza como uno de los criterios para decidir sobre la aceptacioacuten o rechazo de un proyecto de inversioacuten (Martiacutenez 2017) y se puede expresar de la siguiente forma
(36) Para simplificacioacuten de los caacutelculos se utilizoacute el software Microsoft Excel que de forma iterativa busca este valor se utilizoacute la estimacioacuten de los flujos de caja para 25 antildeos al igual que para el caacutelculo del VAN
243 Periacuteodo de recuperacioacuten de la inversioacuten
El periacuteodo de recuperacioacuten se cumple cuando la suma de los flujos de caja consecutivos desde el primer antildeo da como resultado el valor de la inversioacuten pero teniendo en cuenta el efecto del tiempo sobre el dinero Calculado de esta manera se conoce como periacuteodo de recuperacioacuten de la inversioacuten descontado Para obtenerlo se hallaron todos los flujos de caja para 25 antildeos consecutivos que es el tiempo de estudio del proyecto entonces se le restoacute el descuento correspondiente a cada antildeo y se graficoacute el resultado quedando como una curva
41
Conclusiones parciales
En este capiacutetulo se realizoacute un estudio de la metodologiacutea de caacutelculo para la
realizacioacuten del dimensionamiento del campo solar para la tecnologiacutea de colectores
cilindro paraboacutelico para esto se escogioacute la metodologiacutea planteada por (Hidalgo
2012) Siendo fundamental el estudio de la radiacioacuten solar de la zona en que estaacute
situada la instalacioacuten Tambieacuten se tuvo en cuenta el acceso a los recursos hiacutedricos
y la cercaniacutea a la red eleacutectrica nacional lo cual no tuvo ninguna dificultad puesto
que donde se pretende ubicar el campo ya existe una instalacioacuten con todas estas
necesidades cubiertas que es el central al cual se pretende convertir en
bioeleacutectrica Luego de estos anaacutelisis y una vez dimensionado el campo solar se
realizoacute el caacutelculo de la rentabilidad econoacutemica seguacuten lo planteado por (Martiacutenez
2017) planteaacutendose como principales indicadores econoacutemicos el costo nivelado de
la energiacutea generada costo de inversioacuten VAN y TIR El impacto ambiental se tuvo
en cuenta mediante el caacutelculo de las emisiones de CO2 dejadas de emitir si la
energiacutea generada con el excedente de bagazo ahorrado por la insercioacuten del campo
hubiera sido generada por una planta teacutermica convencional
42
Capiacutetulo 3 Resultados y Discusioacuten
En este capiacutetulo se exponen los resultados de los caacutelculos efectuados y a la vez se
interpreta el porqueacute de estos asiacute como la discusioacuten de las bibliografiacuteas consultadas
31 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB umlGeorge Washington uml
311 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa
Para el caacutelculo de la radiacioacuten solar directa (DNI) primeramente se halloacute el aacutengulo
de declinacioacuten de cada mes Dicho aacutengulo se anuloacute para el 22 de Marzo y el 23 de
Septiembre puesto que ocurren los equinoccios momento del antildeo en que el sol estaacute
situado en el plano del ecuador terrestre y alcanzoacute el valor maacuteximo positivo el 22 de
Junio y el valor maacuteximo negativo el 22 de diciembre diacuteas en que ocurren los
solsticios que son los momentos del antildeo en los que el sol alcanza su mayor o menor
altura aparente en el cielo y la duracioacuten del diacutea o de la noche son las maacuteximas del
antildeo respectivamente (figura 15)
Figura 15 Aacutengulo de declinacioacuten para los diferentes meses del antildeo
Los valores de DNI que inciden en la zona de la UEB umlGeorge Washingtonuml se
mantuvieron como promedio por encima de 10 kWhm2diacutea seguacuten la metodologiacutea
de caacutelculo empleada siendo oacuteptimos para la instalacioacuten de este tipo de tecnologiacutea
Esto pudiera ser debido a que por la metodologiacutea de caacutelculo solo se tuvo en cuenta
la latitud geograacutefica y el diacutea del antildeo en que se analizoacute dicha radiacioacuten por esta
razoacuten se observoacute que sus valores fueron mayores que los valores de radiacioacuten solar
-30
-20
-10
0
10
20
30
Gra
dos s
exagesim
ale
s
Aacutengulo de declinacioacuten
43
directa que aporta la base de datos de la NASA (httpeosweblarcnasagovsse
2017) como promedio 506 kWhm2diacutea y los aportados por el Instituto de
Meteorologiacutea cubano para esta zona (como promedio 582 kWhm2diacutea) idoacuteneo para
este tipo de tecnologiacutea de los datos de radiacioacuten analizados se utilizoacute para los
caacutelculos siguientes de dimensionamiento del campo los aportados por el instituto de
meteorologiacutea cubano por ser los maacutes especiacuteficos y detallados de todas las fuentes
consultadas Algunos meses como noviembre y diciembre no alcanzan el valor
idoacuteneo de 47 kWhm2-diacutea sin embargo (La Rosa 2014) planteoacute que Cuba se
localiza en una zona geograacutefica de alta radiacioacuten solar y que se caracteriza por la
gran cantidad de diacuteas soleados en el antildeo
Figura 16 Comparacioacuten entre el DNI calculado por la metodologiacutea el aportado por la NASA
y el obtenido por el Instituto de Meteorologiacutea cubano
En cada metro cuadrado del territorio cubano se recibe diariamente una cantidad de
energiacutea solar equivalente a medio kilogramo de petroacuteleo combustible valor
promedio praacutecticamente invariable durante todo el antildeo Otra de las caracteriacutesticas
de la radiacioacuten solar en Cuba es que su valor es casi igual en todo el paiacutes ya que
la diferencia en latitud desde el lugar maacutes bajo hasta el maacutes alto es de soacutelo 3 grados
Por lo tanto la radiacioacuten solar en Cuba es utilizable en todo el territorio y durante
todo el antildeo con un valor medio de maacutes de 5 kWhm2diacutea tanto en su forma de
bioenergiacutea o biomasa energiacutea hidraacuteulica energiacutea eoacutelica o directamente convertida
en calor o electricidad (Beacuterriz 2000)
0
2
4
6
8
10
12
14
DN
I (k
Whm
2-d
iacutea)
meses
Radiacioacuten solar
Calculado NASA Meteorologiacutea cubana
44
312 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea
Luego de haber calculado la semiduracioacuten diurna en grados sexagesimales (WS)
para cada diacutea del antildeo en la zona de la UEB umlGeorge Washingtonuml se calcularon las
horas de luz solar durante el diacutea lo cual se muestra promediado en la tabla 7 donde
se ve que esta es mayor que 10 horas asiacute como tambieacuten se observa que son maacutes
largos los diacuteas en los meses de verano (Abril-Agosto)
Tabla 7 promedio de horas de sol al diacutea por meses del antildeo
32 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
Se realizoacute el balance energeacutetico del CCP teniendo en cuenta las peacuterdidas que
sucedieron en el mismo debido a su fabricacioacuten y a su posicioacuten
321 Peacuterdidas geomeacutetricas
Peacuterdidas debidas a la posicioacuten relativa de los colectores
En este trabajo no se tuvo en cuenta las peacuterdidas por sombras ya que se asumioacute
que la construccioacuten de estos colectores iba a estar lo suficientemente separados
para que no se pudieran dar sombra unos a otros
Peacuterdidas inherentes a cada colector
Se comparoacute el aacutengulo de incidencia en cuanto a la orientacioacuten y el seguimiento solar
del colector ciliacutendrico paraboacutelico Se seleccionoacute la orientacioacuten N-S con seguimiento
solar E-O por lo que se seleccionoacute para el caacutelculo del resto de las variables (g = 0)
Para la inclinacioacuten del colector se tomoacute con eje horizontal (s = 0) Se consideroacute el
aacutengulo horario 0ordm por ser el mediodiacutea solar donde maacutes radiacioacuten incide sobre la
tierra con el objetivo de simplificar los caacutelculos
Con los datos calculados anteriormente se halloacute el aacutengulo de incidencia (figura 17)
En este caso se observa que a diferencia de la radiacioacuten solar directa el aacutengulo de
incidencia es menor para los meses de verano reafirmando que a menor aacutengulo de
incidencia mayor la radiacioacuten que va a captar el colector
enero febrero marzo abril mayo junio julio agosto septiembre octubre noviembre diciembre
108 112 119 125 131 134 132 127 121 114 109 106
45
Figura 17 Aacutengulo de incidencia por meses para una orientacioacuten N-S con seguimiento solar
E-O
322 Peacuterdidas oacutepticas
Las caracteriacutesticas oacutepticas del colector ET-150 se reflejaron en la tabla 8 y con estas
se calculoacute el rendimiento oacuteptico
Tabla 8 Caacutelculo del rendimiento oacuteptico
Rendimiento oacuteptico
ntilde Reflectividad superficie reflectora 090
ocirc Transmisividad del cristal absorbedor 095
aacute Absortividad del tubo del absorbedor 096
ɣ Factor de interceptacioacuten 095
Ƞopt0ordm= 078
Cuanto mayor es el valor del rendimiento oacuteptico mayor seraacute el rendimiento del
captador Asiacute cuanto mayor sea el valor de las variables que lo definen mejor seraacute
el rendimiento de los captadores (Rojas 2013)
Ademaacutes de las peacuterdidas debidas al aacutengulo de incidencia existen otras peacuterdidas que
se asocian a dicho aacutengulo El efecto del aacutengulo de incidencia en el rendimiento del
CCP se cuantifica mediante el modificador por aacutengulo de incidencia 119870(120579119904)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Gra
do
s se
xage
sim
ale
s
Aacutengulo de incidencia
46
323 Peacuterdidas teacutermicas
Se calculoacute la potencia teacutermica uacutetil la potencia teacutermica absorbida y la potencia
teacutermica perdida La energiacutea teacutermica uacutetil fue menor que la energiacutea teacutermica absorbida
Esto es debido a las peacuterdidas teacutermicas que se presentan en este tipo de tecnologiacutea
Durante los meses de verano existioacute un descenso de las diferentes potencias
calculadas a causa de las condiciones de nubosidad (lluvia) para esta eacutepoca del
antildeo (figura 18) Para los meses de invierno las potencias decrecieron debido a la
disminucioacuten de la radiacioacuten solar tiacutepico en esta eacutepoca del antildeo
Figura 18 Energiacutea solar por unidad de tiempo radiacioacuten solar absorbida en un colector
peacuterdidas teacutermicas y potencia teacutermica uacutetil para todos los meses del antildeo
Estas peacuterdidas teacutermicas influyeron negativamente en el rendimiento global del
colector CCP ET-150 que tuvo un valor aproximado al 70 Para los meses de
verano hubo un mayor rendimiento aunque este se vio afectado por la nubosidad
El funcionamiento teacutermico de cualquier captador solar estaacute determinado por el
llamado rendimiento global definido como la relacioacuten entre la potencia teacutermica que
es capaz de proporcionar o potencia teacutermica uacutetil y la potencia procedente del Sol
que se tome como referencia No toda la potencia solar puede ser absorbida por el
receptor Existen una serie de peacuterdidas de energiacutea debidas tanto a la geometriacutea y
oacuteptica del captador como a las propiedades de los materiales del propio receptor
que hay que tener en cuenta (Rojas 2013)
16
161
162
163
164
165
166
167
168
169
17
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Qp
er(
kW
h)
Qso
lu
til(
kW
h)
meses
Peacuterdidas teacutermicas
Qsol Qutil Qperd
47
33 Dimensionamiento del campo solar
331 Caracterizacioacuten del terrero
El terreno del central George Washington es llano desprovisto de grandes
obstaacuteculos que puedan crear dificultades en la construccioacuten del campo y crear
sombras que entorpezcan la radiacioacuten del sol en los espejos reflectores Estaacute
cercano a la carretera y consta con posos que facilita el acceso a los recursos
hiacutedricos en el emplazamiento Estaacute solucionado el problema de la conectividad a la
red eleacutectrica nacional puesto que el central ya contaba con esta infraestructura Por
lo tanto posee las condiciones idoacuteneas para la instalacioacuten de un campo solar
332 Balance energeacutetico en el intercambiador de calor
A partir de la temperatura que se quiere elevar el agua de alimentacioacuten de la caldera
(260 oC) y el flujo de esta (255 kgs) se determina una cantidad de energiacutea teacutermica
que debe suministrar el campo para suplir esta demanda Dicha energiacutea teacutermica se
logra a traveacutes de la radiacioacuten solar captada por los colectores la cual es transferida
en forma de calor a un fluido portador en este caso aceite HTF Este necesita un
determinado flujo para absorber toda esa energiacutea y luego transferirla al agua Los
caudales necesarios para la captacioacuten de este calor se encuentran en la (tabla 9)
Tabla 9 Paraacutemetros termodinaacutemicos en el intercambiador de calor
Datos Agua de
alimentacioacuten Aceite teacutermico
Caudal(kgs) 255 462
Temperatura(ordmC) 166 300
Presioacuten (bar) 67 25
Entalpiacutea (kJkg) 6974 490
Con estos datos se concluye que para calentar un flujo de agua de 255 kgs (a
temperatura de 166ordmC y presioacuten de 67 bar) hasta alcanzar una temperatura de
260ordmC se necesita un flujo de energiacutea teacutermica de 106225 kW lo cual es
proporcionada por 462 kgs de aceite teacutermico proveniente del campo solar que estaacute
a una temperatura de 300ordmC y presioacuten de 25 bar
48
333 Caacutelculo del nuacutemero de lazos
3331 Caacutelculo del caudal miacutenimo de circulacioacuten del fluido de transferencia de
calor (HTF) por cada lazo
Para que exista un flujo turbulento por el interior del tubo absorbedor a una velocidad
del fluido econoacutemica de 3 ms el caudal miacutenimo de circulacioacuten debe ser de 86 kgs
(tabla 10)
Tabla 10 Caudal miacutenimo de circulacioacuten del fluido de transferencia de calor (HTF) por
cada lazo
Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF por cada lazo 86 kgs
Nuacutemero de Reynolds 874E+5
Velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor 3 ms
Viscosidad dinaacutemica del HTF a la temperatura media de
trabajo 194E-04 kgmmiddots
Densidad del HTF a la temperatura media de trabajo 870 Kgm3
3332 Incremento de la temperatura del HTF en un colector
Para calentar el flujo de aceite de 200 a 300ordmC lo cual equivale a un salto teacutermico
por lazo de 100ordmC es necesario 4 colectores por lazo Por tanto el salto de
temperatura promedio del HTF a su paso por un colector es aproximadamente de
283ordmC (tabla 11)
Tabla 11 Salto de temperatura promedio del HTF a su paso por un colector
meses ∆119931119949119938119963119952() ∆119827119836119848119845119838119836() 119821119845119834119859119848119852
Enero 100 248 40
Febrero 100 263 38
Marzo 100 301 33
Abril 100 343 29
Mayo 100 333 30
Junio 100 318 31
Julio 100 325 31
Agosto 100 330 30
Septiembre 100 286 35
Octubre 100 262 38
Noviembre 100 202 50
Diciembre 100 186 54
49
3333 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
El nuacutemero de colectores necesarios por lazo para cada mes se refleja en la (tabla
12) Con este resultado se concluye que la cantidad de colectores totales que debe
tener cada lazo del campo solar es aproximadamente de 4
Tabla 12 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo para cada mes del antildeo
Meses Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
Enero 40
Febrero 38
Marzo 33
Abril 29
Mayo 30
Junio 31
Julio 31
Agosto 30
Septiembre 35
Octubre 38
Noviembre 50
Diciembre 54
3334 Nuacutemero de lazos en el campo solar
Al ser la potencia teacutermica del campo solar 106225 kW y ser la potencia teacutermica uacutetil
promedio por lazo aproximadamente de 26556 kW el nuacutemero de lazos necesarios
por campo solar debe ser aproximadamente de 4
Para generar 106 MW teacutermico con una radiacioacuten promedio de 5355 Wm2 para todo
un antildeo la dimensioacuten del campo solar debe ser de 44448 m2 Esto se logra con un
total de 4 lazos con 4 colectores cada uno
334 Caacutelculo del ahorro de bagazo propiciado por el campo
Una de las ideas fundamentales de este proyecto es el ahorro de bagazo para su
uso fuera de temporada y asiacute no parar la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica por la
ausencia de combustible Para esto se halloacute el iacutendice de generacioacuten con el campo
(tabla 13) quedando un ahorro de maacutes de 25 mil toneladas de bagazo Pudiendo
dar un margen de 30 diacuteas maacutes de generacioacuten de electricidad lo que equivale a maacutes
de 14 mil MWe
50
Tabla 13 Generacioacuten en el periacuteodo de zafra y ahorro de bagazo propiciados por el campo
solar
Generacioacuten eleacutectrica total 111063 MWh
Iacutendice de generacioacuten sin campo 500 kWhtb
Iacutendice de generacioacuten con campo 575 kWhtb
Ahorro de bagazo 251586 TonZafra
Porciento de bagazo ahorrado 14
Generacioacuten con el excedente de Bagazo 14463 MWh
Seguacuten los datos de la tabla 13 y suponiendo que la zafra sea de 120 diacuteas sin contar
las paradas este resultado extenderiacutea la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica a 232 diacuteas
aproximadamente maacutes de la mitad del antildeo y solo se necesitariacutea para los restantes
133 diacuteas del antildeo abastecerse por medio de otra fuente como pudiera ser bagazo
aportado por centrales cercanos que funcionaran como tributarios o utilizar otro
combustible complementario como los residuos agriacutecolas cantildeero lentildea o carboacuten de
marabuacute
34 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un
antildeo)
Para el caacutelculo se halloacute el ahorro de combustible foacutesil con la incorporacioacuten del campo
solar De la (tabla 14) mostrada en el capiacutetulo anterior se tomoacute el valor para las
emisiones de CO2 que fue de 306 kgkgf lo que reflejoacute los siguientes resultados
Tabla 14 Ahorro de combustible y emisiones de CO2 dejadas de emitir propiciado por el campo
Iacutendice de generacioacuten de una planta
teacutermica convencional en Cuba 270 gkWh
Ahorro de combustible Foacutesil 3888 TCC
CO2 dejado de emitir 11897 Ton
35 Factibilidad econoacutemica del proyecto
Para los caacutelculos de factibilidad econoacutemica en este proyecto se ha tomado los
siguientes valores (tabla 15)
51
Tabla 15 Valores necesarios para el caacutelculo de la factibilidad econoacutemica
Precio de la electricidad 021 $kWh
Impuestos 30
Tasa de descuento 10
Vida uacutetil 25 antildeos
Tambieacuten se tuvieron en cuenta los costos de inversioacuten del campo solar (tabla 16)
Tabla 16 Costos de Inversioacuten del campo solar Fuente (IDEA 2013)
Captacioacuten y concentracioacuten de
energiacutea solar
Campo solar(CCP)
espejos 35 Eur m2
apertura
130800 m2
457800
euros
estructuras
metaacutelicas
72 Eur m2
apertura
13080
m2
941760
euros
sistemas de
posicionamiento
6600 Eurunid
16
unidades
108585
euros
movimiento de
tierras
21 Eur m2
apertura
13080
m2 27468000 euros
cimentacioacuten 37 Eur m2
apertura
13080
m2 48396000 euros
montaje 43 Eur m2
apertura
13080
m2 56244000 euros
nave de montaje 545 Eur m2
apertura
13080
m2 7128600 euros
costo total
2900511
euros
Sistema de conversioacuten solar teacutermico
aceite teacutermico 283 Eurkg
100
Kg 283 euros
tubos
absorbedores
892 Eurtubo
16
tubos
14675
euros
juntas rotativas 190 Eur unid 33 unidades 625187 euros
tuverias valvulas y
accesorios
13400 Eurlazo 4 lazos 4915834 euros
sistTrasiego
aceites
87000 Eurlazo 4 lazos 31916236 euros
sistPurificacioacuten
de aceite
380000 Eur unid 1 unidades 380000 euros
ProteccContra
incendios
11400 Eurlazo 1 lazos 11400 euros
sistInertizacioacuten 5900 Eurlazo 1 lazos 5900 euros
52
Intercambiador
aceite-vapor
240 EurkW 10623 kWe 2549400 euros
calderas GV 53 EurkWt - 0 euros
costo total 33362310 euros
TOTAL DEL COSTO DE INVERSIOacuteN
9137253
euros
9959606
doacutelares
Tabla 17 Costos de operacioacuten y mantenimiento (OampM) del campo solar en millones de
euros (MEUR MWantildeo) Fuente (IDEA 2013)
Personal 001 MEUR MWantildeo
Mantenimiento 004 MEUR MWantildeo
Otros 002 MEUR MWantildeo
total 007 MEUR MWantildeo
Tabla 18 Costos de operacioacuten y mantenimiento (OampM) del campo solar en MEUR Fuente
(IDEA 2013)
Potencia del
campo solar
11 MW
Personal 011
Mantenimiento 042
Otros 021
total 074
Esto equivale a un costo fijo de 1772000 doacutelares en operacioacuten y mantenimiento
Paraacutemetros operativos
Venta de electricidad 21 centkWh
Produccioacuten de electricidad solar 144626 MWhantildeo
Costos OampM campo solar 289252 USD antildeo
Costo nivelado de la energiacutea generada
Este costo se determinoacute al sumar los costos variables el de inversioacuten total y los
costos de operacioacuten y mantenimiento luego se dividioacute entre la generacioacuten total de
la planta en los 25 antildeos de vida uacutetil de esta tecnologiacutea quedando de 0032$kWh
351 Tasa interna de retorno (TIR)
Con un campo de 16 colectores y para las condiciones de este proyecto se obtuvo
una TIR de
TIR= 30
La TIR calculada fue mayor que la tasa de descuento por tanto el proyecto es
aceptable
53
352 Valor actual neto (VAN)
El valor actual neto es positivo con un valor que asciende a $ 34116545 por lo que
se cumple la condicioacuten de VAN mayor que cero por lo que el proyecto es rentable
353 Periacuteodo de recuperacioacuten (PR)
El tiempo en que se recupera esta inversioacuten es de aproximadamente 9 antildeos (figura
18)
Los costos de inversioacuten incluyen costes de Ingenieriacutea obtencioacuten de los permisos
necesarios y autorizaciones administrativas obra civil y equipo electromecaacutenico
Los beneficios corresponden a las ventas anuales de electricidad una vez
deducidos los gastos de operacioacuten y mantenimiento En general se estima en el
sector que para que una inversioacuten sea interesante el periacuteodo de recuperacioacuten no
debe exceder de 7 antildeos (Penche 1998) Este proyecto excede en dos antildeos lo
planteado por (Penche 1998) aunque sigue siendo factible e interesante para las
condiciones del paiacutes ya que como plantea el problema de investigacioacuten el principal
intereacutes de este trabajo es aumentar los diacuteas de generacioacuten de electricidad Debido
al problema que presenta Cuba con los iacutendices de generacioacuten se hace necesario
una mejora en este sector a toda costa priorizando esto quedando asiacute los periodos
de recuperacioacuten por detraacutes de este intereacutes primordial
Figura 19 Periacuteodo de recuperacioacuten en antildeos
Teniendo en cuenta estos tres iacutendices econoacutemicos calculados que se tuvieron en
cuenta para la rentabilidad econoacutemica de este proyecto se obtiene como resultado
que dicho proyecto es econoacutemicamente factible
-15000000
-10000000
-5000000
0
5000000
10000000
15000000
20000000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Doacutela
res
Antildeos
Periacuteodo de recuperacioacuten de la invercioacuten
54
Conclusiones
La tecnologiacutea de plantas hibridas solar-biomasa para el caso de Cuba es
potencialmente factible a partir de los valores encontrados de radiacioacuten solar
directa en todo el territorio alcanzando estos maacutes de 5 kWhm2-dia durante
todo el antildeo siendo favorable para la implementacioacuten de esta tecnologiacutea
El rendimiento global de cada colector tiene un valor aproximado del 70
debido a las peacuterdidas geomeacutetricas oacutepticas teacutermicas y por las condiciones
meteoroloacutegicas del lugar puesto que al ser Cuba una isla rodeada de mar
hay ocurrencia de un gran nuacutemero de precipitaciones y cielos nublados al
antildeo que afectan considerablemente el factor de disponibilidad del campo
solar
El campo solar tendraacute 4 colectores por lazo y 4 lazos por campo con una
potencia teacutermica de 106 MW lo que representa un aacuterea de casi 45 ha
aumentaacutendose el iacutendice de generacioacuten de electricidad de la planta con su
conversioacuten en planta hibrida (solar-biomasa) de 500 kWhtb a 575 kWhtb
Con la implementacioacuten del proyecto propuesto (hibridacioacuten biomasa-energiacutea
solar) se puede lograr un ahorro de 251586 toneladas de bagazo por zafra
lo que equivale a 30 diacuteas adicionales de generacioacuten eleacutectrica de la planta lo
que extenderiacutea la generacioacuten en la bioeleacutectrica a unos 230 diacuteas acercaacutendose
cada vez maacutes a lo previsto por la poliacutetica existente en el paiacutes de conversioacuten
de centrales en bioeleacutectricas de llegar a los 300 diacuteas Pudieacutendose saldar los
70 diacuteas faltantes con combustibles alternativos como el RAC y el marabuacute con
gran abundancia en nuestros campos
La implementacioacuten en la UEB George Washington de la hibridacioacuten permitiriacutea
anualmente con el excedente de bagazo obtenido una generacioacuten de
electricidad adicional de 145 GWh con una disminucioacuten de 11897 toneladas
de emisiones de CO2 funcionando como una fuente de empleo considerable
para los habitantes de este lugar
El estudio de la hibridacioacuten solar-biomasa en la UEB George Washington
indica que un proyecto de este tipo es factible con una inversioacuten de casi 10
millones de doacutelares logra como resultados maacutes importantes un VAN de maacutes
de 34 millones una TIR de 30 un PRD de aproximadamente 9 antildeos y un
costo nivelado de la electricidad de 0032 $kWh valor de gran motivacioacuten
para la implementacioacuten de esta tecnologiacutea
55
Recomendaciones
Extender el estudio de factibilidad de plantas de energiacutea hiacutebridas biomasa
solar a otros centrales azucareros del paiacutes que se prevean convertir en
bioeleacutectricas
Incluir en la metodologiacutea de anaacutelisis empleada en este trabajo para futuros
estudios otro tipo de tecnologiacuteas de concentracioacuten como pudiera ser la de
colector lineal Fresnel cuya aplicacioacuten ha venido en aumento en los uacuteltimos
antildeos a nivel mundial
Profundizar en el estudio de factibilidad de este proyecto analizando la
influencia de la variacioacuten de paraacutemetros como el salto entaacutelpico en el
intercambiador de calor del campo solar para la optimizacioacuten del disentildeo del
campo solar
56
Bibliografiacutea
BEacuteRRIZ L MADRUGA E 2000 Cuba y las fuentes renovables de energiacutea CUBASOLAR pp 29
CENGEL Y 2012 Termodinaacutemica Meacutexico DF
DAVID A 2007 Business and Finance Israeli Company to build largest solar park in world in US [Online] Available (httpwwwynetnewscom) [Accessed 10 febrero 2018]
E BURIN T V S MULTHAUPT A THELEN G OELJEKLAUS K GOumlRNER E BAZZO 2016 Thermodynamic and economic evaluation of a solar aided sugarcane bagasse cogeneration power plant THE 28TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON EFFICIENCY COST OPTIMIZATION SIMULATION AND ENVIRONMENTAL IMPACT OF ENERGY SYSTEMS
EPA Factor Information REtrieval (FIRE) Software Technology Transfer Network Clearinghouse for Inventories amp Emissions Factors 2004
GACETA 2007 Estrategia Ambiental Nacional Ministerio de Justicia 30 ed Gaceta Oficial Republica de Cuba
GESIME 2014 Conceptualizacioacuten del programa de desarrollo de la energiacutea solar teacutermica en Cuba 2014-2020 MINEM Desarrollado por grupo de desarrollo de la energiacutea solar teacutermica Grupo Empresarial de la Industria Sidero-Mecaacutenica 36
GUTIEacuteRREZ E 2013 ldquoEl azuacutecar cubano adquiere protagonismo energeacuteticordquo Diarios latinoamericanos de Tierrameacuterica
HERRERA I 2016 Poligeneration Workshop KTH Universidad Central Marta Abreu de Las Villas
HIDALGO L 2012 Estudio Teacutecnico-econoacutemico de una central hiacutebrida solar-ciclo combinado Proyecto final de carrera para optar por el tiacutetulo ingeniero teacutecnico de minas Departamento de sistemas energeacuteticos 79
HTTPEOSWEBLARCNASAGOVSSE 2017 Surface Meteorology and Solar Energy [Online] [Accessed 22 noviembre]
HTTPWWWWIKIPEDIAORG 2017 Energiacutea solar teacutermica [Online] [Accessed 17 diciembre 2017]
IDEA 2013 Plan de Energiacuteas (PER) 2011-2020 Instituto para la Diversificacioacuten y Ahorro de la Energiacutea
LA ROSA D 2014 Recuperacioacuten de la disponibilidad de generacioacuten en el ciclo combinado de Energas Varadero con aporte termosolar httpwwwcubasolarcu
MARTIacuteN S 2017 Colector ciliacutendrico paraboacutelico Available from httpwwwtecnoblogsanmartinwordpresscom]
57
MARTIacuteNEZ L 2017 Conjunto de alternativas tecnoloacutegicas para la ingenieriacutea conceptual del estudio de oportunidad de la conversioacuten en bioeleacutectrica del central George Washington Trabajo de diploma Universidad Central ldquoMarta Abreurdquo de Las Villas
MAXWELL E L RENNE DS 1994 Measures of Renewable Energy National Renewable Energy Laboratory
PAREDES C 2012 Disentildeo de captador solar ciliacutendrico paraboacutelico para aplicaciones rurales en Paraguay Proyecto final de carrera para optar por el tiacutetulo de ingeniero teacutecnico de minas Especialidad en recursos energeacuteticos combustibles y explosivos 57
PENCHE C 1998 Manual de pequentildea hidroeleacutectrica D I R E C C I Oacute N G E N E R A L D
E E N E R G I A ( D G X V I I ) 259
PETROLEUM B 2006 BP Statistical Review of World Energy June 2006 Quantifying Energy
PETROLEUM B 2018 Statistical Review of World Energy [Online] Available httpwwwbpcomenergyoutlook [Accessed 12 febrero de 2018]
PITZ-PAAL 2013 Solar thermal power plants BINE-Themeninfo FIZ Karlsruhe GmbH
REN 2013 Global Status Report Paris
REUszlig N 2012 Modern Gas- amp Steam Turbines in Solarthermic Applications 14th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery Honolulu
RIBOT J E A ROVIRA P ROVIRA A BAROacuteN JL 2001 Curso de Energiacutea Solar Centro de Tecnologiacutea Educativa CTE Barcelona Espantildea Obra completa 4ta edicioacuten Leccioacuten 3 El potencial real de la energiacutea solar
RODRIacuteGUEZ J 2015 Metodologiacutea para la caracterizacioacuten termoeconoacutemica de plantas hiacutebridas de generacioacuten de electricidad Tesis Doctoral Universidad Politeacutecnica de Madrid
ROJAS E 2013 Energiacutea Solar Teacutermica Observatorio de energiacutea renovable para Ameacuterica Latina y Caribe Programa de capacitacioacuten de energiacuteas renovables ONUDI 68
SALOMOacuteN R 2016 ldquoBioeleacutectricas despiertan creciente intereacutes mundialrdquo
SALOMOacuteN R 2018 Biomasa fuente de electricidad inagotable para Cuba Diaacutelogos del Sur Prensa Latina de La Habana
SEBASTIAacuteN E 2011 Sistemas de colector ciliacutendrico paraboacutelico para generar energiacutea httpeliseosebastiancom
SHILLING Z NORMAN 2003 IGCC Clean Power Generation Alternative For Solid Fuels Product Line Leader
58
WWWSOLARBUZZCOM H 2016 Abener Signs Contract for Solar Thermal Electric-Combined Cycle Hybrid Plant [Online] [Accessed 16 diciembre 2017]
Abstract
In this work the dimensioning of a solar thermal field with parabolic trough collector technology EUROTrough-150 was carried out This field is proposed in order to inject solar energy into the thermo-energy system of the UEB George Washington and thus reduce the consumption of bagasse in steam generation The decrease in bagasse consumption allows the accumulation of such fuel to extend the periods of generation of electric power beyond the harvest period The design of the proposed system consists essentially in raising the temperature of the feed water to the boiler
up to 260 ⁰C with solar energy For this purpose a study of direct solar radiation was
carried out in the area where the UEB is located being ideal for the installation of solar concentration technologies The solar field was designed and the losses inherent to each collector were calculated achieving an overall yield of approximately 70 The geometric optical and thermal losses and the meteorological conditions of the place affect this efficiency The characteristics of the UEB location were evaluated to dimension the solar field proximity to water resources and the national electricity grid which was adequate to implement this technology An economic and environmental impact analysis of the proposed scheme was analyzed finding that it is economically feasible with a NPV of USD 34 million and an IRR of 30 and an investment recovery period of 9 years and 10 months
Key words solar thermal field global performance solar radiation environmental impact
Iacutendice
Introduccioacuten 1
Capiacutetulo 1 Revisioacuten Bibliograacutefica 4
11 Ciclo termodinaacutemico de la industria azucarera 4
12 Concepto de bioeleacutectrica 6
13 Planta hiacutebrida 6
14 La energiacutea solar 7
15 Sistemas teacutermicos solares 8
151 Sistemas de torre central (STC) 9
152 Disco Paraboacutelico (DP) 10
153 Concentrador lineal Fresnel 12
154 Colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP) 12
16 Orientacioacuten del colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP) 16
17 Peacuterdidas en un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP) 17
171 Peacuterdidas geomeacutetricas 17
172 Peacuterdidas oacutepticas 17
173 Peacuterdidas teacutermicas 17
18 Rendimiento de un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP) 18
19 Disentildeos hiacutebridos 18
110 Influencia de la industria azucarera en Cuba 22
111 Propuesta para la hibridacioacuten de la bioeleacutectrica con energiacutea renovable 23
Conclusiones parciales 25
Capiacutetulo 2 Materiales y Meacutetodos 26
21 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB uml George Washington uml 26
211 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa 26
212 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea (nuacutemero de horas en que el sol estaacute sobre
el horizonte) 27
213 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP) 28
214 Peacuterdidas geomeacutetricas 29
215 Peacuterdidas oacutepticas 30
216 Peacuterdidas teacutermicas 31
22 Dimensionamiento del campo solar de la zona de la UEB uml George Washington uml
33
221 Caracterizacioacuten del terrero 34
222 Balance energeacutetico en el generador de vapor solar (GVS) 34
223 Caacutelculo del nuacutemero de lazos 35
224 Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF por cada lazo 36
225 Incremento de temperatura del HTF en un colector 37
226 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo 37
227 Nuacutemero de lazos en el campo solar 37
23 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un antildeo)
38
24 Factibilidad econoacutemica del proyecto 38
241 Valor actual neto (VAN) 38
242 Tasa interna de retorno (TIR) 40
243 Periacuteodo de recuperacioacuten de la inversioacuten 40
Conclusiones parciales 41
Capiacutetulo 3 Resultados y Discusioacuten 42
31 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB umlGeorge Washington uml 42
311 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa 42
312 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea 44
32 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP) 44
321 Peacuterdidas geomeacutetricas 44
322 Peacuterdidas oacutepticas 45
323 Peacuterdidas teacutermicas 46
33 Dimensionamiento del campo solar 47
331 Caracterizacioacuten del terrero 47
332 Balance energeacutetico en el intercambiador de calor 47
333 Caacutelculo del nuacutemero de lazos 48
3331 Caacutelculo del caudal miacutenimo de circulacioacuten del fluido de transferencia de calor
(HTF) por cada lazo 48
3332 Incremento de la temperatura del HTF en un colector 48
3333 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo 49
3334 Nuacutemero de lazos en el campo solar 49
334 Caacutelculo del ahorro de bagazo propiciado por el campo 49
34 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un antildeo)
50
35 Factibilidad econoacutemica del proyecto 50
351 Tasa interna de retorno (TIR) 52
352 Valor actual neto (VAN) 53
353 Periacuteodo de recuperacioacuten (PR) 53
Conclusiones 54
Recomendaciones 55
1
Introduccioacuten
Las tendencias en el aumento de las temperaturas medias y el consecuente
calentamiento global son ya una amenaza para la vida existen en el presente
evidencias de sus impactos y Cuba no se encuentra exenta ejemplo de ello son
Degradacioacuten de los suelos (erosioacuten drenaje salinidad acidez compactacioacuten entre
otros) Estos afectan grandes extensiones de superficie agriacutecola del paiacutes (Gaceta
2007) Tambieacuten se ha visto maacutes recientemente el aumento de la intensidad de los
ciclones y la cantidad de estos que se forman anualmente Un ejemplo de esto fue el
huracaacuten Irma que azotoacute la isla a finales del antildeo 2017 siendo este de categoriacutea 5
afectando a casi todo el territorio nacional causando grandes dantildeos materiales Papel
protagoacutenico en este resquebrajamiento de la salud del planeta lo tiene el uso
indiscriminado de los combustibles foacutesiles Actualmente la mayor parte de la
generacioacuten de energiacutea teacutermica en el mundo estaacute basada en hidrocarburos
provenientes del petroacuteleo y gas natural cuyas reservas probadas permitiraacuten satisfacer
la demanda soacutelo para algunos antildeos maacutes ya que se cuenta con estudios que
demuestran que las reservas de petroacuteleo mundial solo constan con aproximadamente
15 mil millones de barriles lo necesario para satisfacer las necesidades de la
poblacioacuten mundial por tan solo 506 antildeos (Petroleum 2018) Aun cuando hubiese
suficientes recursos foacutesiles para cubrir la creciente demanda el problema estaacute
relacionado con la contaminacioacuten especiacuteficamente con las altas emisiones de CO2 y
muchos otros que afectan seriamente el ecosistema
Se han realizados esfuerzos importantes por parte de la comunidad internacional
para la proteccioacuten del medio ambiente como son el protocolo de Montreal el protocolo
de Kioto y el tratado de Paris Bajo estos acuerdos internacionales es donde la
tecnologiacutea relacionada con el aprovechamiento de la radiacioacuten solar se reconoce
como una solucioacuten apropiada para la generacioacuten de energiacutea teacutermica y eleacutectrica Se
debe recordar que la transformacioacuten de la radiacioacuten solar es la fuente primordial de
las tecnologiacuteas renovables ya que el viento olas hidroeleacutectrica e incluso biomasa
son resultado de la potencia proveniente del Sol (Maxwell 1994 Shilling 2003)
Si bien las fuentes renovables de energiacutea tienen gran potencial econoacutemico sin olvidar
desde luego su bajo impacto ambiental hasta la fecha no han sido ampliamente
explotadas y comercializadas Lo anterior se debe principalmente al costo de
inversioacuten relativamente alto para desarrollar estas tecnologiacuteas Ademaacutes estos
sistemas no han tenido un mayor despliegue debido a la intermitencia y
requerimientos de almacenamiento de energiacutea por lo que es comuacuten que se opte por
fuentes convencionales Sin embargo en los sistemas con fuentes renovables
ademaacutes de su bajo impacto ambiental un punto que se debe considerar es el costo
2
de operacioacuten ya que estas tecnologiacuteas no presentan consumo de combustible para
su operacioacuten Asiacute la amortizacioacuten de los sistemas con fuentes renovables ocurre por
el ahorro de los costos asociados al consumo de combustible Dado que la energiacutea
solar en su forma primaria es gratuita el reto es disentildear sistemas de captacioacuten y
aprovechamiento que transformen esta energiacutea con sistemas que sean econoacutemicos
y faacutecilmente operables Sin embargo para el aprovechamiento de la energiacutea solar se
tiene como primera limitante su baja densidad de potencia comparada con los
combustibles foacutesiles por lo que se busca sistemas con elevada eficiencia de
conversioacuten Otra limitante es su intermitencia ya sea por el ciclo diacutea-noche o bien por
condiciones atmosfeacutericas adversas como lluvia o nublados y por la estacionalidad
En Cuba las energiacuteas renovables solo representan 46 por ciento de la generacioacuten
eleacutectrica y el resto lo aportan los combustibles foacutesiles de esto la industria azucarera
aporta el 35 por ciento Existe en Cuba un programa nacional de fuentes renovables
de energiacutea y eficiencia energeacutetica El plan para elevar la eficiencia energeacutetica
contempla que para 2030 un total de 25 ingenios generen un excedente de 872 MW
conectados a la red del Sistema Eleacutectrico Nacional Para alcanzar este objetivo se
modernizan los ingenios para transformarlos en modernas plantas bioeleacutectricas Las
inversiones estimadas estaacuten en el orden de los 1290 millones de doacutelares que se
pretenden obtener de diversas formas (Gutieacuterrez 2013)
Este trabajo tiene como propoacutesito estudiar la integracioacuten de energiacutea solar teacutermica con
biomasa para la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica y teacutermica en los esquemas
energeacuteticos de las bioeleacutectricas en Cuba Se tomaraacute como caso de estudio la Unidad
Empresarial de Base uml George Washington uml donde se evaluaraacute incorporar al
economizador de la caldera de vapor agua calentada por un campo solar compuesto
por colectores ciliacutendrico paraboacutelico prototipo EUROTrough-150 Se espera con la
introduccioacuten de esta tecnologiacutea ahorrar bagazo para que sea utilizado en la eacutepoca
pos zafra por la bioeleacutectrica que se preveacute instalar alliacute La caldera del Central basa su
funcionamiento en utilizar como combustible el bagazo residual del proceso de la
elaboracioacuten de azuacutecar
Problema
La insuficiente biomasa cantildeera para que las bioeleacutectricas alcancen al menos 300 diacuteas
de generacioacuten de energiacutea al antildeo causa que los periacuteodos de recuperacioacuten de la
inversioacuten en esta tecnologiacutea sean muy prolongados siendo una posible solucioacuten la
hibridacioacuten de biomasa cantildeera con energiacutea solar teacutermica de concentracioacuten
Se planteoacute la siguiente hipoacutetesis
Si se realiza un estudio de factibilidad de combinar la energiacutea solar teacutermica con la
biomasa cantildeera en las condiciones de Cuba se lograraacute economizar biomasa cantildeera
3
para que las bioeleacutectricas alcancen al menos 300 diacuteas de generacioacuten de energiacutea al
antildeo y a la vez lograr que se reduzcan los periacuteodos de recuperacioacuten de las inversiones
de las bioeleacutectricas en el paiacutes
Por todo lo antes expuesto y para la realizacioacuten de este trabajo de ingenieriacutea se
definioacute el siguiente objetivo general
Estudiar la factibilidad de combinar la energiacutea solar teacutermica de concentracioacuten con
biomasa cantildeera para aumentar la generacioacuten de electricidad al menos 300 diacuteas al
antildeo en las bioeleacutectricas en Cuba
Y como objetivos especiacuteficos
Determinar el potencial solar en la zona central del paiacutes para seleccionar la
tecnologiacutea de concentracioacuten solar y el esquema maacutes factible de hibridacioacuten en la
bioeleacutectrica para las condiciones de Cuba
Realizar el dimensionamiento oacuteptimo del campo solar teacutermico de concentracioacuten para
inyectar energiacutea al ciclo de las bioeleacutectricas proyectadas
Analizar la factibilidad de una propuesta de bioeleacutectrica hiacutebrida biomasa-solar
mediante el uso de indicadores econoacutemicos como el costo nivelado de la energiacutea
generada costo de inversioacuten VAN y TIR asiacute como el impacto ambiental causado
por esta para el caso de estudio UEB umlGeorge Washingtonuml
4
Capiacutetulo 1 Revisioacuten Bibliograacutefica
En este capiacutetulo se realizoacute una recopilacioacuten seleccioacuten y anaacutelisis de la literatura
consultada que constituye el marco teoacuterico del trabajo Se reconocieron las
contribuciones de otros autores buscaacutendose una loacutegica entre los propoacutesitos
investigativos y el conocimiento que existe acerca del problema que se abordoacute
11 Ciclo termodinaacutemico de la industria azucarera
En la industria azucarera cubana al igual que en todo el mundo se emplea un ciclo
de potencia de vapor especiacuteficamente un ciclo Rankine con algunas desviaciones
Se consideran ciclos de potencia de vapor en los que el fluido de trabajo se evapora
y condensa alternadamente Asimismo se analiza la generacioacuten de potencia
acoplada con un proceso de calentamiento llamada cogeneracioacuten La constante
demanda de eficiencias teacutermicas maacutes altas ha producido algunas modificaciones
innovadoras en el ciclo baacutesico de potencia de vapor Entre eacutestos se estudian ciclos
con recalentamiento y regenerativo asiacute como ciclos combinados de potencia de gas
y vapor El vapor de agua es el fluido de trabajo usado para estos ciclos de potencia
de vapor en la industria azucarera debido a sus muchas y atractivas caracteriacutesticas
como bajo costo disponibilidad y alta entalpiacutea de vaporizacioacuten(Cengel 2012)
El ciclo Rankine ideal simple consta de cuatro procesos que son los siguientes
1-2 Compresioacuten isentroacutepica en una bomba
2-3 Adicioacuten de calor a presioacuten constante en una caldera
3-4 Expansioacuten isentroacutepica en una turbina
4-1 Rechazo de calor a presioacuten constante en un condensador
Figura 1 Ciclo Rankine ideal simple
5
En la industria azucarera este ciclo de potencia no se encuentra asiacute del todo puesto
que se le realizan algunas modificaciones ya que el proceso es el que funciona como
condensador del ciclo y en otros casos como es el de las bioeleacutectricas que se
pretenden instalar se realiza un recalentamiento a la salida de la turbina de alta para
luego ser insertado en una turbina de baja Tambieacuten se colocan calentadores
regenerativos con el fin de calentar el agua a la entrada de la caldera o como se
plantea en este trabajo se puede hibridar con un campo termosolar que funcione
como calentador del agua que entra a la caldera todas estas medidas con el fin de
aumentar la eficiencia del ciclo
Al existir una generacioacuten de potencia en forma de energiacutea eleacutectrica y una demanda
de calor necesaria para el proceso de fabricacioacuten de azuacutecar el ciclo termodinaacutemico
pasa a ser un esquema de cogeneracioacuten (Herrera 2016) el cual se muestra en la
figura siguiente
Lo centrales azucareros convencionales no presentan condensador la funcioacuten de
este la realiza netamente el proceso Por lo que existe una equivalencia entre los
flujos de vapor utilizados para la generacioacuten y los que se usan en el proceso sin
poder realizar un aumento considerable de estos limitando asiacute la generacioacuten de
potencia eleacutectrica En el caso de la bioeleacutectrica no ocurre asiacute puesto que aumentan
los paraacutemetros del ciclo y con este los flujos de la sustancia termoportadora Siendo
necesaria la presencia de un condensador ya que con el proceso no basta para
Figura 2 Ciclo de cogeneracioacuten
6
condensar las enormes cantidades de vapor y que luego puedan ser transportadas
por las bombas asiacutea la caldera
12 Concepto de bioeleacutectrica
Una bioeleacutectrica es una planta de cogeneracioacuten que se construye en un aacuterea aledantildea
al central lo que facilita no detener las zafras durante el periacuteodo de construccioacuten y
montaje Su funcionamiento consiste en un ciclo Rankin con mejoras que consta de
una caldera de alta presioacuten para el proceso de adiccioacuten de calor posteriormente se
expande en una turbina de vapor y se realiza una extraccioacuten para el proceso luego
se condensa el vapor de escape de la turbina y se bombea nuevamente a la caldera
Cuando se realiza su puesta en marcha opera abastecieacutendose de todo el bagazo
producido residuos agriacutecolas y del condensado de vapor puro procedente de los
equipos de calentamiento evaporacioacuten y tachos provenientes de la faacutebrica de azuacutecar
a la que a su vez suministra el vapor de escape de los turbogeneradores para el
proceso de fabricacioacuten del endulzante asiacute como la electricidad que necesita El
excedente eleacutectrico del proceso fabril del azuacutecar se vende al Sistema Eleacutectrico
Nacional (SEN)(Salomoacuten 2018)
13 Planta hiacutebrida
Una planta hiacutebrida se define como una planta que utiliza dos o maacutes recursos
energeacuteticos en este caso solar y biomasa aprovechando las ventajas de cada uno y
disminuyendo sus desventajas como por ejemplo
Se mejora la eficiencia solar eleacutectrica
Se eliminan los arranques y paradas de la turbina que limitan su eficiencia y
encarecen su mantenimiento
Se garantiza un suministro eleacutectrico independientemente del recurso solar Ya no
es necesario el uso de sistemas de almacenamiento para satisfacer la curva de
demanda
Los costes de inversioacuten se reducen se reducen los riesgos de inversioacuten al estar
garantizada la generacioacuten de electricidad Adicionalmente se pueden aprovechar las
instalaciones ya existentes La reduccioacuten en los costes permite operar en lugares con
menor radiacioacuten solar
Sin embargo las plantas hibridas presentan incertidumbre sobre su comportamiento
a lo largo del tiempo debido a la variabilidad temporal del recurso solar de la
demanda eleacutectrica y del solapamiento de ambos Es necesario establecer coacutemo se
van a comportar las instalaciones a lo largo d un antildeo y de este modo poder determinar
su idoneidad bajo unas condiciones de radiacioacuten y de demanda eleacutectrica
dependientes del tiempo(Rodriacuteguez 2015)
7
Los principales componentes que forman parte de una planta hiacutebrida solar-biomasa
se distinguen como el bloque solar el bloque de potencia y la hibridacioacuten
Bloque solar Es donde la energiacutea del sol es convertida en energiacutea teacutermica La
tecnologiacutea solar empleada depende del rango de temperaturas de operacioacuten de la
planta hibrida Es necesario que sean compatibles con las del bloque de potencia
Bloque de potencia es el ciclo termodinaacutemico que convierte la energiacutea teacutermica en
eleacutectrica
Hibridacioacuten es el modo en que el bloque de potencia y el bloque solar son
conectados
14 La energiacutea solar
El Sol es un enorme reactor de fusioacuten nuclear formado por una esfera de materia
gaseosa caliente de 139 millones de kiloacutemetros de diaacutemetro que constituye la
principal fuente de energiacutea para la Tierra situada a una distancia media de 149106
km Debido a la radiacioacuten solar la temperatura en la superficie terrestre es alrededor
de 250ordmC superior a la temperatura que habriacutea en la superficie si eacutesta dependiera
solo del calor interno El Sol radia continuamente una potencia de 38middot1023 kW de
los cuales la Tierra intercepta 17middot1014 kW La energiacutea solar recibida en la atmoacutesfera
exterior de la Tierra en un antildeo se conoce con el nombre de SERPY (Solar Energy
Received Per Year) y corresponde a 155middot1015 MWh cantidad que equivale
aproximadamente a 12000 veces la energiacutea consumida en el mundo si se tienen en
cuenta los datos publicados de produccioacuten y consumo energeacutetico mundial durante el
antildeo 2005 (Petroleum 2006) De la radiacioacuten recibida en la superficie exterior el 30
se refleja al espacio el 47 es absorbido por la atmoacutesfera mares y tierra para
mantener la temperatura ambiente y el restante 23 se usa para mantener la
conveccioacuten atmosfeacuterica y el ciclo hidroloacutegico (Rojas 2013)
La radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera tiene un valor constante de unos 1300 Wm
denominaacutendose constante solar Sin embargo toda esta energiacutea no puede ser
aprovechada debido a diferentes fenoacutemenos que se interponen en su camino desde
el Sol hasta la superficie terrestre Al atravesar la atmoacutesfera las nubes dispersan la
radiacioacuten separaacutendola en radiacioacuten directa y difusa Las sombras causadas por
objetos proacuteximos tambieacuten contribuyen a atenuar el valor de la radiacioacuten Finalmente
el hecho de que la direccioacuten del Sol y la superficie captadora no sea la misma
tambieacuten influye en la disminucioacuten de la constante solar Todos estos factores hacen
que la energiacutea que llega a la Tierra sea de unos 1000 Wm en un diacutea claro a las 12
horas del mediodiacutea solar y a nivel del mar Esta energiacutea no es suficiente para alcanzar
las temperaturas que se requieren por lo que se utilizan elementos concentradores
La energiacutea solar tiene muchas aplicaciones donde ser utilizada Estas actividades se
clasifican en tres grupos generacioacuten teacutermica generacioacuten de trabajo y generacioacuten de
friacuteo El primer grupo contiene la generacioacuten de calor para calefaccioacuten agua caliente
8
sanitaria (ACS) desecacioacuten y refrigeracioacuten Dentro de esta divisioacuten existen
diferencias seguacuten la temperatura alcanzada Podemos distinguir procesos de baja
temperatura que usan colectores planos para ACS hasta 60ordmC procesos de media
temperatura para calefaccioacuten y produccioacuten de friacuteo y procesos de alta temperatura en
la industria La generacioacuten teacutermica tambieacuten incluye la arquitectura bioclimaacutetica La
generacioacuten de trabajo se puede dar de forma teacutermica y de forma fotovoltaica Los
parques de heliostatos o concentradores ciliacutendrico-paraboacutelicos producen vapor que
se utiliza en ciclos de potencia mientras que los paneles fotovoltaicos convierten la
luz en electricidad por medio de semiconductores Por uacuteltimo la generacioacuten de friacuteo
se produce por medio de maacutequinas de absorcioacuten
Las tecnologiacuteas usadas para este tipo de energiacutea son colectores planos para
calefaccioacuten y ACS concentracioacuten en torre discos paraboacutelicos colectores ciliacutendricos
paraboacutelicos y colectores Fresnel para la produccioacuten de electricidad Maacutes adelante se
explicaraacuten con maacutes detalle todas estas tecnologiacuteas
La principal ventaja con la que cuenta la energiacutea solar es que se trata de un recurso
inagotable que estaacute al alcance de todos pero uno de los problemas de esta reside
que la demanda no coincide con la produccioacuten Para ajustar la demanda a la
produccioacuten se hace necesario el uso de sistemas de almacenamiento Otro problema
a tener en cuenta es la intermitencia del recurso solar A lo largo del antildeo hay
numerosos diacuteas en los que las nubes impiden el correcto aprovechamiento de la
energiacutea solar La solucioacuten a este problema es la instalacioacuten de un sistema de apoyo
consistente generalmente en una caldera auxiliar operada con un combustible foacutesil
De este modo se puede prescindir de los sistemas de almacenaje (Paredes 2012)
15 Sistemas teacutermicos solares El objetivo esencial de cualquier sistema teacutermico solar es captar la radiacioacuten que
proviene del sol para transformarla en energiacutea teacutermica de un fluido y transportarla de
la manera maacutes econoacutemica y eficaz posible a un usuario Las aplicaciones del
aprovechamiento solar pueden ser directas en forma de calor o bien indirectas
utilizando este calor para obtener trabajo mecaacutenico en un eje y finalmente
electricidad Entre las tecnologiacuteas existentes hay tres que destacan por su grado de
desarrollo los sistemas de colectores cilindro paraboacutelicos (CCP) los sistemas de
receptor central (SRC) o sistemas de torre central (STC) y los discos paraboacutelicos
(DP) o maacutes propiamente paraboloides de revolucioacuten Tambieacuten existen los sistemas
de concentradores lineales Fresnel (CLF) que a pesar de no estar ampliamente
desarrollados en cuanto a tecnologiacutea se refiere merecen una mencioacuten Aunque los
campos de aplicacioacuten de los Sistemas Termo-solares de Concentracioacuten (CSTS) son
diversos es en los campos de generacioacuten de electricidad vapor de proceso o de
ambos simultaacuteneamente donde estos sistemas han alcanzado su mayor grado de
desarrollo dando lugar a Centrales Energeacuteticas Termo-solares (CETS) Las CETS
son entre los sistemas basados en el aprovechamiento de las energiacuteas renovables
uno de los de mayor potencial de contribucioacuten a la satisfaccioacuten de la demanda
9
energeacutetica especialmente en las regiones situadas en el llamado ldquocinturoacuten solarrdquo
que son aquellas que se encuentran entre las latitudes 35o norte y 35o sur (Paredes
2012)
151 Sistemas de torre central (STC)
Este sistema se caracteriza porque el conjunto colector estaacute compuesto por un grupo
maacutes o menos numeroso de concentradores planos individuales llamados heliostatos
los cuales dirigen la radiacioacuten solar concentrada hacia un receptor central situado en
lo alto de una torre Por tanto la concentracioacuten de la radiacioacuten se produce en tres
dimensiones por lo que el valor de la razoacuten de concentracioacuten es muy elevado asiacute
como las temperaturas que se alcanzan pudiendo llegar eacutestas a los 1500 degC
Figura 3 Esquema de un STC Fuente Greenpeace
A parte de los componentes principales del sistema que se detallan maacutes adelante
para un correcto funcionamiento del sistema se requieren una serie de equipos y
sistemas auxiliares como el sistema de caracterizacioacuten de imaacutegenes blancos
lambertianos para evaluacioacuten de imaacutegenes ajustes de offsets etc
El sistema colector El heliostato es junto con el receptor uno de los componentes
que representa mayor importancia dentro del sistema llegando a suponer hasta un
60 del coste total de la parte solar Su funcioacuten es la de captar la radiacioacuten solar y
redirigirla hacia el receptor
Estaacute compuesto baacutesicamente por una superficie reflectante ndashespejos de vidrio como
los de los CCPs ademaacutes de una estructura soporte mecanismos de movimiento y
un sistema de control
En cuanto al tamantildeo existen de varias dimensiones desde 40 o 50 m2 hasta su
evolucioacuten a los 150 m2 Aunque actualmente se tiende a los heliostatos maacutes
10
pequentildeos pues suponen una simplificacioacuten y abaratamiento en los procesos de
transporte instalacioacuten y puesta en servicio El campo de heliostatos en relacioacuten al
receptor estaacute condicionado en gran parte por la orografiacutea del terreno por el tamantildeo
de la planta y por la disposicioacuten del receptor Las dos formas claacutesicas de colocar los
heliostatos son
Campo circundante heliostatos alrededor de la torre
Campo Norte-Sur heliostatos a un lado de la Torre La orientacioacuten dependeraacute de
en queacute latitud se encuentre el emplazamiento
No obstante existen otras disposiciones que tratan de aprovechar la orografiacutea del
terreno (por ejemplo una ladera orientada al Sur) o usan un concentrador secundario
para evitar los inconvenientes derivados de situar el receptor sobre una torre
La torre La funcioacuten de la torre es la de servir de soporte al receptor que
normalmente debe situarse a una cierta altura sobre el nivel del campo de helioacutestatos
para reducir las sombras y bloqueos entre eacutestos y a diversos elementos auxiliares
(blancos lambertianos sistemas de medida etc) Hasta hoy las torres construidas
han sido de estructuras metaacutelicas o de hormigoacuten
El receptor Es el dispositivo donde se produce la conversioacuten de la radiacioacuten solar
concentrada en energiacutea teacutermica
152 Disco Paraboacutelico (DP)
Los sistemas de discos paraboacutelicos se componen baacutesicamente en un reflector o en
un conjunto de reflectores que tienen forma de paraboloide de revolucioacuten Ademaacutes
poseen un receptor situado en el foco puntual de dicho paraboloide y de un sistema
de generacioacuten eleacutectrica compacto (un motor o una turbina maacutes un alternador) Por lo
general receptor y sistema de generacioacuten suelen formar parte de un mismo conjunto
El principio de funcionamiento es el mismo que para los CCPacutes es decir la radiacioacuten
concentrada por el paraboloide incide sobre el receptor donde se convierte en
energiacutea teacutermica (pudiendo alcanzar los 1500 oC que permite generar electricidad Los
elementos principales del colector Disco Paraboacutelico son los siguientes
Concentrador La forma de la superficie reflexiva en este tipo de sistema es la de
un paraboloide de revolucioacuten cuyo tamantildeo depende de la potencia nominal y de la
energiacutea que se desea generar en un determinado tiempo y bajo unas condiciones de
radiacioacuten determinadas
Receptor Es un sistema de discos paraboacutelicos que tienen dos funciones
fundamentales por un lado la de absorber la radiacioacuten solar reflejada por el
concentrador y por el otro transferir la energiacutea absorbida al fluido de trabajo de la
maacutequina asociada Hasta la fecha existen dos tipos de reflectores tubos
directamente iluminados por la reflexioacuten de los rayos y receptores de reflujo
11
Sistema de Seguimiento Con objeto de seguir la posicioacuten del sol en todo momento
los discos paraboacutelicos realizan un seguimiento de eacuteste en dos ejes Se realiza seguacuten
dos tipos de montaje
Seguimiento en acimut-elevacioacuten en el que el movimiento se realiza seguacuten dos
ejes el vertical y el horizontal
Seguimiento polar en el que el movimiento en un eje es muy lento pues solo se
debe seguir las variaciones estacionales del sol y el movimiento en el otro eje es a
velocidad constante
Actualmente el uso de discos paraboacutelicos para generar electricidad se encuentra en
fase de desarrollo en algunas plantas experimentales como la de Planta Solar de
Almeriacutea pero la falta de fiabilidad y su elevado coste constituyen los principales
obstaacuteculos para su introduccioacuten real en la generacioacuten eleacutectrica En cambio
atendiendo a la misma forma estructural y con el mismo principio de reflexioacuten en un
foco puntual del paraboloide de revolucioacuten es muy comuacuten encontrar a nivel
particular cocinas solares
Figura 4 Esquema de un Disco Paraboacutelico Fuente Greenpeace
12
153 Concentrador lineal Fresnel
Esta tecnologiacutea es la maacutes nueva de las cuatro que actualmente hay disponible para
los sistemas solares de concentracioacuten Son captadores de foco lineal en los que
largos reflectores que poseen ejes de giros independientes y paralelos reflejan la
radiacioacuten solar directa sobre un tubo receptor situado sobre ellos Es la tecnologiacutea
maacutes joven de las cuatro descritas por lo que existen actualmente solo dos plantas
comerciales en funcionamiento con una potencia eleacutectrica total de 64 MWe
Figura 5 Concentrador Lineal Fresnel
154 Colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Esta tecnologiacutea cilindro-paraboacutelica basa su funcionamiento en seguimiento solar y en
la concentracioacuten de los rayos solares en unos tubos receptores de alta eficiencia
teacutermica localizados en la liacutenea focal de los cilindros En estos tubos un fluido
transmisor de calor tal como aceite sinteacutetico es calentado aproximadamente a
400ordmC por los rayos solares concentrados El aceite es bombeado a traveacutes de una
serie de intercambiadores de calor para producir vapor sobrecalentado El calor
presente en este vapor se convierte en energiacutea eleacutectrica en una turbina de vapor
convencional Los colectores cilindro-paraboacutelicos se emplean maacutes a escala industrial
de 10 a 100 MW para la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica en un campo solar y en un
sistema de potencia En el campo solar la energiacutea de la radiacioacuten solar se transforma
en energiacutea teacutermica en una serie de filas paralelas de colectores cilindro-paraboacutelicos
cada uno de ellos con seguimiento solar La eficiencia durabilidad y costo de una
central con colectores cilindro-paraboacutelicos depende fuertemente de la estructura y
robustez del colector Un moacutedulo colector generalmente compuesto de elementos
de 12 m de largo conectados en serie puede tener hasta 150 m de longitud Sus
espejos paraboacutelicos reflejan la radiacioacuten solar y la concentran sobre un tubo
absorbente en su liacutenea focal (Sebastiaacuten 2011)
13
A principios del siglo pasado (1912) la primera planta de canal paraboacutelico fue
construida en Meadi Egipto para bombeo de agua Con 79 plantas 31425 MW
instalados esta tecnologiacutea es la maacutes madura de las tecnologiacuteas CSP (maacutes de 100
antildeos de experiencia en operacioacuten) (GESIME 2014)
Las primeras centrales con colectores cilindro-paraboacutelicos operan comercialmente en
California desde 1985 En este periodo de tiempo han generado maacutes de doce mil
millones de kilowatts hora de electricidad lo que es suficiente para suministrar
electricidad a aproximadamente doce millones de personas durante un antildeo Al igual
que en centrales teacutermicas con combustibles convencionales y tambieacuten en centrales
nucleares la corriente se genera en las centrales solares teacutermicas con una turbina a
vapor y un generador acoplado (Martiacuten 2017)
El Sistema de Generacioacuten de Energiacutea solar (en ingleacutes Solar Energy Generating
System SEGS) es un conjunto de nueve plantas con una capacidad total de 350 MW
Actualmente es el sistema solar operacional maacutes grande (tanto del tipo termal o no)
La planta Nevada Solar One tiene una capacidad de 64 MW Estaacuten en construccioacuten
las plantas Andasol 1 y 2 en Espantildea cada planta tiene una capacidad de 50 MW sin
embargo estas plantas son de un disentildeo que tiene un sistema de almacenamiento
de calor que requiere un terreno con colectores solares mayor en relacioacuten al tamantildeo
del que deberiacutea tener para su generacioacuten El almacenamiento de calor permite una
mejor utilizacioacuten de las turbinas de vapor Con una operacioacuten diurna y parcialmente
nocturna la turbina de vapor de Andasol 1 con una capacidad de punta de 50 MW
produce maacutes energiacutea que Nevada Solar One con una capacidad de punta de 64 MW
debido al sistema de almacenamiento de calor y un terreno de colectores maacutes grande
que posee la planta de Andasol 1(httpwwwwikipediaorg 2017)
Existiacutea la propuesta de instalar 553 MW adicionales en el Mojave Solar Park
California (David 2007) pero este proyecto fue cancelado en el antildeo 2011 Tambieacuten
IBERDROLA (2013) puso en marcha en Egipto la central de Kuraymat de 150
megavatios (MW) de potencia Se trata de una instalacioacuten pionera en el mundo dado
que incorpora una tecnologiacutea que utiliza de forma combinada el gas y la energiacutea solar
lo que contribuye a disminuir las emisiones de CO2 y a mejorar el rendimiento global
de la planta Tambieacuten se generan 25 MW de vapor como aporte para una planta de
gas en Hassi Rmel Argelia (wwwsolarbuzzcom 2016)
El gobierno de India ha comenzado a desarrollar una iniciativa llamada Jawaharlal
Nehru National Solar Mission (tambieacuten conocida como la misioacuten solar nacional) para
resolver el problema de abastecimiento de energiacutea eleacutectrica
(httpwwwwikipediaorg 2017)
14
Figura 6 Esquema de un CCP Fuente Greenpeace
En la figura 6 se pueden ver los elementos principales del conjunto del colector de
forma maacutes detallada se definen del siguiente modo
El Reflector Ciliacutendrico Paraboacutelico su misioacuten es la de reflejar y concentrar sobre el
Receptor la radiacioacuten solar directa incidente sobre la superficie A grandes rasgos es
un espejo curvo que forma en una de sus dimensiones una paraacutebola de forma que
concentra sobre su liacutenea focal toda la radiacioacuten reflejada Entre los materiales usados
para la reflexioacuten encontramos plaacutesticos recubiertos con peliacuteculas de plata o aluminio
chapas metaacutelicas o el maacutes usado vidrios sobre los que se depositan una capa de
plata junto con un protector de base de cobre y pintura epoxi
El tubo de absorcioacuten o Receptor El tubo absorbedor consta de dos tubos
conceacutentricos separados por un espacio de vaciacuteo El tubo interior por el que circula
el fluido calo-portador es metaacutelico y el exterior es de cristal
El tubo interior es tratado con un recubrimiento metaacutelico selectivo que puede consistir
en una fina capa de cromo niacutequel cobalto o alguacuten otro acabado logrado por
Sputtering o Deposicioacuten Fiacutesica de Vapor (PVD por sus siglas en ingleacutes) Dicho
recubrimiento otorga al tubo sus propiedades uacutetiles para eacuteste uso elevada
absortividad a lo largo de todo el espectro solar y una baja emisividad en el espectro
infrarrojo lo cual se traduce en un elevado rendimiento teacutermico El tubo exterior de
vidrio cumple dos propoacutesitos de igual importancia el primero es proteger el
recubrimiento selectivo del tubo interior y minimizar las perdidas teacutermicas por
conveccioacuten Para aumentar el rendimiento oacuteptico del captador es comuacuten la utilizacioacuten
de un tratamiento antireflexivo en ambas caras del tubo de vidrio que logra mejorar
15
la transmisividad Para lograr mantener el vaciacuteo necesario entre los dos tubos se suele
soldar cada tubo el de vidrio y el de metal por separado a un fuelle metaacutelico que
soporta las diferentes dilataciones de cada material al variar la temperatura Con esto
se logra flexibilizar la unioacuten entre los dos tubos evitando grietas por las que pudiera
ingresar aire al vaciacuteo Otro mecanismo que se utiliza para mantener el vaciacuteo son los
llamados getters en ingleacutes que son colocados en el vaciacuteo debido a su propiedad de
reaccionar quiacutemicamente o por absorcioacuten con cualquier moleacutecula de gas que pudiera
penetrar al espacio confinado atrapaacutendolo y asiacute manteniendo el espacio libre de
cualquier elemento
Figura 7 Esquema del tubo de absorcioacuten o Receptor
El Sistema de Seguimiento Solar El seguimiento del Sol se hace con el objetivo
de aprovechar la mayor parte de horas posibles de luz de forma que la radiacioacuten
solar llegue lo maacutes perpendicularmente posible al colector y se mantengan en el foco
lineal continuamente Los CCPacutes pueden tener seguimiento a dos ejes o a un uacutenico
eje Normalmente el seguimiento se realiza a un eje pues mecaacutenicamente es maacutes
sencillo esto implica menos costos y menores peacuterdidas teacutermicas por no haber
tuberiacuteas pasivas La orientacioacuten puede ser Norte-Sur o Este-Oeste Los mecanismos
de accionamiento que mueven al colector pueden ser eleacutectricos (apropiado para
equipos pequentildeos) hidraacuteulicos (para lazos de colectores) y mecaacutenicos (reloj de
pesas) (Paredes 2012)
16
Figura 8 Esquema del seguimiento solar a un eje de un CCP Fuente Greenpeace
Cimentacioacuten y estructura metaacutelica La cimentacioacuten soporta los colectores y los fija
al suelo de forma que el conjunto estructural soporte las cargas para las que fue
disentildeado La misioacuten de la estructura metaacutelica del colector es la de dar rigidez al
conjunto de elementos que lo componen a la vez que hacer de interface con la
cimentacioacuten del propio colector (Hidalgo 2012)
La tecnologiacutea cilindro paraboacutelica es una tecnologiacutea limpia madura y con un extenso
historial que demuestra estar preparada para la instalacioacuten a gran escala Esta
tecnologiacutea lleva siendo instalada a nivel comercial desde los antildeos 80 con un
excepcional comportamiento Desde entonces ha experimentado importantes
mejoras a nivel de costes y rendimientos Actualmente hay maacutes de 1 GWe en
operacioacuten maacutes de 800 MWe en construccioacuten y maacutes de 2 GWe en promocioacuten a nivel
mundial Por lo que es esta la tecnologiacutea maacutes segura a aplicar
16 Orientacioacuten del colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Los captadores cilindro paraboacutelicos suelen estar instalados en los campos solares de
tal manera que sus ejes de rotacioacuten queden orientados bien Norte-Sur o bien Este-
Oeste Con la configuracioacuten Este-Oeste las variaciones estacionales suelen ser
pequentildeas permitiendo tener un aporte teacutermico maacutes estable durante el antildeo a costa
de perder parte de la energiacutea anual disponible Con la configuracioacuten Norte-Sur esa
energiacutea anual suministrada es optimizada al maacuteximo con el punto en contra de tener
variaciones estacionales mucho mayores que con la configuracioacuten Este-Oeste que
en ocasiones y dependiendo de la latitud y de las condiciones atmosfeacutericas del
emplazamiento pueden suponer relaciones de 3 a 1 entre verano e invierno En el
caso de la planta Termo solar acoplada al economizador de la caldera para la
produccioacuten de electricidad de la UEB umlGeorge Washingtonuml se ha realizado el disentildeo
atendiendo al criterio de maximizacioacuten del aporte energeacutetico anual por lo que la
configuracioacuten elegida es la Norte-Sur
17
17 Peacuterdidas en un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Cuando la radiacioacuten solar alcanza la superficie de un colector paraboacutelico se pierde
una cantidad importante de ella debido a diferentes factores El total de las peacuterdidas
se puede dividir en tres grupos
171 Peacuterdidas geomeacutetricas Provocan la disminucioacuten del aacuterea efectiva de captacioacuten
solar de los colectores En un CCP se dividen en peacuterdidas debidas a la posicioacuten
relativa de los colectores entre siacute los cuales se pueden dar sombra unos a otros y
las peacuterdidas inherentes a cada colector que son motivo del aacutengulo de incidencia el
cual provoca que en los extremos del colector haya una peacuterdida de superficie reflexiva
uacutetil La existencia del aacutengulo de incidencia tambieacuten afecta a los valores de la
reflectividad absortividad y transmisividad ya que estos paraacutemetros presentan su
valor maacuteximo cuando el aacutengulo de incidencia es 0deg (Hidalgo 2012)
172 Peacuterdidas oacutepticas Se deben a imperfecciones en los materiales que componen
el colector la superficie del concentrador no es un reflector perfecto ni el vidrio del
tubo absorbedor es completamente transparente ni el recubrimiento selectivo del
tubo metaacutelico es un absorbedor perfecto Los cuatro paraacutemetros que intervienen en
las peacuterdidas oacutepticas de un canal paraboacutelico son la reflectividad de los espejos
paraboacutelicos la absortancia del tubo metaacutelico la transmitancia de la cubierta de vidrio
y el factor de interceptacioacuten (Hidalgo 2012)
Reflectancia ρ no toda la energiacutea incidente es reflejada hacia el tubo
absorbedor
Absortancia α cantidad de radiacioacuten que absorbe la superficie selectiva del
tubo metaacutelico
Transmitancia 120591 de aquella radiacioacuten que intercepta el tubo de vidrio solo
una parte consigue atravesarlo
Factor de interceptacioacuten γ no toda la radiacioacuten reflejada por los espejos
acaba incidiendo sobre el tubo absorbedor Las causas son diversas imperfecciones
en los espejos un mal posicionamiento de los colectores etc
173 Peacuterdidas teacutermicas Principalmente se encuentran asociadas a dos elementos
del sistema el tubo absorbedor y las tuberiacuteas de fluido teacutermico Las perdidas
asociadas estaacuten formadas por perdidas por conduccioacuten por conveccioacuten y por
radiacioacuten de los diferentes medios que conforman el conjunto del tubo absorbedor
es decir por el tubo metaacutelico la cubierta de cristal y la atmosfera De manera que
la potencia teacutermica disipada en el colector equivale a la suma de las peacuterdidas teacutermicas
en el receptor y las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas por donde circula el fluido
teacutermico (HTF) (Hidalgo 2012)
18
Peacuterdidas teacutermicas en el aceite teacutermico (HTF)
Las peacuterdidas teacutermicas asociadas al tubo absorbedor (119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905) se deben a la
diferencia de temperaturas entre eacuteste y el ambiente pudiendo ser por conduccioacuten
por radiacioacuten y por conveccioacuten desde el tubo absorbedor al ambiente Aunque cada
una de estas peacuterdidas podriacutea calcularse aplicando las ecuaciones que rigen los
mecanismos de transferencia de calor antes mencionados en la praacutectica las
peacuterdidas teacutermicas globales en un colector se cuantifican mediante ecuaciones
experimentales (Hidalgo 2012)
18 Rendimiento de un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Como consecuencia de todas las peacuterdidas oacutepticas geomeacutetricas y teacutermicas que
existen en un CCP la energiacutea teacutermica uacutetil que da un CCP es menor que la que dariacutea
en condiciones ideales cuando no existieran dichas peacuterdidas
En un CCP se suelen definir tres rendimientos diferentes y un paraacutemetro
I) Rendimiento oacuteptico con un aacutengulo de incidencia de 0ordm (rendimiento oacuteptico pico)
Tiene en cuenta todas las peacuterdidas oacutepticas que tienen lugar en el colector con un
aacutengulo de incidencia de 0ordm Su valor viene dado por el producto de estos cuatro
factores reflectividad de los espejos transmisividad del tubo de vidrio factor de
interceptacioacuten (que tiene en cuenta la parte de radiacioacuten reflejada que por cualquier
causa no alcanza el absorbente) y absortividad de la superficie selectiva que recubre
el tubo metaacutelico absorbente
II) Rendimiento teacutermico Considera todas las peacuterdidas teacutermicas que tienen lugar en
el colector
III) Rendimiento global Considera todas las peacuterdidas tanto oacutepticas como
geomeacutetricas y teacutermicas que tienen lugar en el colector
IV) Modificador por aacutengulo de incidencia Considera todas las peacuterdidas oacutepticas y
geomeacutetricas que tienen lugar en el colector para un aacutengulo de incidencia ϕ ne 0ordmy que
no se tienen en cuenta en rendimiento oacuteptico (peacuterdidas geomeacutetricas de final de
colector bloqueo de la radiacioacuten concentrada por parte de los soportes del tubo
absorbente e influencia del aacutengulo de incidencia en la absortividad y transmisividad
del tubo absorbente y en la reflectividad de los espejos) (Paredes 2012)
19 Disentildeos hiacutebridos
En general las formas de concentracioacuten de la energiacutea solar se pueden dividir en
tecnologiacuteas lineales y de enfoque puntual Los canales paraboacutelicos y los colectores
lineales Fresnel pertenecen a las tecnologiacuteas de enfoque lineal mientras que las
tecnologiacuteas de enfoque de puntos principales son el receptor central (torre solar) y el
reflector paraboacutelico (disco) Desde el punto de la disponibilidad del mercado y el
estado actual de desarrollo para el presente estudio de caso se han elegido las
siguientes tres opciones de tecnologiacutea Lineal Fresnel (LF) Ciliacutendrico Paraboacutelico
19
(CCP) y Torre Central (STC) Para todas las opciones de CSP nombradas hay
diferentes configuraciones de tecnologiacuteas posibles cuyo rango se muestra en la tabla
1 (E Burin 2016)
Tabla 1 Rangos para las 3 tecnologiacuteas posibles
Unidad LF CCP STC
Fluido teacutermico
(HTF)
- Aceite teacutermico
Agua
Sal
Aceite teacutermico
Agua
sal
Agua
Sal
Aire
Concentracioacuten - 25-100 70-80 300-1000
Rango de
temperatura
oC 380-600(ST) 380-600(ST) 565(ST)
Performance MWel 10-200 10-200 10-150
Capacidad de
corriente instalada
1 88 11
Proporcioacuten de las
obras (2012)
6 75 18
(ST) Steam Turbine
Fuente(Reuszlig 2012 Pitz-Paal 2013 REN 2013)
Debido a la diferente etapa de desarrollo teacutecnico de las tres tecnologiacuteas de CSP y
sus HTF para el estudio de caso se examinaron las siguientes combinaciones CCP
(aceite teacutermico) LF (agua vapor) y STC (agua vapor)
En cuanto a los disentildeos de integracioacuten de las tres tecnologiacuteas de CSP elegidas
desde el punto de vista termodinaacutemico es esforzarse por alcanzar un nivel de
temperatura lo maacutes alto posible para el calor solar agregado Por esa razoacuten el calor
solar agregado se usoacute aquiacute para proporcionar calor para el precalentamiento del agua
de alimentacioacuten a alta presioacuten asiacute como para la produccioacuten paralela de vapor
saturado y vapor vivo en paralelo con los generadores de vapor de bagazo Los
diagramas de flujo de proceso de los tres disentildeos de integracioacuten se muestran en la
siguiente figura
20
Figura 9 Diagramas de flujo de proceso de los tres disentildeos de integracioacuten posibles
En el disentildeo 1 el calor solar reemplaza completamente la extraccioacuten a alta presioacuten
de la turbina CEST Para este propoacutesito el campo solar proporciona en el punto de
disentildeo un rendimiento teacutermico equivalente a la demanda de calor requerida para el
calentador de agua de alimentacioacuten de alta presioacuten Debido al modo de operacioacuten de
ahorro de combustible este reemplazo y la cantidad reducida de bagazo quemado
afecta el rendimiento de la turbina CEST asiacute como la liacutenea de calentamiento del agua
de alimentacioacuten Debido a que no se realiza la extraccioacuten de vapor de alta presioacuten en
el tiempo en que el campo este trabajando se seleccionoacute las tecnologiacuteas CCP y LF
Cabe sentildealar que no es posible una operacioacuten de solo solar
El disentildeo de integracioacuten 2 permite una produccioacuten paralela de vapor saturado con
calor solar para reducir el consumo de bagazo Por lo tanto parte del flujo de masa
de agua de alimentacioacuten principal que va a los generadores de vapor se desviacutea Este
flujo maacutesico secundario pasa en el caso de CCP a traveacutes de un generador de vapor
solar tiacutepico mientras que en el caso de la LF se alimenta directamente al campo
solar En ambos casos se produce vapor saturado a 67 bar que luego se une al flujo
de masa principal dentro de los generadores de vapor para el sobrecalentamiento
En consecuencia el disentildeo de integracioacuten 2 solo afecta el rendimiento de los
21
generadores de vapor mientras que las condiciones de vapor vivo permanecen
iguales Al mantener el estudio de caso cerca de la viabilidad teacutecnica deben
respetarse las condiciones teacutecnicas de contorno de los generadores de vapor Con
el fin de evitar fuertes desequilibrios en estos componentes se asumioacute que se permite
reducir la carga del generador de vapor a un nivel miacutenimo del 85 Del mismo modo
este disentildeo no permite una operacioacuten solo solar
En el disentildeo de integracioacuten 3 el calor solar desplaza al generador de vapor de
carga teacutermica Una parte del agua de alimentacioacuten se deriva de los generadores de
vapor A medida que pasa a traveacutes del sistema de torre solar se produce vapor
sobrecalentado a 520 deg C y 67 bar Esta integracioacuten afecta solo el rendimiento teacutermico
de los generadores de vapor mientras que el ciclo agua vapor se opera en modo
normal En comparacioacuten con el disentildeo de integracioacuten 2 la operacioacuten de los
generadores de vapor se simplifica Eso significa que los generadores de vapor
funcionan aquiacute con una carga parcial normal de 100 a 65 de carga Con respecto
a eso al permitir una carga miacutenima del generador de vapor del 65 en el punto de
disentildeo solar la torre solar fue disentildeada para proporcionar todo el calor restante
necesario Cabe sentildealar que para el disentildeo de integracioacuten 3 es posible una
operacioacuten solo solar cuando la instalacioacuten de cantildea de azuacutecar estaacute fuera de servicio
Tabla 2 Muacuteltiplo solar simulado seguacuten la tecnologiacutea de CSP
Disentildeo Tecnologiacutea Muacuteltiplo solar
simulado
Disentildeo 1 CCP
LF
09 - 14
08 - 14
Disentildeo 2 CCP
LF
09 - 13
08 - 14
Disentildeo 3 STC 08 - 40
Seleccioacuten del Disentildeo y la tecnologiacutea
Luego del anaacutelisis acerca del disentildeo y la tecnologiacutea a emplear en este proyecto se
decidioacute elegir la tecnologiacutea de colectores ciliacutendricos paraboacutelicos (CCP) y el disentildeo
nuacutemero 1 Los colectores de canal paraboacutelico son los maacutes empleados en el mundo
actualmente y lleva siendo instalada a nivel comercial desde los antildeos 80 con un
excepcional comportamiento Desde entonces ha experimentado importantes
mejoras a nivel de costes y rendimientos Hoy diacutea hay maacutes de 1 GWe en operacioacuten
maacutes de 800 MWe en construccioacuten y maacutes de 2 GWe en promocioacuten a nivel mundial
22
Para las condiciones de nuestro paiacutes esta tecnologiacutea pudiera ser la maacutes factible y
segura tambieacuten contamos en Cuba con industrias que poseen capacidad
maquinaria y herramientas para llegar a construir gran parte del equipo como las
bases y estructuras metaacutelicas teniendo que importarse solamente el tubo
absolvedor Reduciendo esto los costos en gran medida ejemplo de esto es la faacutebrica
de antena de Santa Clara que ya han construido maquetas de un equipo de esta
tecnologiacutea y se encuentran en condiciones de comenzar una produccioacuten a mayor
escala
110 Influencia de la industria azucarera en Cuba
La escasez de recursos energeacuteticos primarios junto con la afectacioacuten ambiental
resultante de la utilizacioacuten irracional de la energiacutea asociada a la actividad humana
obliga a la buacutesqueda de fuentes alternativas en especial fuentes renovables de
energiacutea La biomasa ha sido fuente de energiacutea desde tiempos inmemoriales fue de
hecho el primer combustible que empleoacute el hombre pero no obstante sus milenios
de utilizacioacuten la biomasa continuacutea ocupando un lugar importante en la matriz
energeacutetica a nivel mundial y continuaraacute sieacutendolo La biomasa es un combustible
renovable se encuentra ampliamente distribuida a nivel mundial y resulta en muchas
ocasiones un subproducto de ciertos procesos productivos (agriacutecolas e industriales)
En Cuba existen diferentes tipos de biomasa con posibilidades econoacutemicas de
empleo entre las maacutes importantes estaacuten el bagazo y los residuos agriacutecolas de la
cantildea de azuacutecar la lentildea y el raleo de los bosques el marabuacute la cascara de arroz y
los residuos del cafeacute En la proyeccioacuten estrateacutegica de la generacioacuten de electricidad en
Cuba para el 2030 se considera que las fuentes renovables de energiacutea alcanzaran
el 24 del total (en la actualidad representan el 43 ) y la biomasa representaraacute el
14 del total por lo que ella representaraacute el 58 de la electricidad obtenida con
fuentes renovables Este proceso de generacioacuten de electricidad con biomasa se
centraraacute casi totalmente en la industria azucarera lo que conlleva a un problema
fundamental que consiste en que la zafra se realiza en tan solo 5 meses
aproximadamente y se necesita que la generacioacuten sea durante todo el antildeo En la
actualidad existen tecnologiacuteas disponibles y posibilidades para su empleo que
permiten valorar diferentes alternativas para incrementar sustantivamente el
potencial de generacioacuten eleacutectrica de los centrales azucareros como son las
bioeleacutectricas las cuales se plantea la instalacioacuten de alrededor de 25 en toda Cuba lo
que requiere de un suministro adicional de combustible para el resto del antildeo en que
no hay zafra Para esto planteamos en este trabajo la hibridacioacuten con un campo termo
solar que permita el ahorro de combustible y su posterior uso en los meses en que
no hay zafra
En nuestro paiacutes se sigue una poliacutetica de desarrollo sostenible y se ha comenzado
una serie de proyectos en la industria azucarera buscando modificaciones que
permitan un aumento en la energiacutea generada por toneladas de cantildea molida Para
23
esto se valoran aspectos como la variacioacuten de los paraacutemetros de explotacioacuten (presioacuten
y temperatura) de las plantas generadoras y las que consumen vapor mejorar el
secado del bagazo que se quema en las calderas hibridar los generadores de vapor
con energiacutea solar y aumentar la entrega al SEN haciendo un uso eficiente de la
electricidad que se consume asiacute como evitar las paradas imprevistas
Las Bioeleacutectricas suscitan hoy creciente intereacutes en el mundo y en Cuba ante la
necesidad de produccioacuten de energiacutea compatible con el medio ambiente Actualmente
una decena de naciones son paradigmas en el uso de esas instalaciones Isla
Reunioacuten India Isla Mauricio Australia Isla Guadalupe Belice Guatemala Estados
Unidos Costa Rica China y particularmente Brasil que posee 160 de 188 existentes
en el orbe Globalmente estas unidades tienen un potencia instalada de maacutes 2800
megavatios y de esa cifra al menos dos mil corresponden a Brasil secundado en
cuanto a cantidad de Bioeleacutectricas por India (14) Isla Mauricio (3) Isla Reunioacuten (2)
mientras que los restantes paiacuteses mencionados poseen una individualmente
(Salomoacuten 2016)
111 Propuesta para la hibridacioacuten de la bioeleacutectrica con energiacutea renovable
En el paiacutes se lucha hoy por un acercamiento hacia las tecnologiacuteas de energiacutea
renovables Con el propoacutesito de convertir todos los sistemas de generacioacuten de
energiacutea eleacutectrica en sistemas maacutes compatibles con el medio ambiente La hibridacioacuten
de la caldera del central George Washington consiste en disentildear un campo de
Colectores Ciliacutendricos Paraboacutelicos prototipo (EUROTrough-150) Con el fin de elevar
la temperatura del agua proveniente del proceso hasta los 260 oC e inyectarla al
economizador de la caldera para ahorrar bagazo que pudiera ser utilizado en los
restantes meses del antildeo cuando no hay zafra para la produccioacuten de energiacutea eleacutectrica
y su entrega al sistema energeacutetico nacional En el siguiente esquema se muestra la
propuesta planteada para la hibridacioacuten
24
Figura 10 Esquema de la hibridacion con colectores solares
25
Seguacuten un documento sobre eficiencia energeacutetica emitido por el Instituto Cubano de
Investigaciones Azucareras (ICINAZ) a todos los centrales del paiacutes se hace relacioacuten
en cuanto a la temperatura del agua de alimentacioacuten de la caldera y cuanto incide
esto en la eficiencia de dicha caldera Quedando que por cada 5 ordmC que se
incrementa la temperatura del agua de alimentacioacuten se incrementa 1 la eficiencia
de la caldera Siendo esto una justificacioacuten razonable para la propuesta planteada
que eleva la temperatura del agua de alimentacioacuten de 166 ordmC a 260 ordmC Alterando
la temperatura unos 94 ordmC influyendo esto en el aumento de la eficiencia en 18
puntos porcentuales
Conclusiones parciales
En este capiacutetulo se realizoacute una amplia revisioacuten bibliograacutefica que abordoacute el estado
del arte y avances tecnoloacutegicos maacutes importantes para los temas relacionados con
esta investigacioacuten que fueron el de energiacutea solar teacutermica y todo lo relacionado con
las bioeleacutectricas a nivel mundial y en nuestro paiacutes Tambieacuten se realizoacute un anaacutelisis
exhaustivo para la determinacioacuten de la tecnologiacutea de sistemas de concentracioacuten
solar lo que resulto que el sistema de Colectores Ciliacutendricos Paraboacutelicos prototipo
EUROTrough-150 es el maacutes factible para su instalacioacuten en Cuba y posteriormente
pudiera ser fabricado por industrias nacionales El disentildeo de incorporacioacuten del
campo al esquema termodinaacutemico de la bioeleacutectrica resulto ser maacutes factible y de
menores transformaciones tecnoloacutegicas en la estructura del central el de
incorporarlo antes de la caldera y que este inyecte el agua calentada directamente
al economizador realizando el salto teacutermico del agua en un intercambiador de calor
existente en la interseccioacuten del campo con la tuberiacutea del agua proveniente de las
bombas
26
Capiacutetulo 2 Materiales y Meacutetodos En este capiacutetulo se describen los programas y foacutermulas utilizadas para el caacutelculo de los objetivos planteados
La presente investigacioacuten se realizoacute desde enero hasta mayo del 2018 Para la realizacioacuten de los caacutelculos se utilizaron los softwares Engineering Equation Solver (EES) (2004) Matlab (2010) y Excel (2016)
Tabla 3 Condiciones de frontera para la bioeleacutectrica
21 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB uml George Washington uml
En este apartado se realizaraacute la evaluacioacuten del recurso solar disponible en el emplazamiento analizado El estudio del potencial solar en el emplazamiento consiste en el anaacutelisis de los datos de radiacioacuten disponibles el tratamiento de los mismos la estimacioacuten de las variabilidades asociadas y el caacutelculo de la produccioacuten una vez consideradas todas las peacuterdidas A la hora de evaluar el recurso solar y a falta de una medida precisa y especiacutefica en el propio emplazamiento se ha recurrido a diversas fuentes para la obtencioacuten de datos de radiacioacuten con el fin de realizar un ajuste estadiacutestico de los mismos y minimizar los errores asociados a ellos
Para el caacutelculo del potencial solar en la zona del central umlGeorge Washingtonuml fue necesario calcular la radiacioacuten solar directa (DNI) que incide en ese lugar y la duracioacuten diurna del diacutea
211 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa
Para el caacutelculo de la radiacioacuten solar directa en la zona de la UEB uml George Washington uml se tomaron como coordenadas de referencia la latitud y la longitud Lat 22587 Long -80244
Para ello se utilizaron modelos estadiacutesticos que permitieron obtener varios valores de radiacioacuten solar directa (DNI) teniendo en cuenta la posicioacuten geograacutefica del lugar y el diacutea del antildeo que se analiza dicha radiacioacuten En este caso se usoacute la foacutermula para condiciones normales
DNI = 1230 ∙ e^ (minus1
38∙cos∙(120579120579120579minus16)) (1)
27
Doacutende
Aacutengulo de incidencia solar θs El valor del aacutengulo de incidencia (θs) sobre la normal a una superficie plana estaacute dado por la siguiente foacutermulaθs
120579119904 = cosminus1(sin 119889 ∙ sin 119871 ∙ cos 119904 minus sin 119889 ∙ cos 119871 ∙ sin 119904 ∙ cos 119892 + cos 119889 cos 119871 ∙ cos 119904 ∙ cos 119908 +cos 119889 ∙ sin 119871 ∙ sin 119904 ∙ cos 119908 ∙ cos 119892 + cos 119892 ∙ sin 119904 ∙ sin 119892 ∙ sin 119908) (2)
Doacutende
d- Aacutengulo de declinacioacuten L- Latitud geograacutefica s- Inclinacioacuten del colector g- Orientacioacuten del colector w- Aacutengulo horario
212 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea (nuacutemero de horas en que el sol estaacute
sobre el horizonte)
119915 = 120784 ∙119934119930
120783120787 (3)
Doacutende
119830119826 = 119836119848119852minus120783(minus 119853119834119847 119923 ∙ 119853119834119847 119941) (4)
L-Latitud geograacutefica
d-Declinacioacuten
Se compararon los resultados de DNI por la metodologiacutea utilizada en este trabajo con la base de datos de la NASA (httpeosweblarcnasagovsse 2017)
Aun asiacute los lugares para desarrollar aplicaciones de energiacutea solar teacutermica por concentracioacuten deben cumplir con unos estaacutendares de acuerdo a la radiacioacuten solar perpendicular a la superficie incidente sobre un metro cuadrado para que sea eficiente dicha instalacioacuten lo cual se valora de la siguiente manera
Se tuvieron en cuenta los valores de radiacioacuten solar directa (kWm2diacutea) (GESIME 2014)
No idoacuteneos Hasta 1700 kWhmsup2antildeo (47 kWhmsup2diacutea)
Idoacuteneos Entre 1700 y 2700 kWhmsup2antildeo (47 y 74 kWhmsup2diacutea)
Oacuteptimos Maacutes de 2700 kWhmsup2antildeo (74 kWhmsup2diacutea)
28
213 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
El colector ciliacutendrico paraboacutelico que se propuso fue el (Eurotrough-150) cuyas caracteriacutesticas se observaran en la tabla4 y figura 11
Tabla 4 Caracteriacutesticas del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico Eurotrough-150 (ET-150)
Figura 11 Prototipo EUROTrough en la Plataforma Solar de Almeriacutea Espantildea
Para el caacutelculo del rendimiento global de un Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico hay que realizar un balance energeacutetico teniendo en cuenta las peacuterdidas que suceden en el mismo
Caracteriacutesticas um
Ancho de apertura 577 m
Longitud total de cada colector 150 m
Aacuterea de apertura del colector 8175 m2
Longitud focal 171 m
Longitud del absorbedor 41 m
Radio exterior del absorbedor 0035 m
Radio interior del absorbedor 00325 m
Distancia entre filas de colectores 17 m
Rendimiento Oacuteptico pico 78
Factor de ensuciamiento 95
Disponibilidad 97
29
214 Peacuterdidas geomeacutetricas
La geometriacutea del canal paraboacutelico lleva asociada una disminucioacuten del aacuterea efectiva de captacioacuten Estas peacuterdidas se dividen en dos grupos Peacuterdidas debidas a la posicioacuten relativa de los colectores los cuales se pueden dar sombra unos a otros Peacuterdidas inherentes a cada colector son las debidas al aacutengulo de incidencia de
la radiacioacuten solar (g) respecto a la normal del plano de apertura del colector (figura
12)
Figura 12 Aacutengulo de incidencia en un Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
Como consecuencia de este aacutengulo existe una peacuterdida de superficie reflexiva uacutetil en los extremos del colector Por tanto el aacutengulo de incidencia tiene gran importancia sobre el comportamiento teacutermico del colector puesto que limita la cantidad de radiacioacuten solar que se puede aprovechar Se hizo una comparacioacuten del aacutengulo de incidencia en cuanto a la orientacioacuten y el seguimiento solar del colector ciliacutendrico paraboacutelico
Si la orientacioacuten (g) es de Norte-Sur con seguimiento solar Este-Oeste g = 0ordm
Si la orientacioacuten (g) es de Este-Oeste con seguimiento solar Norte-Sur g = 90ordm
Declinacioacuten seguacuten foacutermula de Cooper (Ribot J 2001)
119889 = 2345 ∙ 119904119890119899 [360 ∙(284+119899)
365] (5)
Siendo ldquonrdquo el nuacutemero de diacutea natural para el 1 de enero n=1 y para el 31 de diciembre
n=365
El aacutengulo horario se calcula seguacuten la foacutermula
30
120591 = 15deg ∙ (ℎ119904 minus 12) (6)
Siendo ldquohsrdquo las horas de reloj El valor es negativo por la mantildeana y positivo tras el mediodiacutea y cero al mediodiacutea solar
Se consideroacute el aacutengulo horario 0ordm por ser el mediodiacutea solar donde maacutes radiacioacuten incide sobre la tierra con el objetivo de simplificar los caacutelculos
Se consideroacute el aacutengulo de inclinacioacuten igual a 0ordm (disposicioacuten horizontal) por ser maacutes eficiente
La latitud del lugar en estudio (UEB uml George Washington uml) Santo Domingo es de 22587ordm
Las peacuterdidas asociadas al aacutengulo de incidencia son miacutenimas cuando el aacutengulo es
0ordm cos 120579119904 = 1 y maacuteximas cuando es 90ordm Por tanto cuanto menor sea el aacutengulo de incidencia mayor es la energiacutea solar incidente sobre el colector y mayor es el rendimiento del mismo
215 Peacuterdidas oacutepticas
Caacutelculo del rendimiento oacuteptico pico del colector 120578119900119901119905119874119900 que es aquel que tiene en
cuenta todas las peacuterdidas oacutepticas que tienen lugar en el captador con un aacutengulo de incidencia de 0ordm 120578119900119901119905119874119900 = 120588 ∙ 120574 ∙ 120591 ∙ 120572 (7)
Donde
120588 Reflectancia no toda la energiacutea incidente es reflejada hacia el tubo absorbedor
120574 Factor de interceptacioacuten no toda la radiacioacuten reflejada por los espejos acaba incidiendo sobre el tubo absorbedor Las causas son diversas imperfecciones en los espejos un mal posicionamiento de los colectores etc
120591 Transmitancia de aquella radiacioacuten que intercepta el tubo de vidrio solo una parte consigue atravesarlo
α Absortancia cantidad de radiacioacuten que absorbe la superficie selectiva del tubo metaacutelico
Ademaacutes de las peacuterdidas debidas al aacutengulo de incidencia existen otras peacuterdidas que se asocian a dicho aacutengulo El efecto del aacutengulo de incidencia en el rendimiento del CCP se cuantifica mediante el modificador por aacutengulo de incidencia 119870(120579119904) Eacuteste considera todas las peacuterdidas oacutepticas y geomeacutetricas que tienen lugar en el captador
para un aacutengulo de incidencia 120579119904 ne 0ordm y que no se tienen en cuenta en el rendimiento oacuteptico pico
31
El modificador por el aacutengulo de incidencia depende directamente del aacutengulo de
incidencia siendo 119870(120579119904) = 1 para 120579119904 = 0deg y siendo 119870(120579119904) =0 para 120579119904 = 90deg y se
obtiene como funcioacuten de eacuteste seguacuten la expresioacuten
119870(120579119904) = 1 minus 223073 ∙ 10minus4 ∙ (120579119904) minus 11 ∙ 10minus4 ∙ (1205791199042) + 318596 ∙ 10minus6 ∙ (120579119904
3) minus 485509 ∙
10minus9 ∙ (1205791199044) (8)
216 Peacuterdidas teacutermicas
Las peacuterdidas teacutermicas que tiene lugar en un CCP dan como consecuencia que la energiacutea teacutermica uacutetil sea menor que la energiacutea solar absorbida por el colector Teniendo en cuenta esto la potencia teacutermica uacutetil por colector seraacute igual la diferencia entre los calores absorbido y perdido
119906119905119894119897 = 119886119887119904 minus 119901119890119903119889 (9)
Doacutende
119906119905119894119897 ∶ 119875119900119905119890119899119888119894119886 119905eacute119903119898119894119888119886 uacute119905119894119897 119901119900119903 119888119900119897119890119888119905119900119903 (119882)
119886119887119904 119862119886119897119900119903 119886119887119904119900119903119887119894119889119900 119901119900119903 119890119897 119891119897119906119894119889119900 119889119890 119905119903119886119899119904119891119890119903119890119899119888119894119886 119889119890 119888119886119897119900119903 (119867119879119865) (119882)
119901119890119903119889 119875eacute119903119889119894119889119886119904 119905eacute119903119898119894119888119886119904 119889119890119897 119867119879119865 119886119897 119886119898119887119894119890119899119905119890 (119882)
Peacuterdidas teacutermicas en el aceite teacutermico (HTF) Las peacuterdidas teacutermicas se producen a lo largo del circuito por donde se mueve el fluido teacutermico principalmente en dos lugares en el tubo absorbedor y en las tuberiacuteas del campo de colectores De manera que la potencia teacutermica disipada en el colector equivale a la suma de las peacuterdidas teacutermicas en el receptor y las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas por donde circula el fluido teacutermico (HTF)
119876119901119890119903119889 = 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 + 119875119890119903119889119905119906119887119890119903 (10)
Las peacuterdidas teacutermicas asociadas al tubo absorbedor 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 se deben a la diferencia de temperaturas entre eacuteste y el ambiente pudiendo ser por conduccioacuten por radiacioacuten y por conveccioacuten desde el tubo absobedor al ambiente Aunque cada una de estas peacuterdidas podriacutea calcularse aplicando las ecuaciones que rigen los mecanismos de transferencia de calor antes mencionados en la praacutectica las peacuterdidas teacutermicas globales en un colector se cuantifican mediante ecuaciones experimentales Asiacute las peacuterdidas teacutermicas en el tubo absorbedor por metro longitudinal de colector vienen dadas por la ecuacioacuten
119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 =1198751198901199031198891+1198751198901199031198892+1198751198901199031198893+1198751198901199031198894
119879119904minus119879119890 (11)
32
Doacutende
1198751198901199031198891 = (1198600 + 1198605 ∙ radic119907) ∙ (119879119904 minus 119879119890) (12)
1198751198901199031198892 = (1198601 + 1198606 ∙ radic119907) ∙ (119879119904
2minus1198791198902
2minus 119879119886119898119887 ∙ (119879119904 minus 119879119890)) (13)
1198751198901199031198893 = (1198602+1198604∙119863119873119868∙119870(120579119904)∙cos(120579119904)
3∙ (119879119904
3 minus 1198791198903)) (14)
1198751198901199031198894 =1198603
4∙ (119879119904
4 minus 1198791198904) (15)
Siendo
119879119904 Temperatura del HTF a la salida del campo solar
119879119890 Temperaturas del HTF a la entrada del campo solar
119879119886119898119887 Temperatura ambiente
119907 Velocidad del viento (ms)
Los coeficientes empleados en las foacutermulas se recogen en la tabla 5
Tabla 5 Coeficientes de peacuterdidas teacutermicas
A0 405
A1 0247
A2 -000146
A3 565E-06
A4 762E-08
A5 -17
A6 00125
En general las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas (119875119890119903119889119905119906119887119890119903 ) del campo de colectores son pequentildeas del orden de 8 Wm2 Finalmente la potencia teacutermica disipada por el aceite teacutermico a su paso por un colector es
33
119901119890119903119889 = 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 ∙ 119871119888119900119897119890119888119905119900119903 + 119875119890119903119889119905119906119887119890119903 ∙ 119878119888 (16)
Doacutende
119878119888 Aacuterea de apertura del colector (Ver tabla 1)
Un colector como todos los sistemas de concentracioacuten de la energiacutea solar solo puede aprovechar la radiacioacuten solar que incide normal a su plano de apertura De esta forma la energiacutea solar por unidad de tiempo y en el punto de disentildeo que incide sobre la superficie de apertura de un CCP viene dada por la ecuacioacuten
119904119900119897 = 119863119873119868 ∙ cos(120579119904) ∙ 119878119888 (17)
La potencia absorbida por el colector 119886119887119904 va a ser menor que la 119904119900119897 ya que eacutesta uacuteltima no tiene en cuenta las peacuterdidas oacutepticas y geomeacutetricas en el colector ni la limpieza de los espejos ni la disponibilidad del campo solar La radiacioacuten solar absorbida en un colector CCP viene dada por la ecuacioacuten
119886119887119904 = 119863119873119868 ∙ cos(120579119904) ∙ 119878119888 ∙ 119870 ∙ (120579119904) ∙ Ƞ1199001199011199050ordm ∙ 119865119888 ∙ 119865119889119894119904119901 (18)
Siendo
119865119888 Factor de ensuciamiento de los espejos (95 )Tiene en cuenta que aunque los espejos se limpien no recuperan su estado inicial 119865119889119894119904119901 Factor de disponibilidad (97 ) Fraccioacuten del campo solar que estaacute en
operacioacuten y captando la energiacutea solar El rendimiento global de un CCP viene dado por el cociente entre el aumento de entalpia en el HTF a su paso por el colector y la energiacutea solar incidente sobre el captador
Ƞ119888119900119897119890119888 =119876119906119905119894119897
119876119904119900119897 (19)
22 Dimensionamiento del campo solar de la zona de la UEB uml George
Washington uml
El dimensionamiento del campo solar consiste en determinar el nuacutemero de CCPs (o nuacutemero de lazos) necesarios para aportar la energiacutea que demanda este en el punto de disentildeo (Hidalgo 2012)
Para dimensionar el campo solar es necesario evaluar las condiciones del terreno
donde se va a realizar el montaje de los colectores y hacer un balance energeacutetico
del generador de vapor solar
34
221 Caracterizacioacuten del terrero
Se tuvo en cuenta el relieve y el tamantildeo del terreno cercano al central lo que resulto favorable para abaratar la inversioacuten en cuanto a movimientos de tierra y compra de terrenos Los recursos hiacutedricos ya tienen una infraestructura creada puesto que son necesarios para el proceso que realiza la faacutebrica actualmente Esto se basa en posos que bombean el agua hasta los filtros donde se realiza el tratamiento externo al agua y van luego al proceso todo este sistema ya se encuentra instalado y en buenas condiciones lo que resulta de gran ayuda para el proyecto futuro de Bioeleacutectrica
222 Balance energeacutetico en el generador de vapor solar (GVS)
Para calcular el nuacutemero de lazos necesarios en el campo solar es preciso conocer primero la potencia teacutermica que puede aportar el campo solar en el punto de disentildeo esto se determina mediante la foacutermula
119888119886119898119901119900 =119882119890119897119890119888119905
120578119905119906119903119887 (20)
Doacutende
119888119886119898119901119900 Potencia teacutermica del campo solar
119882119890119897119890119888119905 Potencia eleacutectrica de la turbina
120578119905119906119903119887 Eficiencia termo-mecaacutenica de la turbina (Se asumioacute de 68)
Seguidamente hay que establecer el balance de masas y energiacutea en el Generador de vapor solar (GVS) El GVS se disentildea para recuperar la energiacutea del fluido teacutermico procedente del campo solar Para el intercambiador de calor (GVS) se cumple que la cantidad de calor transferido por unidad de tiempo permanece constante o lo que es lo mismo la energiacutea total es la misma antes y despueacutes de cada transformacioacuten El balance energeacutetico en un intercambiador de calor se resuelve mediante la ecuacioacuten
119886119892119906119886 ∙ ∆119867119886119892119906119886 = 119886119888119890119894119905119890 ∙ ∆119867119886119888119890119894119905119890 (21)
Ademaacutes para cada fluido de forma individual se cumple que
= 119886119888119890119894119905119890 ∙ 119862119901119886119888119890119894119905119890∙ ∆119879 = 119898119886119888119890119894119905119890 ∙ (ℎ119904 minus ℎ119890) (22)
Doacutende
∆H Diferencia de entalpiacuteas a la entrada y a la salida del intercambiador (kJkg)
Q Potencia teacutermica intercambiada (kW)
35
m Caudal maacutesico (kgs) Cp Calor especiacutefico (kJkg ordmC)
∆T Diferencia de temperaturas a la entrada y la salida del intercambiador (ordmC) hs he Entalpiacuteas a la entrada y a la salida respectivamente (kJKg) Y seguacuten el teorema de conservacioacuten de la masa se tiene que
119890119899119905119903119886 = 119904119886119897119890
223 Caacutelculo del nuacutemero de lazos
Los caacutelculos que se han desarrollado en los acaacutepites anteriores constituyen los datos de partida para el caacutelculo del nuacutemero de colectores requeridos en el campo solar para poder alcanzar la potencia teacutermica demandada al campo solar
Caracteriacutesticas del aceite teacutermico (HTF)
El aceite teacutermico que se ha empleado como fluido calo-portador es Therminol VP-1 cuyo rango de temperatura de trabajo se encuentra entre 12-400ordmC La temperatura a la salida del campo solar no debe excederse de los 400ordmC ya que para temperaturas superiores el aceite se degrada y pierde sus propiedades teacutermicas A continuacioacuten se presentan las graacuteficas correspondientes a variacioacuten de densidad y entalpiacutea del aceite teacutermico Therminol VP-1 con la temperatura figuras 13 y 14 respectivamente y que han sido elaboradas a partir de datos del fabricante
Figura 13 Therminol VP-1 Entalpiacutea vs Temperatura
36
Figura 14 Therminol VP-1 Densidad vs Temperatura(Hidalgo 2012)
Para determinar el nuacutemero de lazos necesarios en el campo solar se ha seguido la siguiente metodologiacutea de caacutelculo
Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF
Incremento de temperatura del HTF en un colector
Nuacutemero de colectores necesarios por lazo Nuacutemero de lazos en el campo solar
224 Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF por cada lazo
El caudal de aceite estaacute controlado por la temperatura de salida del campo Cuando la radiacioacuten solar es baja el flujo se reduce con el objetivo de mantener la temperatura de salida del campo y por el contrario cuando la radiacioacuten solar es superior a la del punto de disentildeo los colectores se desenfocan para evitar que el aceite exceda los 393ordmC La velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor se calcula a partir de la expresioacuten del nuacutemero de Reynolds
119877119890 =119907∙119863∙120588
120583 (23)
Doacutende
119907 Velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor (ms) (Se asumioacute una
velocidad de 3 ms la cual es una velocidad econoacutemica)
119877119890 Nuacutemero de Reynolds (-)
120583 Viscosidad dinaacutemica del HTF a la temperatura media de trabajo (Pas)
119863 Diaacutemetro interior del tubo absorbedor (m)
120588 Densidad del HTF a la temperatura media de trabajo (kgm3)
37
Para cumplir con los requisitos de flujo turbulento el caudal miacutenimo de aceite que circula por un lazo en el punto de disentildeo es
= 119907 ∙ 119878 ∙ 120588 (24)
Siendo S en m2 la seccioacuten transversal interior del tubo absorbedor
225 Incremento de temperatura del HTF en un colector
La potencia teacutermica uacutetil del colector se invierte en aumentar la temperatura del aceite De esta forma el incremento de temperatura que sufre el aceite teacutermico a su paso por un colector es decir desde que entra en el colector y hasta que sale del mismo es
∆119879119888119900119897119890119888 = 119879119904 minus 119879119888 =uacute119905119894119897
∙119862119901 (25)
∆119879119888119900119897119890119888 Incremento de temperatura del aceite teacutermico en el colector (ordmC)
119879119888 119879119904 Temperatura del HTF a la entrada y a la salida del colector respectivamente
(ordmC)
119906119905119894119897 Potencia teacutermica uacutetil por colector (W)
Caudal maacutesico de aceite teacutermico por colector (kgs)
119862119901 Calor especiacutefico del aceite teacutermico a la temperatura media de trabajo (kJkg ordmC)
226 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
El incremento total de temperatura del HTF por lazo ΔT lazo es igual a la diferencia entre las temperaturas a la salida y a la entrada del campo solar Por tanto el nuacutemero teoacuterico de colectores en serie por lazo seraacute igual a
119873119888119900119897119890119888 =∆119879119897119886119911119900
∆119879119888119900119897119890119888 (26)
119873119888119900119897119890119888 Nuacutemero teoacuterico de colectores por lazo
∆119879119897119886119911119900 Incremento de temperatura por lazo (ordmC)
Esto implica el salto teacutermico y caudal maacutesico por lazo que es necesario tener el aceite para asiacute poder alcanzar la temperatura de entrada del agua en el economizador
227 Nuacutemero de lazos en el campo solar
A diferencia del nuacutemero de colectores que viene fijado por el salto de temperatura del aceite teacutermico en el campo el nuacutemero de lazos paralelos que conforman el campo solar depende de la potencia teacutermica demanda por el campo El nuacutemero de lazos es igual al cociente entre la potencia teacutermica del campo solar y la potencia teacutermica uacutetil por colector
38
119925119949119938119963119952 =119940119938119950119953119952
uacute119957119946119949 119935119949119938119963119952 (27)
Doacutende
119925119949119938119963119952 Nuacutemero de lazos
119940119938119950119953119952 Potencia teacutermica del campo solar (kW)
uacute119957119946119949 Potencia teacutermica uacutetil por lazo (kW)
23 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un
antildeo)
Para el caacutelculo de las toneladas de CO2 dejadas de emitir se utilizaraacute el iacutendice de
generacioacuten de una planta convencional de combustible foacutesil que para Cuba es de
270 gkWh Con este iacutendice y el aumento de la produccioacuten de energiacutea eleacutectrica con
la incorporacioacuten del campo solar se calcularaacute el ahorro de combustible foacutesil y a este
valor de combustible sustituido y el uso de los factores de emisioacuten de CO2 mostrados
en la siguiente (tabla 6) se podraacute determinar cuaacutentas toneladas de CO2 es capaz de
evitar la instalacioacuten del campo solar
Tabla 6 Factores de emisioacuten de especies especificadas
Tecnologiacutea CO (gkgf) SO2 (gkgf) NO2eq (gkgf) PM10
(gkgf)
CO2
(kgkgf)
CIE-HFO 24 27 128 528 306
CIE-DO 12 4 84 195 313
Fuente (EPA 2004)
24 Factibilidad econoacutemica del proyecto
Para el caacutelculo de la rentabilidad econoacutemica se optimizoacute la dimensioacuten del campo solar que fuera maacutes rentable para este trabajo donde se tuvo en cuenta el nuacutemero de lazos necesarios del campo y la tasa interna de retorno
241 Valor actual neto (VAN)
El VAN permite calcular el valor presente de un determinado nuacutemero de flujos de caja futuros originados por una inversioacuten teniendo en cuenta la peacuterdida de valor del dinero en el tiempo a traveacutes de una tasa de descuento (Martiacutenez 2017) y se calcula mediante la siguiente ecuacioacuten
39
(28)
Donde
119868119900 Costo inicial de la inversioacuten FC Flujo de caja n El tiempo para el cual se requiere calcular el VAN i La tasa de descuento Meacutetodo de caacutelculo mediante el Excel Para calcular el VAN es necesario conocer el flujo de caja teniendo en cuenta los ingresos y los gastos Ingresos El ingreso es debido a la venta de energiacutea eleacutectrica a la red para ello se utilizoacute un precio de 021 (USDkWh) Ingresos por ventas
119868119899119892119903119890119904119900=119875119903119890119888119894119900 (119880119878119863119896119882ℎ)lowast119864119899119890119903119892iacute119886 (29) Gastos Costo fijo de operacioacuten y mantenimiento Se calcula primero la inversioacuten total mediante la ecuacioacuten siguiente
119894119899119907119890119903119904119894oacute119899 119905119900119905119886119897=119862119900119904119905119900 119906119899119894119905119886119903119894119900 119889119890 119894119899119907119890119903119904119894oacuten (119880119878119863119896119882119890)lowast119875119900119905119890119899119888119894119886 (kWe) (30) Entonces se calcula el costo fijo de operacioacuten y mantenimiento
119862119891=119894119899119907119890119903119904119894oacute119899 119905119900119905119886119897lowast02 (31) Donde
119862119891 Costo fijo de operacioacuten y mantenimiento
Costo variable de operacioacuten y mantenimiento
119862119907=119864119899119903119892iacute119886 (119896119882ℎ)lowast002(119880119878119863119896119882ℎ) (32)
Donde
119862119907 Es el costo variable de operacioacuten y mantenimiento A continuacioacuten se calcula la utilidad antes de impuesto que es la diferencia entre los ingresos y los costos de operacioacuten fijo y variable 119880119879119860=119894119899119892119903119890119904119900minus(119862119891+119862119907) (33)
Donde
119880119879119860 Es la utilidad antes de impuesto o neta Entonces el impuesto en Cuba es del 35 de la utilidad neta
40
119868119898119901119906119890119904119905119900=035lowast(119880119878119863) (34)
El flujo de caja quedariacutea como
119865119888=119880119879119860 (119880119878119863)minus119868119898119901119906119890119904119905119900 (119880119878119863) (35)
Teniendo el flujo de caja se puede calcular el VAN aplicando la tasa de descuento
del 10
Si VAN gt 0 El proyecto es rentable
Si VAN = 0 El proyecto es postergado
Si VAN lt 0 El proyecto no es rentable
242 Tasa interna de retorno (TIR)
Se define como la tasa de descuento que iguala el VAN a cero
Si TIR gt tasa de descuento (r) El proyecto es aceptable
Si TIR = tasa de descuento (r) El proyecto es postergado
Si TIR lt tasa de descuento (r) El proyecto no es aceptable La TIR es aquella tasa de descuento que iguala el valor actual de la corriente de cobros con el valor actual de la corriente de pagos por lo que es la tasa de descuento que hace al VAN igual a cero y puede utilizarse como indicador de la rentabilidad de un proyecto se utiliza como uno de los criterios para decidir sobre la aceptacioacuten o rechazo de un proyecto de inversioacuten (Martiacutenez 2017) y se puede expresar de la siguiente forma
(36) Para simplificacioacuten de los caacutelculos se utilizoacute el software Microsoft Excel que de forma iterativa busca este valor se utilizoacute la estimacioacuten de los flujos de caja para 25 antildeos al igual que para el caacutelculo del VAN
243 Periacuteodo de recuperacioacuten de la inversioacuten
El periacuteodo de recuperacioacuten se cumple cuando la suma de los flujos de caja consecutivos desde el primer antildeo da como resultado el valor de la inversioacuten pero teniendo en cuenta el efecto del tiempo sobre el dinero Calculado de esta manera se conoce como periacuteodo de recuperacioacuten de la inversioacuten descontado Para obtenerlo se hallaron todos los flujos de caja para 25 antildeos consecutivos que es el tiempo de estudio del proyecto entonces se le restoacute el descuento correspondiente a cada antildeo y se graficoacute el resultado quedando como una curva
41
Conclusiones parciales
En este capiacutetulo se realizoacute un estudio de la metodologiacutea de caacutelculo para la
realizacioacuten del dimensionamiento del campo solar para la tecnologiacutea de colectores
cilindro paraboacutelico para esto se escogioacute la metodologiacutea planteada por (Hidalgo
2012) Siendo fundamental el estudio de la radiacioacuten solar de la zona en que estaacute
situada la instalacioacuten Tambieacuten se tuvo en cuenta el acceso a los recursos hiacutedricos
y la cercaniacutea a la red eleacutectrica nacional lo cual no tuvo ninguna dificultad puesto
que donde se pretende ubicar el campo ya existe una instalacioacuten con todas estas
necesidades cubiertas que es el central al cual se pretende convertir en
bioeleacutectrica Luego de estos anaacutelisis y una vez dimensionado el campo solar se
realizoacute el caacutelculo de la rentabilidad econoacutemica seguacuten lo planteado por (Martiacutenez
2017) planteaacutendose como principales indicadores econoacutemicos el costo nivelado de
la energiacutea generada costo de inversioacuten VAN y TIR El impacto ambiental se tuvo
en cuenta mediante el caacutelculo de las emisiones de CO2 dejadas de emitir si la
energiacutea generada con el excedente de bagazo ahorrado por la insercioacuten del campo
hubiera sido generada por una planta teacutermica convencional
42
Capiacutetulo 3 Resultados y Discusioacuten
En este capiacutetulo se exponen los resultados de los caacutelculos efectuados y a la vez se
interpreta el porqueacute de estos asiacute como la discusioacuten de las bibliografiacuteas consultadas
31 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB umlGeorge Washington uml
311 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa
Para el caacutelculo de la radiacioacuten solar directa (DNI) primeramente se halloacute el aacutengulo
de declinacioacuten de cada mes Dicho aacutengulo se anuloacute para el 22 de Marzo y el 23 de
Septiembre puesto que ocurren los equinoccios momento del antildeo en que el sol estaacute
situado en el plano del ecuador terrestre y alcanzoacute el valor maacuteximo positivo el 22 de
Junio y el valor maacuteximo negativo el 22 de diciembre diacuteas en que ocurren los
solsticios que son los momentos del antildeo en los que el sol alcanza su mayor o menor
altura aparente en el cielo y la duracioacuten del diacutea o de la noche son las maacuteximas del
antildeo respectivamente (figura 15)
Figura 15 Aacutengulo de declinacioacuten para los diferentes meses del antildeo
Los valores de DNI que inciden en la zona de la UEB umlGeorge Washingtonuml se
mantuvieron como promedio por encima de 10 kWhm2diacutea seguacuten la metodologiacutea
de caacutelculo empleada siendo oacuteptimos para la instalacioacuten de este tipo de tecnologiacutea
Esto pudiera ser debido a que por la metodologiacutea de caacutelculo solo se tuvo en cuenta
la latitud geograacutefica y el diacutea del antildeo en que se analizoacute dicha radiacioacuten por esta
razoacuten se observoacute que sus valores fueron mayores que los valores de radiacioacuten solar
-30
-20
-10
0
10
20
30
Gra
dos s
exagesim
ale
s
Aacutengulo de declinacioacuten
43
directa que aporta la base de datos de la NASA (httpeosweblarcnasagovsse
2017) como promedio 506 kWhm2diacutea y los aportados por el Instituto de
Meteorologiacutea cubano para esta zona (como promedio 582 kWhm2diacutea) idoacuteneo para
este tipo de tecnologiacutea de los datos de radiacioacuten analizados se utilizoacute para los
caacutelculos siguientes de dimensionamiento del campo los aportados por el instituto de
meteorologiacutea cubano por ser los maacutes especiacuteficos y detallados de todas las fuentes
consultadas Algunos meses como noviembre y diciembre no alcanzan el valor
idoacuteneo de 47 kWhm2-diacutea sin embargo (La Rosa 2014) planteoacute que Cuba se
localiza en una zona geograacutefica de alta radiacioacuten solar y que se caracteriza por la
gran cantidad de diacuteas soleados en el antildeo
Figura 16 Comparacioacuten entre el DNI calculado por la metodologiacutea el aportado por la NASA
y el obtenido por el Instituto de Meteorologiacutea cubano
En cada metro cuadrado del territorio cubano se recibe diariamente una cantidad de
energiacutea solar equivalente a medio kilogramo de petroacuteleo combustible valor
promedio praacutecticamente invariable durante todo el antildeo Otra de las caracteriacutesticas
de la radiacioacuten solar en Cuba es que su valor es casi igual en todo el paiacutes ya que
la diferencia en latitud desde el lugar maacutes bajo hasta el maacutes alto es de soacutelo 3 grados
Por lo tanto la radiacioacuten solar en Cuba es utilizable en todo el territorio y durante
todo el antildeo con un valor medio de maacutes de 5 kWhm2diacutea tanto en su forma de
bioenergiacutea o biomasa energiacutea hidraacuteulica energiacutea eoacutelica o directamente convertida
en calor o electricidad (Beacuterriz 2000)
0
2
4
6
8
10
12
14
DN
I (k
Whm
2-d
iacutea)
meses
Radiacioacuten solar
Calculado NASA Meteorologiacutea cubana
44
312 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea
Luego de haber calculado la semiduracioacuten diurna en grados sexagesimales (WS)
para cada diacutea del antildeo en la zona de la UEB umlGeorge Washingtonuml se calcularon las
horas de luz solar durante el diacutea lo cual se muestra promediado en la tabla 7 donde
se ve que esta es mayor que 10 horas asiacute como tambieacuten se observa que son maacutes
largos los diacuteas en los meses de verano (Abril-Agosto)
Tabla 7 promedio de horas de sol al diacutea por meses del antildeo
32 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
Se realizoacute el balance energeacutetico del CCP teniendo en cuenta las peacuterdidas que
sucedieron en el mismo debido a su fabricacioacuten y a su posicioacuten
321 Peacuterdidas geomeacutetricas
Peacuterdidas debidas a la posicioacuten relativa de los colectores
En este trabajo no se tuvo en cuenta las peacuterdidas por sombras ya que se asumioacute
que la construccioacuten de estos colectores iba a estar lo suficientemente separados
para que no se pudieran dar sombra unos a otros
Peacuterdidas inherentes a cada colector
Se comparoacute el aacutengulo de incidencia en cuanto a la orientacioacuten y el seguimiento solar
del colector ciliacutendrico paraboacutelico Se seleccionoacute la orientacioacuten N-S con seguimiento
solar E-O por lo que se seleccionoacute para el caacutelculo del resto de las variables (g = 0)
Para la inclinacioacuten del colector se tomoacute con eje horizontal (s = 0) Se consideroacute el
aacutengulo horario 0ordm por ser el mediodiacutea solar donde maacutes radiacioacuten incide sobre la
tierra con el objetivo de simplificar los caacutelculos
Con los datos calculados anteriormente se halloacute el aacutengulo de incidencia (figura 17)
En este caso se observa que a diferencia de la radiacioacuten solar directa el aacutengulo de
incidencia es menor para los meses de verano reafirmando que a menor aacutengulo de
incidencia mayor la radiacioacuten que va a captar el colector
enero febrero marzo abril mayo junio julio agosto septiembre octubre noviembre diciembre
108 112 119 125 131 134 132 127 121 114 109 106
45
Figura 17 Aacutengulo de incidencia por meses para una orientacioacuten N-S con seguimiento solar
E-O
322 Peacuterdidas oacutepticas
Las caracteriacutesticas oacutepticas del colector ET-150 se reflejaron en la tabla 8 y con estas
se calculoacute el rendimiento oacuteptico
Tabla 8 Caacutelculo del rendimiento oacuteptico
Rendimiento oacuteptico
ntilde Reflectividad superficie reflectora 090
ocirc Transmisividad del cristal absorbedor 095
aacute Absortividad del tubo del absorbedor 096
ɣ Factor de interceptacioacuten 095
Ƞopt0ordm= 078
Cuanto mayor es el valor del rendimiento oacuteptico mayor seraacute el rendimiento del
captador Asiacute cuanto mayor sea el valor de las variables que lo definen mejor seraacute
el rendimiento de los captadores (Rojas 2013)
Ademaacutes de las peacuterdidas debidas al aacutengulo de incidencia existen otras peacuterdidas que
se asocian a dicho aacutengulo El efecto del aacutengulo de incidencia en el rendimiento del
CCP se cuantifica mediante el modificador por aacutengulo de incidencia 119870(120579119904)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Gra
do
s se
xage
sim
ale
s
Aacutengulo de incidencia
46
323 Peacuterdidas teacutermicas
Se calculoacute la potencia teacutermica uacutetil la potencia teacutermica absorbida y la potencia
teacutermica perdida La energiacutea teacutermica uacutetil fue menor que la energiacutea teacutermica absorbida
Esto es debido a las peacuterdidas teacutermicas que se presentan en este tipo de tecnologiacutea
Durante los meses de verano existioacute un descenso de las diferentes potencias
calculadas a causa de las condiciones de nubosidad (lluvia) para esta eacutepoca del
antildeo (figura 18) Para los meses de invierno las potencias decrecieron debido a la
disminucioacuten de la radiacioacuten solar tiacutepico en esta eacutepoca del antildeo
Figura 18 Energiacutea solar por unidad de tiempo radiacioacuten solar absorbida en un colector
peacuterdidas teacutermicas y potencia teacutermica uacutetil para todos los meses del antildeo
Estas peacuterdidas teacutermicas influyeron negativamente en el rendimiento global del
colector CCP ET-150 que tuvo un valor aproximado al 70 Para los meses de
verano hubo un mayor rendimiento aunque este se vio afectado por la nubosidad
El funcionamiento teacutermico de cualquier captador solar estaacute determinado por el
llamado rendimiento global definido como la relacioacuten entre la potencia teacutermica que
es capaz de proporcionar o potencia teacutermica uacutetil y la potencia procedente del Sol
que se tome como referencia No toda la potencia solar puede ser absorbida por el
receptor Existen una serie de peacuterdidas de energiacutea debidas tanto a la geometriacutea y
oacuteptica del captador como a las propiedades de los materiales del propio receptor
que hay que tener en cuenta (Rojas 2013)
16
161
162
163
164
165
166
167
168
169
17
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Qp
er(
kW
h)
Qso
lu
til(
kW
h)
meses
Peacuterdidas teacutermicas
Qsol Qutil Qperd
47
33 Dimensionamiento del campo solar
331 Caracterizacioacuten del terrero
El terreno del central George Washington es llano desprovisto de grandes
obstaacuteculos que puedan crear dificultades en la construccioacuten del campo y crear
sombras que entorpezcan la radiacioacuten del sol en los espejos reflectores Estaacute
cercano a la carretera y consta con posos que facilita el acceso a los recursos
hiacutedricos en el emplazamiento Estaacute solucionado el problema de la conectividad a la
red eleacutectrica nacional puesto que el central ya contaba con esta infraestructura Por
lo tanto posee las condiciones idoacuteneas para la instalacioacuten de un campo solar
332 Balance energeacutetico en el intercambiador de calor
A partir de la temperatura que se quiere elevar el agua de alimentacioacuten de la caldera
(260 oC) y el flujo de esta (255 kgs) se determina una cantidad de energiacutea teacutermica
que debe suministrar el campo para suplir esta demanda Dicha energiacutea teacutermica se
logra a traveacutes de la radiacioacuten solar captada por los colectores la cual es transferida
en forma de calor a un fluido portador en este caso aceite HTF Este necesita un
determinado flujo para absorber toda esa energiacutea y luego transferirla al agua Los
caudales necesarios para la captacioacuten de este calor se encuentran en la (tabla 9)
Tabla 9 Paraacutemetros termodinaacutemicos en el intercambiador de calor
Datos Agua de
alimentacioacuten Aceite teacutermico
Caudal(kgs) 255 462
Temperatura(ordmC) 166 300
Presioacuten (bar) 67 25
Entalpiacutea (kJkg) 6974 490
Con estos datos se concluye que para calentar un flujo de agua de 255 kgs (a
temperatura de 166ordmC y presioacuten de 67 bar) hasta alcanzar una temperatura de
260ordmC se necesita un flujo de energiacutea teacutermica de 106225 kW lo cual es
proporcionada por 462 kgs de aceite teacutermico proveniente del campo solar que estaacute
a una temperatura de 300ordmC y presioacuten de 25 bar
48
333 Caacutelculo del nuacutemero de lazos
3331 Caacutelculo del caudal miacutenimo de circulacioacuten del fluido de transferencia de
calor (HTF) por cada lazo
Para que exista un flujo turbulento por el interior del tubo absorbedor a una velocidad
del fluido econoacutemica de 3 ms el caudal miacutenimo de circulacioacuten debe ser de 86 kgs
(tabla 10)
Tabla 10 Caudal miacutenimo de circulacioacuten del fluido de transferencia de calor (HTF) por
cada lazo
Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF por cada lazo 86 kgs
Nuacutemero de Reynolds 874E+5
Velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor 3 ms
Viscosidad dinaacutemica del HTF a la temperatura media de
trabajo 194E-04 kgmmiddots
Densidad del HTF a la temperatura media de trabajo 870 Kgm3
3332 Incremento de la temperatura del HTF en un colector
Para calentar el flujo de aceite de 200 a 300ordmC lo cual equivale a un salto teacutermico
por lazo de 100ordmC es necesario 4 colectores por lazo Por tanto el salto de
temperatura promedio del HTF a su paso por un colector es aproximadamente de
283ordmC (tabla 11)
Tabla 11 Salto de temperatura promedio del HTF a su paso por un colector
meses ∆119931119949119938119963119952() ∆119827119836119848119845119838119836() 119821119845119834119859119848119852
Enero 100 248 40
Febrero 100 263 38
Marzo 100 301 33
Abril 100 343 29
Mayo 100 333 30
Junio 100 318 31
Julio 100 325 31
Agosto 100 330 30
Septiembre 100 286 35
Octubre 100 262 38
Noviembre 100 202 50
Diciembre 100 186 54
49
3333 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
El nuacutemero de colectores necesarios por lazo para cada mes se refleja en la (tabla
12) Con este resultado se concluye que la cantidad de colectores totales que debe
tener cada lazo del campo solar es aproximadamente de 4
Tabla 12 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo para cada mes del antildeo
Meses Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
Enero 40
Febrero 38
Marzo 33
Abril 29
Mayo 30
Junio 31
Julio 31
Agosto 30
Septiembre 35
Octubre 38
Noviembre 50
Diciembre 54
3334 Nuacutemero de lazos en el campo solar
Al ser la potencia teacutermica del campo solar 106225 kW y ser la potencia teacutermica uacutetil
promedio por lazo aproximadamente de 26556 kW el nuacutemero de lazos necesarios
por campo solar debe ser aproximadamente de 4
Para generar 106 MW teacutermico con una radiacioacuten promedio de 5355 Wm2 para todo
un antildeo la dimensioacuten del campo solar debe ser de 44448 m2 Esto se logra con un
total de 4 lazos con 4 colectores cada uno
334 Caacutelculo del ahorro de bagazo propiciado por el campo
Una de las ideas fundamentales de este proyecto es el ahorro de bagazo para su
uso fuera de temporada y asiacute no parar la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica por la
ausencia de combustible Para esto se halloacute el iacutendice de generacioacuten con el campo
(tabla 13) quedando un ahorro de maacutes de 25 mil toneladas de bagazo Pudiendo
dar un margen de 30 diacuteas maacutes de generacioacuten de electricidad lo que equivale a maacutes
de 14 mil MWe
50
Tabla 13 Generacioacuten en el periacuteodo de zafra y ahorro de bagazo propiciados por el campo
solar
Generacioacuten eleacutectrica total 111063 MWh
Iacutendice de generacioacuten sin campo 500 kWhtb
Iacutendice de generacioacuten con campo 575 kWhtb
Ahorro de bagazo 251586 TonZafra
Porciento de bagazo ahorrado 14
Generacioacuten con el excedente de Bagazo 14463 MWh
Seguacuten los datos de la tabla 13 y suponiendo que la zafra sea de 120 diacuteas sin contar
las paradas este resultado extenderiacutea la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica a 232 diacuteas
aproximadamente maacutes de la mitad del antildeo y solo se necesitariacutea para los restantes
133 diacuteas del antildeo abastecerse por medio de otra fuente como pudiera ser bagazo
aportado por centrales cercanos que funcionaran como tributarios o utilizar otro
combustible complementario como los residuos agriacutecolas cantildeero lentildea o carboacuten de
marabuacute
34 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un
antildeo)
Para el caacutelculo se halloacute el ahorro de combustible foacutesil con la incorporacioacuten del campo
solar De la (tabla 14) mostrada en el capiacutetulo anterior se tomoacute el valor para las
emisiones de CO2 que fue de 306 kgkgf lo que reflejoacute los siguientes resultados
Tabla 14 Ahorro de combustible y emisiones de CO2 dejadas de emitir propiciado por el campo
Iacutendice de generacioacuten de una planta
teacutermica convencional en Cuba 270 gkWh
Ahorro de combustible Foacutesil 3888 TCC
CO2 dejado de emitir 11897 Ton
35 Factibilidad econoacutemica del proyecto
Para los caacutelculos de factibilidad econoacutemica en este proyecto se ha tomado los
siguientes valores (tabla 15)
51
Tabla 15 Valores necesarios para el caacutelculo de la factibilidad econoacutemica
Precio de la electricidad 021 $kWh
Impuestos 30
Tasa de descuento 10
Vida uacutetil 25 antildeos
Tambieacuten se tuvieron en cuenta los costos de inversioacuten del campo solar (tabla 16)
Tabla 16 Costos de Inversioacuten del campo solar Fuente (IDEA 2013)
Captacioacuten y concentracioacuten de
energiacutea solar
Campo solar(CCP)
espejos 35 Eur m2
apertura
130800 m2
457800
euros
estructuras
metaacutelicas
72 Eur m2
apertura
13080
m2
941760
euros
sistemas de
posicionamiento
6600 Eurunid
16
unidades
108585
euros
movimiento de
tierras
21 Eur m2
apertura
13080
m2 27468000 euros
cimentacioacuten 37 Eur m2
apertura
13080
m2 48396000 euros
montaje 43 Eur m2
apertura
13080
m2 56244000 euros
nave de montaje 545 Eur m2
apertura
13080
m2 7128600 euros
costo total
2900511
euros
Sistema de conversioacuten solar teacutermico
aceite teacutermico 283 Eurkg
100
Kg 283 euros
tubos
absorbedores
892 Eurtubo
16
tubos
14675
euros
juntas rotativas 190 Eur unid 33 unidades 625187 euros
tuverias valvulas y
accesorios
13400 Eurlazo 4 lazos 4915834 euros
sistTrasiego
aceites
87000 Eurlazo 4 lazos 31916236 euros
sistPurificacioacuten
de aceite
380000 Eur unid 1 unidades 380000 euros
ProteccContra
incendios
11400 Eurlazo 1 lazos 11400 euros
sistInertizacioacuten 5900 Eurlazo 1 lazos 5900 euros
52
Intercambiador
aceite-vapor
240 EurkW 10623 kWe 2549400 euros
calderas GV 53 EurkWt - 0 euros
costo total 33362310 euros
TOTAL DEL COSTO DE INVERSIOacuteN
9137253
euros
9959606
doacutelares
Tabla 17 Costos de operacioacuten y mantenimiento (OampM) del campo solar en millones de
euros (MEUR MWantildeo) Fuente (IDEA 2013)
Personal 001 MEUR MWantildeo
Mantenimiento 004 MEUR MWantildeo
Otros 002 MEUR MWantildeo
total 007 MEUR MWantildeo
Tabla 18 Costos de operacioacuten y mantenimiento (OampM) del campo solar en MEUR Fuente
(IDEA 2013)
Potencia del
campo solar
11 MW
Personal 011
Mantenimiento 042
Otros 021
total 074
Esto equivale a un costo fijo de 1772000 doacutelares en operacioacuten y mantenimiento
Paraacutemetros operativos
Venta de electricidad 21 centkWh
Produccioacuten de electricidad solar 144626 MWhantildeo
Costos OampM campo solar 289252 USD antildeo
Costo nivelado de la energiacutea generada
Este costo se determinoacute al sumar los costos variables el de inversioacuten total y los
costos de operacioacuten y mantenimiento luego se dividioacute entre la generacioacuten total de
la planta en los 25 antildeos de vida uacutetil de esta tecnologiacutea quedando de 0032$kWh
351 Tasa interna de retorno (TIR)
Con un campo de 16 colectores y para las condiciones de este proyecto se obtuvo
una TIR de
TIR= 30
La TIR calculada fue mayor que la tasa de descuento por tanto el proyecto es
aceptable
53
352 Valor actual neto (VAN)
El valor actual neto es positivo con un valor que asciende a $ 34116545 por lo que
se cumple la condicioacuten de VAN mayor que cero por lo que el proyecto es rentable
353 Periacuteodo de recuperacioacuten (PR)
El tiempo en que se recupera esta inversioacuten es de aproximadamente 9 antildeos (figura
18)
Los costos de inversioacuten incluyen costes de Ingenieriacutea obtencioacuten de los permisos
necesarios y autorizaciones administrativas obra civil y equipo electromecaacutenico
Los beneficios corresponden a las ventas anuales de electricidad una vez
deducidos los gastos de operacioacuten y mantenimiento En general se estima en el
sector que para que una inversioacuten sea interesante el periacuteodo de recuperacioacuten no
debe exceder de 7 antildeos (Penche 1998) Este proyecto excede en dos antildeos lo
planteado por (Penche 1998) aunque sigue siendo factible e interesante para las
condiciones del paiacutes ya que como plantea el problema de investigacioacuten el principal
intereacutes de este trabajo es aumentar los diacuteas de generacioacuten de electricidad Debido
al problema que presenta Cuba con los iacutendices de generacioacuten se hace necesario
una mejora en este sector a toda costa priorizando esto quedando asiacute los periodos
de recuperacioacuten por detraacutes de este intereacutes primordial
Figura 19 Periacuteodo de recuperacioacuten en antildeos
Teniendo en cuenta estos tres iacutendices econoacutemicos calculados que se tuvieron en
cuenta para la rentabilidad econoacutemica de este proyecto se obtiene como resultado
que dicho proyecto es econoacutemicamente factible
-15000000
-10000000
-5000000
0
5000000
10000000
15000000
20000000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Doacutela
res
Antildeos
Periacuteodo de recuperacioacuten de la invercioacuten
54
Conclusiones
La tecnologiacutea de plantas hibridas solar-biomasa para el caso de Cuba es
potencialmente factible a partir de los valores encontrados de radiacioacuten solar
directa en todo el territorio alcanzando estos maacutes de 5 kWhm2-dia durante
todo el antildeo siendo favorable para la implementacioacuten de esta tecnologiacutea
El rendimiento global de cada colector tiene un valor aproximado del 70
debido a las peacuterdidas geomeacutetricas oacutepticas teacutermicas y por las condiciones
meteoroloacutegicas del lugar puesto que al ser Cuba una isla rodeada de mar
hay ocurrencia de un gran nuacutemero de precipitaciones y cielos nublados al
antildeo que afectan considerablemente el factor de disponibilidad del campo
solar
El campo solar tendraacute 4 colectores por lazo y 4 lazos por campo con una
potencia teacutermica de 106 MW lo que representa un aacuterea de casi 45 ha
aumentaacutendose el iacutendice de generacioacuten de electricidad de la planta con su
conversioacuten en planta hibrida (solar-biomasa) de 500 kWhtb a 575 kWhtb
Con la implementacioacuten del proyecto propuesto (hibridacioacuten biomasa-energiacutea
solar) se puede lograr un ahorro de 251586 toneladas de bagazo por zafra
lo que equivale a 30 diacuteas adicionales de generacioacuten eleacutectrica de la planta lo
que extenderiacutea la generacioacuten en la bioeleacutectrica a unos 230 diacuteas acercaacutendose
cada vez maacutes a lo previsto por la poliacutetica existente en el paiacutes de conversioacuten
de centrales en bioeleacutectricas de llegar a los 300 diacuteas Pudieacutendose saldar los
70 diacuteas faltantes con combustibles alternativos como el RAC y el marabuacute con
gran abundancia en nuestros campos
La implementacioacuten en la UEB George Washington de la hibridacioacuten permitiriacutea
anualmente con el excedente de bagazo obtenido una generacioacuten de
electricidad adicional de 145 GWh con una disminucioacuten de 11897 toneladas
de emisiones de CO2 funcionando como una fuente de empleo considerable
para los habitantes de este lugar
El estudio de la hibridacioacuten solar-biomasa en la UEB George Washington
indica que un proyecto de este tipo es factible con una inversioacuten de casi 10
millones de doacutelares logra como resultados maacutes importantes un VAN de maacutes
de 34 millones una TIR de 30 un PRD de aproximadamente 9 antildeos y un
costo nivelado de la electricidad de 0032 $kWh valor de gran motivacioacuten
para la implementacioacuten de esta tecnologiacutea
55
Recomendaciones
Extender el estudio de factibilidad de plantas de energiacutea hiacutebridas biomasa
solar a otros centrales azucareros del paiacutes que se prevean convertir en
bioeleacutectricas
Incluir en la metodologiacutea de anaacutelisis empleada en este trabajo para futuros
estudios otro tipo de tecnologiacuteas de concentracioacuten como pudiera ser la de
colector lineal Fresnel cuya aplicacioacuten ha venido en aumento en los uacuteltimos
antildeos a nivel mundial
Profundizar en el estudio de factibilidad de este proyecto analizando la
influencia de la variacioacuten de paraacutemetros como el salto entaacutelpico en el
intercambiador de calor del campo solar para la optimizacioacuten del disentildeo del
campo solar
56
Bibliografiacutea
BEacuteRRIZ L MADRUGA E 2000 Cuba y las fuentes renovables de energiacutea CUBASOLAR pp 29
CENGEL Y 2012 Termodinaacutemica Meacutexico DF
DAVID A 2007 Business and Finance Israeli Company to build largest solar park in world in US [Online] Available (httpwwwynetnewscom) [Accessed 10 febrero 2018]
E BURIN T V S MULTHAUPT A THELEN G OELJEKLAUS K GOumlRNER E BAZZO 2016 Thermodynamic and economic evaluation of a solar aided sugarcane bagasse cogeneration power plant THE 28TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON EFFICIENCY COST OPTIMIZATION SIMULATION AND ENVIRONMENTAL IMPACT OF ENERGY SYSTEMS
EPA Factor Information REtrieval (FIRE) Software Technology Transfer Network Clearinghouse for Inventories amp Emissions Factors 2004
GACETA 2007 Estrategia Ambiental Nacional Ministerio de Justicia 30 ed Gaceta Oficial Republica de Cuba
GESIME 2014 Conceptualizacioacuten del programa de desarrollo de la energiacutea solar teacutermica en Cuba 2014-2020 MINEM Desarrollado por grupo de desarrollo de la energiacutea solar teacutermica Grupo Empresarial de la Industria Sidero-Mecaacutenica 36
GUTIEacuteRREZ E 2013 ldquoEl azuacutecar cubano adquiere protagonismo energeacuteticordquo Diarios latinoamericanos de Tierrameacuterica
HERRERA I 2016 Poligeneration Workshop KTH Universidad Central Marta Abreu de Las Villas
HIDALGO L 2012 Estudio Teacutecnico-econoacutemico de una central hiacutebrida solar-ciclo combinado Proyecto final de carrera para optar por el tiacutetulo ingeniero teacutecnico de minas Departamento de sistemas energeacuteticos 79
HTTPEOSWEBLARCNASAGOVSSE 2017 Surface Meteorology and Solar Energy [Online] [Accessed 22 noviembre]
HTTPWWWWIKIPEDIAORG 2017 Energiacutea solar teacutermica [Online] [Accessed 17 diciembre 2017]
IDEA 2013 Plan de Energiacuteas (PER) 2011-2020 Instituto para la Diversificacioacuten y Ahorro de la Energiacutea
LA ROSA D 2014 Recuperacioacuten de la disponibilidad de generacioacuten en el ciclo combinado de Energas Varadero con aporte termosolar httpwwwcubasolarcu
MARTIacuteN S 2017 Colector ciliacutendrico paraboacutelico Available from httpwwwtecnoblogsanmartinwordpresscom]
57
MARTIacuteNEZ L 2017 Conjunto de alternativas tecnoloacutegicas para la ingenieriacutea conceptual del estudio de oportunidad de la conversioacuten en bioeleacutectrica del central George Washington Trabajo de diploma Universidad Central ldquoMarta Abreurdquo de Las Villas
MAXWELL E L RENNE DS 1994 Measures of Renewable Energy National Renewable Energy Laboratory
PAREDES C 2012 Disentildeo de captador solar ciliacutendrico paraboacutelico para aplicaciones rurales en Paraguay Proyecto final de carrera para optar por el tiacutetulo de ingeniero teacutecnico de minas Especialidad en recursos energeacuteticos combustibles y explosivos 57
PENCHE C 1998 Manual de pequentildea hidroeleacutectrica D I R E C C I Oacute N G E N E R A L D
E E N E R G I A ( D G X V I I ) 259
PETROLEUM B 2006 BP Statistical Review of World Energy June 2006 Quantifying Energy
PETROLEUM B 2018 Statistical Review of World Energy [Online] Available httpwwwbpcomenergyoutlook [Accessed 12 febrero de 2018]
PITZ-PAAL 2013 Solar thermal power plants BINE-Themeninfo FIZ Karlsruhe GmbH
REN 2013 Global Status Report Paris
REUszlig N 2012 Modern Gas- amp Steam Turbines in Solarthermic Applications 14th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery Honolulu
RIBOT J E A ROVIRA P ROVIRA A BAROacuteN JL 2001 Curso de Energiacutea Solar Centro de Tecnologiacutea Educativa CTE Barcelona Espantildea Obra completa 4ta edicioacuten Leccioacuten 3 El potencial real de la energiacutea solar
RODRIacuteGUEZ J 2015 Metodologiacutea para la caracterizacioacuten termoeconoacutemica de plantas hiacutebridas de generacioacuten de electricidad Tesis Doctoral Universidad Politeacutecnica de Madrid
ROJAS E 2013 Energiacutea Solar Teacutermica Observatorio de energiacutea renovable para Ameacuterica Latina y Caribe Programa de capacitacioacuten de energiacuteas renovables ONUDI 68
SALOMOacuteN R 2016 ldquoBioeleacutectricas despiertan creciente intereacutes mundialrdquo
SALOMOacuteN R 2018 Biomasa fuente de electricidad inagotable para Cuba Diaacutelogos del Sur Prensa Latina de La Habana
SEBASTIAacuteN E 2011 Sistemas de colector ciliacutendrico paraboacutelico para generar energiacutea httpeliseosebastiancom
SHILLING Z NORMAN 2003 IGCC Clean Power Generation Alternative For Solid Fuels Product Line Leader
58
WWWSOLARBUZZCOM H 2016 Abener Signs Contract for Solar Thermal Electric-Combined Cycle Hybrid Plant [Online] [Accessed 16 diciembre 2017]
Iacutendice
Introduccioacuten 1
Capiacutetulo 1 Revisioacuten Bibliograacutefica 4
11 Ciclo termodinaacutemico de la industria azucarera 4
12 Concepto de bioeleacutectrica 6
13 Planta hiacutebrida 6
14 La energiacutea solar 7
15 Sistemas teacutermicos solares 8
151 Sistemas de torre central (STC) 9
152 Disco Paraboacutelico (DP) 10
153 Concentrador lineal Fresnel 12
154 Colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP) 12
16 Orientacioacuten del colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP) 16
17 Peacuterdidas en un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP) 17
171 Peacuterdidas geomeacutetricas 17
172 Peacuterdidas oacutepticas 17
173 Peacuterdidas teacutermicas 17
18 Rendimiento de un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP) 18
19 Disentildeos hiacutebridos 18
110 Influencia de la industria azucarera en Cuba 22
111 Propuesta para la hibridacioacuten de la bioeleacutectrica con energiacutea renovable 23
Conclusiones parciales 25
Capiacutetulo 2 Materiales y Meacutetodos 26
21 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB uml George Washington uml 26
211 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa 26
212 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea (nuacutemero de horas en que el sol estaacute sobre
el horizonte) 27
213 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP) 28
214 Peacuterdidas geomeacutetricas 29
215 Peacuterdidas oacutepticas 30
216 Peacuterdidas teacutermicas 31
22 Dimensionamiento del campo solar de la zona de la UEB uml George Washington uml
33
221 Caracterizacioacuten del terrero 34
222 Balance energeacutetico en el generador de vapor solar (GVS) 34
223 Caacutelculo del nuacutemero de lazos 35
224 Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF por cada lazo 36
225 Incremento de temperatura del HTF en un colector 37
226 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo 37
227 Nuacutemero de lazos en el campo solar 37
23 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un antildeo)
38
24 Factibilidad econoacutemica del proyecto 38
241 Valor actual neto (VAN) 38
242 Tasa interna de retorno (TIR) 40
243 Periacuteodo de recuperacioacuten de la inversioacuten 40
Conclusiones parciales 41
Capiacutetulo 3 Resultados y Discusioacuten 42
31 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB umlGeorge Washington uml 42
311 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa 42
312 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea 44
32 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP) 44
321 Peacuterdidas geomeacutetricas 44
322 Peacuterdidas oacutepticas 45
323 Peacuterdidas teacutermicas 46
33 Dimensionamiento del campo solar 47
331 Caracterizacioacuten del terrero 47
332 Balance energeacutetico en el intercambiador de calor 47
333 Caacutelculo del nuacutemero de lazos 48
3331 Caacutelculo del caudal miacutenimo de circulacioacuten del fluido de transferencia de calor
(HTF) por cada lazo 48
3332 Incremento de la temperatura del HTF en un colector 48
3333 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo 49
3334 Nuacutemero de lazos en el campo solar 49
334 Caacutelculo del ahorro de bagazo propiciado por el campo 49
34 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un antildeo)
50
35 Factibilidad econoacutemica del proyecto 50
351 Tasa interna de retorno (TIR) 52
352 Valor actual neto (VAN) 53
353 Periacuteodo de recuperacioacuten (PR) 53
Conclusiones 54
Recomendaciones 55
1
Introduccioacuten
Las tendencias en el aumento de las temperaturas medias y el consecuente
calentamiento global son ya una amenaza para la vida existen en el presente
evidencias de sus impactos y Cuba no se encuentra exenta ejemplo de ello son
Degradacioacuten de los suelos (erosioacuten drenaje salinidad acidez compactacioacuten entre
otros) Estos afectan grandes extensiones de superficie agriacutecola del paiacutes (Gaceta
2007) Tambieacuten se ha visto maacutes recientemente el aumento de la intensidad de los
ciclones y la cantidad de estos que se forman anualmente Un ejemplo de esto fue el
huracaacuten Irma que azotoacute la isla a finales del antildeo 2017 siendo este de categoriacutea 5
afectando a casi todo el territorio nacional causando grandes dantildeos materiales Papel
protagoacutenico en este resquebrajamiento de la salud del planeta lo tiene el uso
indiscriminado de los combustibles foacutesiles Actualmente la mayor parte de la
generacioacuten de energiacutea teacutermica en el mundo estaacute basada en hidrocarburos
provenientes del petroacuteleo y gas natural cuyas reservas probadas permitiraacuten satisfacer
la demanda soacutelo para algunos antildeos maacutes ya que se cuenta con estudios que
demuestran que las reservas de petroacuteleo mundial solo constan con aproximadamente
15 mil millones de barriles lo necesario para satisfacer las necesidades de la
poblacioacuten mundial por tan solo 506 antildeos (Petroleum 2018) Aun cuando hubiese
suficientes recursos foacutesiles para cubrir la creciente demanda el problema estaacute
relacionado con la contaminacioacuten especiacuteficamente con las altas emisiones de CO2 y
muchos otros que afectan seriamente el ecosistema
Se han realizados esfuerzos importantes por parte de la comunidad internacional
para la proteccioacuten del medio ambiente como son el protocolo de Montreal el protocolo
de Kioto y el tratado de Paris Bajo estos acuerdos internacionales es donde la
tecnologiacutea relacionada con el aprovechamiento de la radiacioacuten solar se reconoce
como una solucioacuten apropiada para la generacioacuten de energiacutea teacutermica y eleacutectrica Se
debe recordar que la transformacioacuten de la radiacioacuten solar es la fuente primordial de
las tecnologiacuteas renovables ya que el viento olas hidroeleacutectrica e incluso biomasa
son resultado de la potencia proveniente del Sol (Maxwell 1994 Shilling 2003)
Si bien las fuentes renovables de energiacutea tienen gran potencial econoacutemico sin olvidar
desde luego su bajo impacto ambiental hasta la fecha no han sido ampliamente
explotadas y comercializadas Lo anterior se debe principalmente al costo de
inversioacuten relativamente alto para desarrollar estas tecnologiacuteas Ademaacutes estos
sistemas no han tenido un mayor despliegue debido a la intermitencia y
requerimientos de almacenamiento de energiacutea por lo que es comuacuten que se opte por
fuentes convencionales Sin embargo en los sistemas con fuentes renovables
ademaacutes de su bajo impacto ambiental un punto que se debe considerar es el costo
2
de operacioacuten ya que estas tecnologiacuteas no presentan consumo de combustible para
su operacioacuten Asiacute la amortizacioacuten de los sistemas con fuentes renovables ocurre por
el ahorro de los costos asociados al consumo de combustible Dado que la energiacutea
solar en su forma primaria es gratuita el reto es disentildear sistemas de captacioacuten y
aprovechamiento que transformen esta energiacutea con sistemas que sean econoacutemicos
y faacutecilmente operables Sin embargo para el aprovechamiento de la energiacutea solar se
tiene como primera limitante su baja densidad de potencia comparada con los
combustibles foacutesiles por lo que se busca sistemas con elevada eficiencia de
conversioacuten Otra limitante es su intermitencia ya sea por el ciclo diacutea-noche o bien por
condiciones atmosfeacutericas adversas como lluvia o nublados y por la estacionalidad
En Cuba las energiacuteas renovables solo representan 46 por ciento de la generacioacuten
eleacutectrica y el resto lo aportan los combustibles foacutesiles de esto la industria azucarera
aporta el 35 por ciento Existe en Cuba un programa nacional de fuentes renovables
de energiacutea y eficiencia energeacutetica El plan para elevar la eficiencia energeacutetica
contempla que para 2030 un total de 25 ingenios generen un excedente de 872 MW
conectados a la red del Sistema Eleacutectrico Nacional Para alcanzar este objetivo se
modernizan los ingenios para transformarlos en modernas plantas bioeleacutectricas Las
inversiones estimadas estaacuten en el orden de los 1290 millones de doacutelares que se
pretenden obtener de diversas formas (Gutieacuterrez 2013)
Este trabajo tiene como propoacutesito estudiar la integracioacuten de energiacutea solar teacutermica con
biomasa para la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica y teacutermica en los esquemas
energeacuteticos de las bioeleacutectricas en Cuba Se tomaraacute como caso de estudio la Unidad
Empresarial de Base uml George Washington uml donde se evaluaraacute incorporar al
economizador de la caldera de vapor agua calentada por un campo solar compuesto
por colectores ciliacutendrico paraboacutelico prototipo EUROTrough-150 Se espera con la
introduccioacuten de esta tecnologiacutea ahorrar bagazo para que sea utilizado en la eacutepoca
pos zafra por la bioeleacutectrica que se preveacute instalar alliacute La caldera del Central basa su
funcionamiento en utilizar como combustible el bagazo residual del proceso de la
elaboracioacuten de azuacutecar
Problema
La insuficiente biomasa cantildeera para que las bioeleacutectricas alcancen al menos 300 diacuteas
de generacioacuten de energiacutea al antildeo causa que los periacuteodos de recuperacioacuten de la
inversioacuten en esta tecnologiacutea sean muy prolongados siendo una posible solucioacuten la
hibridacioacuten de biomasa cantildeera con energiacutea solar teacutermica de concentracioacuten
Se planteoacute la siguiente hipoacutetesis
Si se realiza un estudio de factibilidad de combinar la energiacutea solar teacutermica con la
biomasa cantildeera en las condiciones de Cuba se lograraacute economizar biomasa cantildeera
3
para que las bioeleacutectricas alcancen al menos 300 diacuteas de generacioacuten de energiacutea al
antildeo y a la vez lograr que se reduzcan los periacuteodos de recuperacioacuten de las inversiones
de las bioeleacutectricas en el paiacutes
Por todo lo antes expuesto y para la realizacioacuten de este trabajo de ingenieriacutea se
definioacute el siguiente objetivo general
Estudiar la factibilidad de combinar la energiacutea solar teacutermica de concentracioacuten con
biomasa cantildeera para aumentar la generacioacuten de electricidad al menos 300 diacuteas al
antildeo en las bioeleacutectricas en Cuba
Y como objetivos especiacuteficos
Determinar el potencial solar en la zona central del paiacutes para seleccionar la
tecnologiacutea de concentracioacuten solar y el esquema maacutes factible de hibridacioacuten en la
bioeleacutectrica para las condiciones de Cuba
Realizar el dimensionamiento oacuteptimo del campo solar teacutermico de concentracioacuten para
inyectar energiacutea al ciclo de las bioeleacutectricas proyectadas
Analizar la factibilidad de una propuesta de bioeleacutectrica hiacutebrida biomasa-solar
mediante el uso de indicadores econoacutemicos como el costo nivelado de la energiacutea
generada costo de inversioacuten VAN y TIR asiacute como el impacto ambiental causado
por esta para el caso de estudio UEB umlGeorge Washingtonuml
4
Capiacutetulo 1 Revisioacuten Bibliograacutefica
En este capiacutetulo se realizoacute una recopilacioacuten seleccioacuten y anaacutelisis de la literatura
consultada que constituye el marco teoacuterico del trabajo Se reconocieron las
contribuciones de otros autores buscaacutendose una loacutegica entre los propoacutesitos
investigativos y el conocimiento que existe acerca del problema que se abordoacute
11 Ciclo termodinaacutemico de la industria azucarera
En la industria azucarera cubana al igual que en todo el mundo se emplea un ciclo
de potencia de vapor especiacuteficamente un ciclo Rankine con algunas desviaciones
Se consideran ciclos de potencia de vapor en los que el fluido de trabajo se evapora
y condensa alternadamente Asimismo se analiza la generacioacuten de potencia
acoplada con un proceso de calentamiento llamada cogeneracioacuten La constante
demanda de eficiencias teacutermicas maacutes altas ha producido algunas modificaciones
innovadoras en el ciclo baacutesico de potencia de vapor Entre eacutestos se estudian ciclos
con recalentamiento y regenerativo asiacute como ciclos combinados de potencia de gas
y vapor El vapor de agua es el fluido de trabajo usado para estos ciclos de potencia
de vapor en la industria azucarera debido a sus muchas y atractivas caracteriacutesticas
como bajo costo disponibilidad y alta entalpiacutea de vaporizacioacuten(Cengel 2012)
El ciclo Rankine ideal simple consta de cuatro procesos que son los siguientes
1-2 Compresioacuten isentroacutepica en una bomba
2-3 Adicioacuten de calor a presioacuten constante en una caldera
3-4 Expansioacuten isentroacutepica en una turbina
4-1 Rechazo de calor a presioacuten constante en un condensador
Figura 1 Ciclo Rankine ideal simple
5
En la industria azucarera este ciclo de potencia no se encuentra asiacute del todo puesto
que se le realizan algunas modificaciones ya que el proceso es el que funciona como
condensador del ciclo y en otros casos como es el de las bioeleacutectricas que se
pretenden instalar se realiza un recalentamiento a la salida de la turbina de alta para
luego ser insertado en una turbina de baja Tambieacuten se colocan calentadores
regenerativos con el fin de calentar el agua a la entrada de la caldera o como se
plantea en este trabajo se puede hibridar con un campo termosolar que funcione
como calentador del agua que entra a la caldera todas estas medidas con el fin de
aumentar la eficiencia del ciclo
Al existir una generacioacuten de potencia en forma de energiacutea eleacutectrica y una demanda
de calor necesaria para el proceso de fabricacioacuten de azuacutecar el ciclo termodinaacutemico
pasa a ser un esquema de cogeneracioacuten (Herrera 2016) el cual se muestra en la
figura siguiente
Lo centrales azucareros convencionales no presentan condensador la funcioacuten de
este la realiza netamente el proceso Por lo que existe una equivalencia entre los
flujos de vapor utilizados para la generacioacuten y los que se usan en el proceso sin
poder realizar un aumento considerable de estos limitando asiacute la generacioacuten de
potencia eleacutectrica En el caso de la bioeleacutectrica no ocurre asiacute puesto que aumentan
los paraacutemetros del ciclo y con este los flujos de la sustancia termoportadora Siendo
necesaria la presencia de un condensador ya que con el proceso no basta para
Figura 2 Ciclo de cogeneracioacuten
6
condensar las enormes cantidades de vapor y que luego puedan ser transportadas
por las bombas asiacutea la caldera
12 Concepto de bioeleacutectrica
Una bioeleacutectrica es una planta de cogeneracioacuten que se construye en un aacuterea aledantildea
al central lo que facilita no detener las zafras durante el periacuteodo de construccioacuten y
montaje Su funcionamiento consiste en un ciclo Rankin con mejoras que consta de
una caldera de alta presioacuten para el proceso de adiccioacuten de calor posteriormente se
expande en una turbina de vapor y se realiza una extraccioacuten para el proceso luego
se condensa el vapor de escape de la turbina y se bombea nuevamente a la caldera
Cuando se realiza su puesta en marcha opera abastecieacutendose de todo el bagazo
producido residuos agriacutecolas y del condensado de vapor puro procedente de los
equipos de calentamiento evaporacioacuten y tachos provenientes de la faacutebrica de azuacutecar
a la que a su vez suministra el vapor de escape de los turbogeneradores para el
proceso de fabricacioacuten del endulzante asiacute como la electricidad que necesita El
excedente eleacutectrico del proceso fabril del azuacutecar se vende al Sistema Eleacutectrico
Nacional (SEN)(Salomoacuten 2018)
13 Planta hiacutebrida
Una planta hiacutebrida se define como una planta que utiliza dos o maacutes recursos
energeacuteticos en este caso solar y biomasa aprovechando las ventajas de cada uno y
disminuyendo sus desventajas como por ejemplo
Se mejora la eficiencia solar eleacutectrica
Se eliminan los arranques y paradas de la turbina que limitan su eficiencia y
encarecen su mantenimiento
Se garantiza un suministro eleacutectrico independientemente del recurso solar Ya no
es necesario el uso de sistemas de almacenamiento para satisfacer la curva de
demanda
Los costes de inversioacuten se reducen se reducen los riesgos de inversioacuten al estar
garantizada la generacioacuten de electricidad Adicionalmente se pueden aprovechar las
instalaciones ya existentes La reduccioacuten en los costes permite operar en lugares con
menor radiacioacuten solar
Sin embargo las plantas hibridas presentan incertidumbre sobre su comportamiento
a lo largo del tiempo debido a la variabilidad temporal del recurso solar de la
demanda eleacutectrica y del solapamiento de ambos Es necesario establecer coacutemo se
van a comportar las instalaciones a lo largo d un antildeo y de este modo poder determinar
su idoneidad bajo unas condiciones de radiacioacuten y de demanda eleacutectrica
dependientes del tiempo(Rodriacuteguez 2015)
7
Los principales componentes que forman parte de una planta hiacutebrida solar-biomasa
se distinguen como el bloque solar el bloque de potencia y la hibridacioacuten
Bloque solar Es donde la energiacutea del sol es convertida en energiacutea teacutermica La
tecnologiacutea solar empleada depende del rango de temperaturas de operacioacuten de la
planta hibrida Es necesario que sean compatibles con las del bloque de potencia
Bloque de potencia es el ciclo termodinaacutemico que convierte la energiacutea teacutermica en
eleacutectrica
Hibridacioacuten es el modo en que el bloque de potencia y el bloque solar son
conectados
14 La energiacutea solar
El Sol es un enorme reactor de fusioacuten nuclear formado por una esfera de materia
gaseosa caliente de 139 millones de kiloacutemetros de diaacutemetro que constituye la
principal fuente de energiacutea para la Tierra situada a una distancia media de 149106
km Debido a la radiacioacuten solar la temperatura en la superficie terrestre es alrededor
de 250ordmC superior a la temperatura que habriacutea en la superficie si eacutesta dependiera
solo del calor interno El Sol radia continuamente una potencia de 38middot1023 kW de
los cuales la Tierra intercepta 17middot1014 kW La energiacutea solar recibida en la atmoacutesfera
exterior de la Tierra en un antildeo se conoce con el nombre de SERPY (Solar Energy
Received Per Year) y corresponde a 155middot1015 MWh cantidad que equivale
aproximadamente a 12000 veces la energiacutea consumida en el mundo si se tienen en
cuenta los datos publicados de produccioacuten y consumo energeacutetico mundial durante el
antildeo 2005 (Petroleum 2006) De la radiacioacuten recibida en la superficie exterior el 30
se refleja al espacio el 47 es absorbido por la atmoacutesfera mares y tierra para
mantener la temperatura ambiente y el restante 23 se usa para mantener la
conveccioacuten atmosfeacuterica y el ciclo hidroloacutegico (Rojas 2013)
La radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera tiene un valor constante de unos 1300 Wm
denominaacutendose constante solar Sin embargo toda esta energiacutea no puede ser
aprovechada debido a diferentes fenoacutemenos que se interponen en su camino desde
el Sol hasta la superficie terrestre Al atravesar la atmoacutesfera las nubes dispersan la
radiacioacuten separaacutendola en radiacioacuten directa y difusa Las sombras causadas por
objetos proacuteximos tambieacuten contribuyen a atenuar el valor de la radiacioacuten Finalmente
el hecho de que la direccioacuten del Sol y la superficie captadora no sea la misma
tambieacuten influye en la disminucioacuten de la constante solar Todos estos factores hacen
que la energiacutea que llega a la Tierra sea de unos 1000 Wm en un diacutea claro a las 12
horas del mediodiacutea solar y a nivel del mar Esta energiacutea no es suficiente para alcanzar
las temperaturas que se requieren por lo que se utilizan elementos concentradores
La energiacutea solar tiene muchas aplicaciones donde ser utilizada Estas actividades se
clasifican en tres grupos generacioacuten teacutermica generacioacuten de trabajo y generacioacuten de
friacuteo El primer grupo contiene la generacioacuten de calor para calefaccioacuten agua caliente
8
sanitaria (ACS) desecacioacuten y refrigeracioacuten Dentro de esta divisioacuten existen
diferencias seguacuten la temperatura alcanzada Podemos distinguir procesos de baja
temperatura que usan colectores planos para ACS hasta 60ordmC procesos de media
temperatura para calefaccioacuten y produccioacuten de friacuteo y procesos de alta temperatura en
la industria La generacioacuten teacutermica tambieacuten incluye la arquitectura bioclimaacutetica La
generacioacuten de trabajo se puede dar de forma teacutermica y de forma fotovoltaica Los
parques de heliostatos o concentradores ciliacutendrico-paraboacutelicos producen vapor que
se utiliza en ciclos de potencia mientras que los paneles fotovoltaicos convierten la
luz en electricidad por medio de semiconductores Por uacuteltimo la generacioacuten de friacuteo
se produce por medio de maacutequinas de absorcioacuten
Las tecnologiacuteas usadas para este tipo de energiacutea son colectores planos para
calefaccioacuten y ACS concentracioacuten en torre discos paraboacutelicos colectores ciliacutendricos
paraboacutelicos y colectores Fresnel para la produccioacuten de electricidad Maacutes adelante se
explicaraacuten con maacutes detalle todas estas tecnologiacuteas
La principal ventaja con la que cuenta la energiacutea solar es que se trata de un recurso
inagotable que estaacute al alcance de todos pero uno de los problemas de esta reside
que la demanda no coincide con la produccioacuten Para ajustar la demanda a la
produccioacuten se hace necesario el uso de sistemas de almacenamiento Otro problema
a tener en cuenta es la intermitencia del recurso solar A lo largo del antildeo hay
numerosos diacuteas en los que las nubes impiden el correcto aprovechamiento de la
energiacutea solar La solucioacuten a este problema es la instalacioacuten de un sistema de apoyo
consistente generalmente en una caldera auxiliar operada con un combustible foacutesil
De este modo se puede prescindir de los sistemas de almacenaje (Paredes 2012)
15 Sistemas teacutermicos solares El objetivo esencial de cualquier sistema teacutermico solar es captar la radiacioacuten que
proviene del sol para transformarla en energiacutea teacutermica de un fluido y transportarla de
la manera maacutes econoacutemica y eficaz posible a un usuario Las aplicaciones del
aprovechamiento solar pueden ser directas en forma de calor o bien indirectas
utilizando este calor para obtener trabajo mecaacutenico en un eje y finalmente
electricidad Entre las tecnologiacuteas existentes hay tres que destacan por su grado de
desarrollo los sistemas de colectores cilindro paraboacutelicos (CCP) los sistemas de
receptor central (SRC) o sistemas de torre central (STC) y los discos paraboacutelicos
(DP) o maacutes propiamente paraboloides de revolucioacuten Tambieacuten existen los sistemas
de concentradores lineales Fresnel (CLF) que a pesar de no estar ampliamente
desarrollados en cuanto a tecnologiacutea se refiere merecen una mencioacuten Aunque los
campos de aplicacioacuten de los Sistemas Termo-solares de Concentracioacuten (CSTS) son
diversos es en los campos de generacioacuten de electricidad vapor de proceso o de
ambos simultaacuteneamente donde estos sistemas han alcanzado su mayor grado de
desarrollo dando lugar a Centrales Energeacuteticas Termo-solares (CETS) Las CETS
son entre los sistemas basados en el aprovechamiento de las energiacuteas renovables
uno de los de mayor potencial de contribucioacuten a la satisfaccioacuten de la demanda
9
energeacutetica especialmente en las regiones situadas en el llamado ldquocinturoacuten solarrdquo
que son aquellas que se encuentran entre las latitudes 35o norte y 35o sur (Paredes
2012)
151 Sistemas de torre central (STC)
Este sistema se caracteriza porque el conjunto colector estaacute compuesto por un grupo
maacutes o menos numeroso de concentradores planos individuales llamados heliostatos
los cuales dirigen la radiacioacuten solar concentrada hacia un receptor central situado en
lo alto de una torre Por tanto la concentracioacuten de la radiacioacuten se produce en tres
dimensiones por lo que el valor de la razoacuten de concentracioacuten es muy elevado asiacute
como las temperaturas que se alcanzan pudiendo llegar eacutestas a los 1500 degC
Figura 3 Esquema de un STC Fuente Greenpeace
A parte de los componentes principales del sistema que se detallan maacutes adelante
para un correcto funcionamiento del sistema se requieren una serie de equipos y
sistemas auxiliares como el sistema de caracterizacioacuten de imaacutegenes blancos
lambertianos para evaluacioacuten de imaacutegenes ajustes de offsets etc
El sistema colector El heliostato es junto con el receptor uno de los componentes
que representa mayor importancia dentro del sistema llegando a suponer hasta un
60 del coste total de la parte solar Su funcioacuten es la de captar la radiacioacuten solar y
redirigirla hacia el receptor
Estaacute compuesto baacutesicamente por una superficie reflectante ndashespejos de vidrio como
los de los CCPs ademaacutes de una estructura soporte mecanismos de movimiento y
un sistema de control
En cuanto al tamantildeo existen de varias dimensiones desde 40 o 50 m2 hasta su
evolucioacuten a los 150 m2 Aunque actualmente se tiende a los heliostatos maacutes
10
pequentildeos pues suponen una simplificacioacuten y abaratamiento en los procesos de
transporte instalacioacuten y puesta en servicio El campo de heliostatos en relacioacuten al
receptor estaacute condicionado en gran parte por la orografiacutea del terreno por el tamantildeo
de la planta y por la disposicioacuten del receptor Las dos formas claacutesicas de colocar los
heliostatos son
Campo circundante heliostatos alrededor de la torre
Campo Norte-Sur heliostatos a un lado de la Torre La orientacioacuten dependeraacute de
en queacute latitud se encuentre el emplazamiento
No obstante existen otras disposiciones que tratan de aprovechar la orografiacutea del
terreno (por ejemplo una ladera orientada al Sur) o usan un concentrador secundario
para evitar los inconvenientes derivados de situar el receptor sobre una torre
La torre La funcioacuten de la torre es la de servir de soporte al receptor que
normalmente debe situarse a una cierta altura sobre el nivel del campo de helioacutestatos
para reducir las sombras y bloqueos entre eacutestos y a diversos elementos auxiliares
(blancos lambertianos sistemas de medida etc) Hasta hoy las torres construidas
han sido de estructuras metaacutelicas o de hormigoacuten
El receptor Es el dispositivo donde se produce la conversioacuten de la radiacioacuten solar
concentrada en energiacutea teacutermica
152 Disco Paraboacutelico (DP)
Los sistemas de discos paraboacutelicos se componen baacutesicamente en un reflector o en
un conjunto de reflectores que tienen forma de paraboloide de revolucioacuten Ademaacutes
poseen un receptor situado en el foco puntual de dicho paraboloide y de un sistema
de generacioacuten eleacutectrica compacto (un motor o una turbina maacutes un alternador) Por lo
general receptor y sistema de generacioacuten suelen formar parte de un mismo conjunto
El principio de funcionamiento es el mismo que para los CCPacutes es decir la radiacioacuten
concentrada por el paraboloide incide sobre el receptor donde se convierte en
energiacutea teacutermica (pudiendo alcanzar los 1500 oC que permite generar electricidad Los
elementos principales del colector Disco Paraboacutelico son los siguientes
Concentrador La forma de la superficie reflexiva en este tipo de sistema es la de
un paraboloide de revolucioacuten cuyo tamantildeo depende de la potencia nominal y de la
energiacutea que se desea generar en un determinado tiempo y bajo unas condiciones de
radiacioacuten determinadas
Receptor Es un sistema de discos paraboacutelicos que tienen dos funciones
fundamentales por un lado la de absorber la radiacioacuten solar reflejada por el
concentrador y por el otro transferir la energiacutea absorbida al fluido de trabajo de la
maacutequina asociada Hasta la fecha existen dos tipos de reflectores tubos
directamente iluminados por la reflexioacuten de los rayos y receptores de reflujo
11
Sistema de Seguimiento Con objeto de seguir la posicioacuten del sol en todo momento
los discos paraboacutelicos realizan un seguimiento de eacuteste en dos ejes Se realiza seguacuten
dos tipos de montaje
Seguimiento en acimut-elevacioacuten en el que el movimiento se realiza seguacuten dos
ejes el vertical y el horizontal
Seguimiento polar en el que el movimiento en un eje es muy lento pues solo se
debe seguir las variaciones estacionales del sol y el movimiento en el otro eje es a
velocidad constante
Actualmente el uso de discos paraboacutelicos para generar electricidad se encuentra en
fase de desarrollo en algunas plantas experimentales como la de Planta Solar de
Almeriacutea pero la falta de fiabilidad y su elevado coste constituyen los principales
obstaacuteculos para su introduccioacuten real en la generacioacuten eleacutectrica En cambio
atendiendo a la misma forma estructural y con el mismo principio de reflexioacuten en un
foco puntual del paraboloide de revolucioacuten es muy comuacuten encontrar a nivel
particular cocinas solares
Figura 4 Esquema de un Disco Paraboacutelico Fuente Greenpeace
12
153 Concentrador lineal Fresnel
Esta tecnologiacutea es la maacutes nueva de las cuatro que actualmente hay disponible para
los sistemas solares de concentracioacuten Son captadores de foco lineal en los que
largos reflectores que poseen ejes de giros independientes y paralelos reflejan la
radiacioacuten solar directa sobre un tubo receptor situado sobre ellos Es la tecnologiacutea
maacutes joven de las cuatro descritas por lo que existen actualmente solo dos plantas
comerciales en funcionamiento con una potencia eleacutectrica total de 64 MWe
Figura 5 Concentrador Lineal Fresnel
154 Colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Esta tecnologiacutea cilindro-paraboacutelica basa su funcionamiento en seguimiento solar y en
la concentracioacuten de los rayos solares en unos tubos receptores de alta eficiencia
teacutermica localizados en la liacutenea focal de los cilindros En estos tubos un fluido
transmisor de calor tal como aceite sinteacutetico es calentado aproximadamente a
400ordmC por los rayos solares concentrados El aceite es bombeado a traveacutes de una
serie de intercambiadores de calor para producir vapor sobrecalentado El calor
presente en este vapor se convierte en energiacutea eleacutectrica en una turbina de vapor
convencional Los colectores cilindro-paraboacutelicos se emplean maacutes a escala industrial
de 10 a 100 MW para la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica en un campo solar y en un
sistema de potencia En el campo solar la energiacutea de la radiacioacuten solar se transforma
en energiacutea teacutermica en una serie de filas paralelas de colectores cilindro-paraboacutelicos
cada uno de ellos con seguimiento solar La eficiencia durabilidad y costo de una
central con colectores cilindro-paraboacutelicos depende fuertemente de la estructura y
robustez del colector Un moacutedulo colector generalmente compuesto de elementos
de 12 m de largo conectados en serie puede tener hasta 150 m de longitud Sus
espejos paraboacutelicos reflejan la radiacioacuten solar y la concentran sobre un tubo
absorbente en su liacutenea focal (Sebastiaacuten 2011)
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A principios del siglo pasado (1912) la primera planta de canal paraboacutelico fue
construida en Meadi Egipto para bombeo de agua Con 79 plantas 31425 MW
instalados esta tecnologiacutea es la maacutes madura de las tecnologiacuteas CSP (maacutes de 100
antildeos de experiencia en operacioacuten) (GESIME 2014)
Las primeras centrales con colectores cilindro-paraboacutelicos operan comercialmente en
California desde 1985 En este periodo de tiempo han generado maacutes de doce mil
millones de kilowatts hora de electricidad lo que es suficiente para suministrar
electricidad a aproximadamente doce millones de personas durante un antildeo Al igual
que en centrales teacutermicas con combustibles convencionales y tambieacuten en centrales
nucleares la corriente se genera en las centrales solares teacutermicas con una turbina a
vapor y un generador acoplado (Martiacuten 2017)
El Sistema de Generacioacuten de Energiacutea solar (en ingleacutes Solar Energy Generating
System SEGS) es un conjunto de nueve plantas con una capacidad total de 350 MW
Actualmente es el sistema solar operacional maacutes grande (tanto del tipo termal o no)
La planta Nevada Solar One tiene una capacidad de 64 MW Estaacuten en construccioacuten
las plantas Andasol 1 y 2 en Espantildea cada planta tiene una capacidad de 50 MW sin
embargo estas plantas son de un disentildeo que tiene un sistema de almacenamiento
de calor que requiere un terreno con colectores solares mayor en relacioacuten al tamantildeo
del que deberiacutea tener para su generacioacuten El almacenamiento de calor permite una
mejor utilizacioacuten de las turbinas de vapor Con una operacioacuten diurna y parcialmente
nocturna la turbina de vapor de Andasol 1 con una capacidad de punta de 50 MW
produce maacutes energiacutea que Nevada Solar One con una capacidad de punta de 64 MW
debido al sistema de almacenamiento de calor y un terreno de colectores maacutes grande
que posee la planta de Andasol 1(httpwwwwikipediaorg 2017)
Existiacutea la propuesta de instalar 553 MW adicionales en el Mojave Solar Park
California (David 2007) pero este proyecto fue cancelado en el antildeo 2011 Tambieacuten
IBERDROLA (2013) puso en marcha en Egipto la central de Kuraymat de 150
megavatios (MW) de potencia Se trata de una instalacioacuten pionera en el mundo dado
que incorpora una tecnologiacutea que utiliza de forma combinada el gas y la energiacutea solar
lo que contribuye a disminuir las emisiones de CO2 y a mejorar el rendimiento global
de la planta Tambieacuten se generan 25 MW de vapor como aporte para una planta de
gas en Hassi Rmel Argelia (wwwsolarbuzzcom 2016)
El gobierno de India ha comenzado a desarrollar una iniciativa llamada Jawaharlal
Nehru National Solar Mission (tambieacuten conocida como la misioacuten solar nacional) para
resolver el problema de abastecimiento de energiacutea eleacutectrica
(httpwwwwikipediaorg 2017)
14
Figura 6 Esquema de un CCP Fuente Greenpeace
En la figura 6 se pueden ver los elementos principales del conjunto del colector de
forma maacutes detallada se definen del siguiente modo
El Reflector Ciliacutendrico Paraboacutelico su misioacuten es la de reflejar y concentrar sobre el
Receptor la radiacioacuten solar directa incidente sobre la superficie A grandes rasgos es
un espejo curvo que forma en una de sus dimensiones una paraacutebola de forma que
concentra sobre su liacutenea focal toda la radiacioacuten reflejada Entre los materiales usados
para la reflexioacuten encontramos plaacutesticos recubiertos con peliacuteculas de plata o aluminio
chapas metaacutelicas o el maacutes usado vidrios sobre los que se depositan una capa de
plata junto con un protector de base de cobre y pintura epoxi
El tubo de absorcioacuten o Receptor El tubo absorbedor consta de dos tubos
conceacutentricos separados por un espacio de vaciacuteo El tubo interior por el que circula
el fluido calo-portador es metaacutelico y el exterior es de cristal
El tubo interior es tratado con un recubrimiento metaacutelico selectivo que puede consistir
en una fina capa de cromo niacutequel cobalto o alguacuten otro acabado logrado por
Sputtering o Deposicioacuten Fiacutesica de Vapor (PVD por sus siglas en ingleacutes) Dicho
recubrimiento otorga al tubo sus propiedades uacutetiles para eacuteste uso elevada
absortividad a lo largo de todo el espectro solar y una baja emisividad en el espectro
infrarrojo lo cual se traduce en un elevado rendimiento teacutermico El tubo exterior de
vidrio cumple dos propoacutesitos de igual importancia el primero es proteger el
recubrimiento selectivo del tubo interior y minimizar las perdidas teacutermicas por
conveccioacuten Para aumentar el rendimiento oacuteptico del captador es comuacuten la utilizacioacuten
de un tratamiento antireflexivo en ambas caras del tubo de vidrio que logra mejorar
15
la transmisividad Para lograr mantener el vaciacuteo necesario entre los dos tubos se suele
soldar cada tubo el de vidrio y el de metal por separado a un fuelle metaacutelico que
soporta las diferentes dilataciones de cada material al variar la temperatura Con esto
se logra flexibilizar la unioacuten entre los dos tubos evitando grietas por las que pudiera
ingresar aire al vaciacuteo Otro mecanismo que se utiliza para mantener el vaciacuteo son los
llamados getters en ingleacutes que son colocados en el vaciacuteo debido a su propiedad de
reaccionar quiacutemicamente o por absorcioacuten con cualquier moleacutecula de gas que pudiera
penetrar al espacio confinado atrapaacutendolo y asiacute manteniendo el espacio libre de
cualquier elemento
Figura 7 Esquema del tubo de absorcioacuten o Receptor
El Sistema de Seguimiento Solar El seguimiento del Sol se hace con el objetivo
de aprovechar la mayor parte de horas posibles de luz de forma que la radiacioacuten
solar llegue lo maacutes perpendicularmente posible al colector y se mantengan en el foco
lineal continuamente Los CCPacutes pueden tener seguimiento a dos ejes o a un uacutenico
eje Normalmente el seguimiento se realiza a un eje pues mecaacutenicamente es maacutes
sencillo esto implica menos costos y menores peacuterdidas teacutermicas por no haber
tuberiacuteas pasivas La orientacioacuten puede ser Norte-Sur o Este-Oeste Los mecanismos
de accionamiento que mueven al colector pueden ser eleacutectricos (apropiado para
equipos pequentildeos) hidraacuteulicos (para lazos de colectores) y mecaacutenicos (reloj de
pesas) (Paredes 2012)
16
Figura 8 Esquema del seguimiento solar a un eje de un CCP Fuente Greenpeace
Cimentacioacuten y estructura metaacutelica La cimentacioacuten soporta los colectores y los fija
al suelo de forma que el conjunto estructural soporte las cargas para las que fue
disentildeado La misioacuten de la estructura metaacutelica del colector es la de dar rigidez al
conjunto de elementos que lo componen a la vez que hacer de interface con la
cimentacioacuten del propio colector (Hidalgo 2012)
La tecnologiacutea cilindro paraboacutelica es una tecnologiacutea limpia madura y con un extenso
historial que demuestra estar preparada para la instalacioacuten a gran escala Esta
tecnologiacutea lleva siendo instalada a nivel comercial desde los antildeos 80 con un
excepcional comportamiento Desde entonces ha experimentado importantes
mejoras a nivel de costes y rendimientos Actualmente hay maacutes de 1 GWe en
operacioacuten maacutes de 800 MWe en construccioacuten y maacutes de 2 GWe en promocioacuten a nivel
mundial Por lo que es esta la tecnologiacutea maacutes segura a aplicar
16 Orientacioacuten del colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Los captadores cilindro paraboacutelicos suelen estar instalados en los campos solares de
tal manera que sus ejes de rotacioacuten queden orientados bien Norte-Sur o bien Este-
Oeste Con la configuracioacuten Este-Oeste las variaciones estacionales suelen ser
pequentildeas permitiendo tener un aporte teacutermico maacutes estable durante el antildeo a costa
de perder parte de la energiacutea anual disponible Con la configuracioacuten Norte-Sur esa
energiacutea anual suministrada es optimizada al maacuteximo con el punto en contra de tener
variaciones estacionales mucho mayores que con la configuracioacuten Este-Oeste que
en ocasiones y dependiendo de la latitud y de las condiciones atmosfeacutericas del
emplazamiento pueden suponer relaciones de 3 a 1 entre verano e invierno En el
caso de la planta Termo solar acoplada al economizador de la caldera para la
produccioacuten de electricidad de la UEB umlGeorge Washingtonuml se ha realizado el disentildeo
atendiendo al criterio de maximizacioacuten del aporte energeacutetico anual por lo que la
configuracioacuten elegida es la Norte-Sur
17
17 Peacuterdidas en un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Cuando la radiacioacuten solar alcanza la superficie de un colector paraboacutelico se pierde
una cantidad importante de ella debido a diferentes factores El total de las peacuterdidas
se puede dividir en tres grupos
171 Peacuterdidas geomeacutetricas Provocan la disminucioacuten del aacuterea efectiva de captacioacuten
solar de los colectores En un CCP se dividen en peacuterdidas debidas a la posicioacuten
relativa de los colectores entre siacute los cuales se pueden dar sombra unos a otros y
las peacuterdidas inherentes a cada colector que son motivo del aacutengulo de incidencia el
cual provoca que en los extremos del colector haya una peacuterdida de superficie reflexiva
uacutetil La existencia del aacutengulo de incidencia tambieacuten afecta a los valores de la
reflectividad absortividad y transmisividad ya que estos paraacutemetros presentan su
valor maacuteximo cuando el aacutengulo de incidencia es 0deg (Hidalgo 2012)
172 Peacuterdidas oacutepticas Se deben a imperfecciones en los materiales que componen
el colector la superficie del concentrador no es un reflector perfecto ni el vidrio del
tubo absorbedor es completamente transparente ni el recubrimiento selectivo del
tubo metaacutelico es un absorbedor perfecto Los cuatro paraacutemetros que intervienen en
las peacuterdidas oacutepticas de un canal paraboacutelico son la reflectividad de los espejos
paraboacutelicos la absortancia del tubo metaacutelico la transmitancia de la cubierta de vidrio
y el factor de interceptacioacuten (Hidalgo 2012)
Reflectancia ρ no toda la energiacutea incidente es reflejada hacia el tubo
absorbedor
Absortancia α cantidad de radiacioacuten que absorbe la superficie selectiva del
tubo metaacutelico
Transmitancia 120591 de aquella radiacioacuten que intercepta el tubo de vidrio solo
una parte consigue atravesarlo
Factor de interceptacioacuten γ no toda la radiacioacuten reflejada por los espejos
acaba incidiendo sobre el tubo absorbedor Las causas son diversas imperfecciones
en los espejos un mal posicionamiento de los colectores etc
173 Peacuterdidas teacutermicas Principalmente se encuentran asociadas a dos elementos
del sistema el tubo absorbedor y las tuberiacuteas de fluido teacutermico Las perdidas
asociadas estaacuten formadas por perdidas por conduccioacuten por conveccioacuten y por
radiacioacuten de los diferentes medios que conforman el conjunto del tubo absorbedor
es decir por el tubo metaacutelico la cubierta de cristal y la atmosfera De manera que
la potencia teacutermica disipada en el colector equivale a la suma de las peacuterdidas teacutermicas
en el receptor y las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas por donde circula el fluido
teacutermico (HTF) (Hidalgo 2012)
18
Peacuterdidas teacutermicas en el aceite teacutermico (HTF)
Las peacuterdidas teacutermicas asociadas al tubo absorbedor (119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905) se deben a la
diferencia de temperaturas entre eacuteste y el ambiente pudiendo ser por conduccioacuten
por radiacioacuten y por conveccioacuten desde el tubo absorbedor al ambiente Aunque cada
una de estas peacuterdidas podriacutea calcularse aplicando las ecuaciones que rigen los
mecanismos de transferencia de calor antes mencionados en la praacutectica las
peacuterdidas teacutermicas globales en un colector se cuantifican mediante ecuaciones
experimentales (Hidalgo 2012)
18 Rendimiento de un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Como consecuencia de todas las peacuterdidas oacutepticas geomeacutetricas y teacutermicas que
existen en un CCP la energiacutea teacutermica uacutetil que da un CCP es menor que la que dariacutea
en condiciones ideales cuando no existieran dichas peacuterdidas
En un CCP se suelen definir tres rendimientos diferentes y un paraacutemetro
I) Rendimiento oacuteptico con un aacutengulo de incidencia de 0ordm (rendimiento oacuteptico pico)
Tiene en cuenta todas las peacuterdidas oacutepticas que tienen lugar en el colector con un
aacutengulo de incidencia de 0ordm Su valor viene dado por el producto de estos cuatro
factores reflectividad de los espejos transmisividad del tubo de vidrio factor de
interceptacioacuten (que tiene en cuenta la parte de radiacioacuten reflejada que por cualquier
causa no alcanza el absorbente) y absortividad de la superficie selectiva que recubre
el tubo metaacutelico absorbente
II) Rendimiento teacutermico Considera todas las peacuterdidas teacutermicas que tienen lugar en
el colector
III) Rendimiento global Considera todas las peacuterdidas tanto oacutepticas como
geomeacutetricas y teacutermicas que tienen lugar en el colector
IV) Modificador por aacutengulo de incidencia Considera todas las peacuterdidas oacutepticas y
geomeacutetricas que tienen lugar en el colector para un aacutengulo de incidencia ϕ ne 0ordmy que
no se tienen en cuenta en rendimiento oacuteptico (peacuterdidas geomeacutetricas de final de
colector bloqueo de la radiacioacuten concentrada por parte de los soportes del tubo
absorbente e influencia del aacutengulo de incidencia en la absortividad y transmisividad
del tubo absorbente y en la reflectividad de los espejos) (Paredes 2012)
19 Disentildeos hiacutebridos
En general las formas de concentracioacuten de la energiacutea solar se pueden dividir en
tecnologiacuteas lineales y de enfoque puntual Los canales paraboacutelicos y los colectores
lineales Fresnel pertenecen a las tecnologiacuteas de enfoque lineal mientras que las
tecnologiacuteas de enfoque de puntos principales son el receptor central (torre solar) y el
reflector paraboacutelico (disco) Desde el punto de la disponibilidad del mercado y el
estado actual de desarrollo para el presente estudio de caso se han elegido las
siguientes tres opciones de tecnologiacutea Lineal Fresnel (LF) Ciliacutendrico Paraboacutelico
19
(CCP) y Torre Central (STC) Para todas las opciones de CSP nombradas hay
diferentes configuraciones de tecnologiacuteas posibles cuyo rango se muestra en la tabla
1 (E Burin 2016)
Tabla 1 Rangos para las 3 tecnologiacuteas posibles
Unidad LF CCP STC
Fluido teacutermico
(HTF)
- Aceite teacutermico
Agua
Sal
Aceite teacutermico
Agua
sal
Agua
Sal
Aire
Concentracioacuten - 25-100 70-80 300-1000
Rango de
temperatura
oC 380-600(ST) 380-600(ST) 565(ST)
Performance MWel 10-200 10-200 10-150
Capacidad de
corriente instalada
1 88 11
Proporcioacuten de las
obras (2012)
6 75 18
(ST) Steam Turbine
Fuente(Reuszlig 2012 Pitz-Paal 2013 REN 2013)
Debido a la diferente etapa de desarrollo teacutecnico de las tres tecnologiacuteas de CSP y
sus HTF para el estudio de caso se examinaron las siguientes combinaciones CCP
(aceite teacutermico) LF (agua vapor) y STC (agua vapor)
En cuanto a los disentildeos de integracioacuten de las tres tecnologiacuteas de CSP elegidas
desde el punto de vista termodinaacutemico es esforzarse por alcanzar un nivel de
temperatura lo maacutes alto posible para el calor solar agregado Por esa razoacuten el calor
solar agregado se usoacute aquiacute para proporcionar calor para el precalentamiento del agua
de alimentacioacuten a alta presioacuten asiacute como para la produccioacuten paralela de vapor
saturado y vapor vivo en paralelo con los generadores de vapor de bagazo Los
diagramas de flujo de proceso de los tres disentildeos de integracioacuten se muestran en la
siguiente figura
20
Figura 9 Diagramas de flujo de proceso de los tres disentildeos de integracioacuten posibles
En el disentildeo 1 el calor solar reemplaza completamente la extraccioacuten a alta presioacuten
de la turbina CEST Para este propoacutesito el campo solar proporciona en el punto de
disentildeo un rendimiento teacutermico equivalente a la demanda de calor requerida para el
calentador de agua de alimentacioacuten de alta presioacuten Debido al modo de operacioacuten de
ahorro de combustible este reemplazo y la cantidad reducida de bagazo quemado
afecta el rendimiento de la turbina CEST asiacute como la liacutenea de calentamiento del agua
de alimentacioacuten Debido a que no se realiza la extraccioacuten de vapor de alta presioacuten en
el tiempo en que el campo este trabajando se seleccionoacute las tecnologiacuteas CCP y LF
Cabe sentildealar que no es posible una operacioacuten de solo solar
El disentildeo de integracioacuten 2 permite una produccioacuten paralela de vapor saturado con
calor solar para reducir el consumo de bagazo Por lo tanto parte del flujo de masa
de agua de alimentacioacuten principal que va a los generadores de vapor se desviacutea Este
flujo maacutesico secundario pasa en el caso de CCP a traveacutes de un generador de vapor
solar tiacutepico mientras que en el caso de la LF se alimenta directamente al campo
solar En ambos casos se produce vapor saturado a 67 bar que luego se une al flujo
de masa principal dentro de los generadores de vapor para el sobrecalentamiento
En consecuencia el disentildeo de integracioacuten 2 solo afecta el rendimiento de los
21
generadores de vapor mientras que las condiciones de vapor vivo permanecen
iguales Al mantener el estudio de caso cerca de la viabilidad teacutecnica deben
respetarse las condiciones teacutecnicas de contorno de los generadores de vapor Con
el fin de evitar fuertes desequilibrios en estos componentes se asumioacute que se permite
reducir la carga del generador de vapor a un nivel miacutenimo del 85 Del mismo modo
este disentildeo no permite una operacioacuten solo solar
En el disentildeo de integracioacuten 3 el calor solar desplaza al generador de vapor de
carga teacutermica Una parte del agua de alimentacioacuten se deriva de los generadores de
vapor A medida que pasa a traveacutes del sistema de torre solar se produce vapor
sobrecalentado a 520 deg C y 67 bar Esta integracioacuten afecta solo el rendimiento teacutermico
de los generadores de vapor mientras que el ciclo agua vapor se opera en modo
normal En comparacioacuten con el disentildeo de integracioacuten 2 la operacioacuten de los
generadores de vapor se simplifica Eso significa que los generadores de vapor
funcionan aquiacute con una carga parcial normal de 100 a 65 de carga Con respecto
a eso al permitir una carga miacutenima del generador de vapor del 65 en el punto de
disentildeo solar la torre solar fue disentildeada para proporcionar todo el calor restante
necesario Cabe sentildealar que para el disentildeo de integracioacuten 3 es posible una
operacioacuten solo solar cuando la instalacioacuten de cantildea de azuacutecar estaacute fuera de servicio
Tabla 2 Muacuteltiplo solar simulado seguacuten la tecnologiacutea de CSP
Disentildeo Tecnologiacutea Muacuteltiplo solar
simulado
Disentildeo 1 CCP
LF
09 - 14
08 - 14
Disentildeo 2 CCP
LF
09 - 13
08 - 14
Disentildeo 3 STC 08 - 40
Seleccioacuten del Disentildeo y la tecnologiacutea
Luego del anaacutelisis acerca del disentildeo y la tecnologiacutea a emplear en este proyecto se
decidioacute elegir la tecnologiacutea de colectores ciliacutendricos paraboacutelicos (CCP) y el disentildeo
nuacutemero 1 Los colectores de canal paraboacutelico son los maacutes empleados en el mundo
actualmente y lleva siendo instalada a nivel comercial desde los antildeos 80 con un
excepcional comportamiento Desde entonces ha experimentado importantes
mejoras a nivel de costes y rendimientos Hoy diacutea hay maacutes de 1 GWe en operacioacuten
maacutes de 800 MWe en construccioacuten y maacutes de 2 GWe en promocioacuten a nivel mundial
22
Para las condiciones de nuestro paiacutes esta tecnologiacutea pudiera ser la maacutes factible y
segura tambieacuten contamos en Cuba con industrias que poseen capacidad
maquinaria y herramientas para llegar a construir gran parte del equipo como las
bases y estructuras metaacutelicas teniendo que importarse solamente el tubo
absolvedor Reduciendo esto los costos en gran medida ejemplo de esto es la faacutebrica
de antena de Santa Clara que ya han construido maquetas de un equipo de esta
tecnologiacutea y se encuentran en condiciones de comenzar una produccioacuten a mayor
escala
110 Influencia de la industria azucarera en Cuba
La escasez de recursos energeacuteticos primarios junto con la afectacioacuten ambiental
resultante de la utilizacioacuten irracional de la energiacutea asociada a la actividad humana
obliga a la buacutesqueda de fuentes alternativas en especial fuentes renovables de
energiacutea La biomasa ha sido fuente de energiacutea desde tiempos inmemoriales fue de
hecho el primer combustible que empleoacute el hombre pero no obstante sus milenios
de utilizacioacuten la biomasa continuacutea ocupando un lugar importante en la matriz
energeacutetica a nivel mundial y continuaraacute sieacutendolo La biomasa es un combustible
renovable se encuentra ampliamente distribuida a nivel mundial y resulta en muchas
ocasiones un subproducto de ciertos procesos productivos (agriacutecolas e industriales)
En Cuba existen diferentes tipos de biomasa con posibilidades econoacutemicas de
empleo entre las maacutes importantes estaacuten el bagazo y los residuos agriacutecolas de la
cantildea de azuacutecar la lentildea y el raleo de los bosques el marabuacute la cascara de arroz y
los residuos del cafeacute En la proyeccioacuten estrateacutegica de la generacioacuten de electricidad en
Cuba para el 2030 se considera que las fuentes renovables de energiacutea alcanzaran
el 24 del total (en la actualidad representan el 43 ) y la biomasa representaraacute el
14 del total por lo que ella representaraacute el 58 de la electricidad obtenida con
fuentes renovables Este proceso de generacioacuten de electricidad con biomasa se
centraraacute casi totalmente en la industria azucarera lo que conlleva a un problema
fundamental que consiste en que la zafra se realiza en tan solo 5 meses
aproximadamente y se necesita que la generacioacuten sea durante todo el antildeo En la
actualidad existen tecnologiacuteas disponibles y posibilidades para su empleo que
permiten valorar diferentes alternativas para incrementar sustantivamente el
potencial de generacioacuten eleacutectrica de los centrales azucareros como son las
bioeleacutectricas las cuales se plantea la instalacioacuten de alrededor de 25 en toda Cuba lo
que requiere de un suministro adicional de combustible para el resto del antildeo en que
no hay zafra Para esto planteamos en este trabajo la hibridacioacuten con un campo termo
solar que permita el ahorro de combustible y su posterior uso en los meses en que
no hay zafra
En nuestro paiacutes se sigue una poliacutetica de desarrollo sostenible y se ha comenzado
una serie de proyectos en la industria azucarera buscando modificaciones que
permitan un aumento en la energiacutea generada por toneladas de cantildea molida Para
23
esto se valoran aspectos como la variacioacuten de los paraacutemetros de explotacioacuten (presioacuten
y temperatura) de las plantas generadoras y las que consumen vapor mejorar el
secado del bagazo que se quema en las calderas hibridar los generadores de vapor
con energiacutea solar y aumentar la entrega al SEN haciendo un uso eficiente de la
electricidad que se consume asiacute como evitar las paradas imprevistas
Las Bioeleacutectricas suscitan hoy creciente intereacutes en el mundo y en Cuba ante la
necesidad de produccioacuten de energiacutea compatible con el medio ambiente Actualmente
una decena de naciones son paradigmas en el uso de esas instalaciones Isla
Reunioacuten India Isla Mauricio Australia Isla Guadalupe Belice Guatemala Estados
Unidos Costa Rica China y particularmente Brasil que posee 160 de 188 existentes
en el orbe Globalmente estas unidades tienen un potencia instalada de maacutes 2800
megavatios y de esa cifra al menos dos mil corresponden a Brasil secundado en
cuanto a cantidad de Bioeleacutectricas por India (14) Isla Mauricio (3) Isla Reunioacuten (2)
mientras que los restantes paiacuteses mencionados poseen una individualmente
(Salomoacuten 2016)
111 Propuesta para la hibridacioacuten de la bioeleacutectrica con energiacutea renovable
En el paiacutes se lucha hoy por un acercamiento hacia las tecnologiacuteas de energiacutea
renovables Con el propoacutesito de convertir todos los sistemas de generacioacuten de
energiacutea eleacutectrica en sistemas maacutes compatibles con el medio ambiente La hibridacioacuten
de la caldera del central George Washington consiste en disentildear un campo de
Colectores Ciliacutendricos Paraboacutelicos prototipo (EUROTrough-150) Con el fin de elevar
la temperatura del agua proveniente del proceso hasta los 260 oC e inyectarla al
economizador de la caldera para ahorrar bagazo que pudiera ser utilizado en los
restantes meses del antildeo cuando no hay zafra para la produccioacuten de energiacutea eleacutectrica
y su entrega al sistema energeacutetico nacional En el siguiente esquema se muestra la
propuesta planteada para la hibridacioacuten
24
Figura 10 Esquema de la hibridacion con colectores solares
25
Seguacuten un documento sobre eficiencia energeacutetica emitido por el Instituto Cubano de
Investigaciones Azucareras (ICINAZ) a todos los centrales del paiacutes se hace relacioacuten
en cuanto a la temperatura del agua de alimentacioacuten de la caldera y cuanto incide
esto en la eficiencia de dicha caldera Quedando que por cada 5 ordmC que se
incrementa la temperatura del agua de alimentacioacuten se incrementa 1 la eficiencia
de la caldera Siendo esto una justificacioacuten razonable para la propuesta planteada
que eleva la temperatura del agua de alimentacioacuten de 166 ordmC a 260 ordmC Alterando
la temperatura unos 94 ordmC influyendo esto en el aumento de la eficiencia en 18
puntos porcentuales
Conclusiones parciales
En este capiacutetulo se realizoacute una amplia revisioacuten bibliograacutefica que abordoacute el estado
del arte y avances tecnoloacutegicos maacutes importantes para los temas relacionados con
esta investigacioacuten que fueron el de energiacutea solar teacutermica y todo lo relacionado con
las bioeleacutectricas a nivel mundial y en nuestro paiacutes Tambieacuten se realizoacute un anaacutelisis
exhaustivo para la determinacioacuten de la tecnologiacutea de sistemas de concentracioacuten
solar lo que resulto que el sistema de Colectores Ciliacutendricos Paraboacutelicos prototipo
EUROTrough-150 es el maacutes factible para su instalacioacuten en Cuba y posteriormente
pudiera ser fabricado por industrias nacionales El disentildeo de incorporacioacuten del
campo al esquema termodinaacutemico de la bioeleacutectrica resulto ser maacutes factible y de
menores transformaciones tecnoloacutegicas en la estructura del central el de
incorporarlo antes de la caldera y que este inyecte el agua calentada directamente
al economizador realizando el salto teacutermico del agua en un intercambiador de calor
existente en la interseccioacuten del campo con la tuberiacutea del agua proveniente de las
bombas
26
Capiacutetulo 2 Materiales y Meacutetodos En este capiacutetulo se describen los programas y foacutermulas utilizadas para el caacutelculo de los objetivos planteados
La presente investigacioacuten se realizoacute desde enero hasta mayo del 2018 Para la realizacioacuten de los caacutelculos se utilizaron los softwares Engineering Equation Solver (EES) (2004) Matlab (2010) y Excel (2016)
Tabla 3 Condiciones de frontera para la bioeleacutectrica
21 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB uml George Washington uml
En este apartado se realizaraacute la evaluacioacuten del recurso solar disponible en el emplazamiento analizado El estudio del potencial solar en el emplazamiento consiste en el anaacutelisis de los datos de radiacioacuten disponibles el tratamiento de los mismos la estimacioacuten de las variabilidades asociadas y el caacutelculo de la produccioacuten una vez consideradas todas las peacuterdidas A la hora de evaluar el recurso solar y a falta de una medida precisa y especiacutefica en el propio emplazamiento se ha recurrido a diversas fuentes para la obtencioacuten de datos de radiacioacuten con el fin de realizar un ajuste estadiacutestico de los mismos y minimizar los errores asociados a ellos
Para el caacutelculo del potencial solar en la zona del central umlGeorge Washingtonuml fue necesario calcular la radiacioacuten solar directa (DNI) que incide en ese lugar y la duracioacuten diurna del diacutea
211 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa
Para el caacutelculo de la radiacioacuten solar directa en la zona de la UEB uml George Washington uml se tomaron como coordenadas de referencia la latitud y la longitud Lat 22587 Long -80244
Para ello se utilizaron modelos estadiacutesticos que permitieron obtener varios valores de radiacioacuten solar directa (DNI) teniendo en cuenta la posicioacuten geograacutefica del lugar y el diacutea del antildeo que se analiza dicha radiacioacuten En este caso se usoacute la foacutermula para condiciones normales
DNI = 1230 ∙ e^ (minus1
38∙cos∙(120579120579120579minus16)) (1)
27
Doacutende
Aacutengulo de incidencia solar θs El valor del aacutengulo de incidencia (θs) sobre la normal a una superficie plana estaacute dado por la siguiente foacutermulaθs
120579119904 = cosminus1(sin 119889 ∙ sin 119871 ∙ cos 119904 minus sin 119889 ∙ cos 119871 ∙ sin 119904 ∙ cos 119892 + cos 119889 cos 119871 ∙ cos 119904 ∙ cos 119908 +cos 119889 ∙ sin 119871 ∙ sin 119904 ∙ cos 119908 ∙ cos 119892 + cos 119892 ∙ sin 119904 ∙ sin 119892 ∙ sin 119908) (2)
Doacutende
d- Aacutengulo de declinacioacuten L- Latitud geograacutefica s- Inclinacioacuten del colector g- Orientacioacuten del colector w- Aacutengulo horario
212 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea (nuacutemero de horas en que el sol estaacute
sobre el horizonte)
119915 = 120784 ∙119934119930
120783120787 (3)
Doacutende
119830119826 = 119836119848119852minus120783(minus 119853119834119847 119923 ∙ 119853119834119847 119941) (4)
L-Latitud geograacutefica
d-Declinacioacuten
Se compararon los resultados de DNI por la metodologiacutea utilizada en este trabajo con la base de datos de la NASA (httpeosweblarcnasagovsse 2017)
Aun asiacute los lugares para desarrollar aplicaciones de energiacutea solar teacutermica por concentracioacuten deben cumplir con unos estaacutendares de acuerdo a la radiacioacuten solar perpendicular a la superficie incidente sobre un metro cuadrado para que sea eficiente dicha instalacioacuten lo cual se valora de la siguiente manera
Se tuvieron en cuenta los valores de radiacioacuten solar directa (kWm2diacutea) (GESIME 2014)
No idoacuteneos Hasta 1700 kWhmsup2antildeo (47 kWhmsup2diacutea)
Idoacuteneos Entre 1700 y 2700 kWhmsup2antildeo (47 y 74 kWhmsup2diacutea)
Oacuteptimos Maacutes de 2700 kWhmsup2antildeo (74 kWhmsup2diacutea)
28
213 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
El colector ciliacutendrico paraboacutelico que se propuso fue el (Eurotrough-150) cuyas caracteriacutesticas se observaran en la tabla4 y figura 11
Tabla 4 Caracteriacutesticas del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico Eurotrough-150 (ET-150)
Figura 11 Prototipo EUROTrough en la Plataforma Solar de Almeriacutea Espantildea
Para el caacutelculo del rendimiento global de un Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico hay que realizar un balance energeacutetico teniendo en cuenta las peacuterdidas que suceden en el mismo
Caracteriacutesticas um
Ancho de apertura 577 m
Longitud total de cada colector 150 m
Aacuterea de apertura del colector 8175 m2
Longitud focal 171 m
Longitud del absorbedor 41 m
Radio exterior del absorbedor 0035 m
Radio interior del absorbedor 00325 m
Distancia entre filas de colectores 17 m
Rendimiento Oacuteptico pico 78
Factor de ensuciamiento 95
Disponibilidad 97
29
214 Peacuterdidas geomeacutetricas
La geometriacutea del canal paraboacutelico lleva asociada una disminucioacuten del aacuterea efectiva de captacioacuten Estas peacuterdidas se dividen en dos grupos Peacuterdidas debidas a la posicioacuten relativa de los colectores los cuales se pueden dar sombra unos a otros Peacuterdidas inherentes a cada colector son las debidas al aacutengulo de incidencia de
la radiacioacuten solar (g) respecto a la normal del plano de apertura del colector (figura
12)
Figura 12 Aacutengulo de incidencia en un Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
Como consecuencia de este aacutengulo existe una peacuterdida de superficie reflexiva uacutetil en los extremos del colector Por tanto el aacutengulo de incidencia tiene gran importancia sobre el comportamiento teacutermico del colector puesto que limita la cantidad de radiacioacuten solar que se puede aprovechar Se hizo una comparacioacuten del aacutengulo de incidencia en cuanto a la orientacioacuten y el seguimiento solar del colector ciliacutendrico paraboacutelico
Si la orientacioacuten (g) es de Norte-Sur con seguimiento solar Este-Oeste g = 0ordm
Si la orientacioacuten (g) es de Este-Oeste con seguimiento solar Norte-Sur g = 90ordm
Declinacioacuten seguacuten foacutermula de Cooper (Ribot J 2001)
119889 = 2345 ∙ 119904119890119899 [360 ∙(284+119899)
365] (5)
Siendo ldquonrdquo el nuacutemero de diacutea natural para el 1 de enero n=1 y para el 31 de diciembre
n=365
El aacutengulo horario se calcula seguacuten la foacutermula
30
120591 = 15deg ∙ (ℎ119904 minus 12) (6)
Siendo ldquohsrdquo las horas de reloj El valor es negativo por la mantildeana y positivo tras el mediodiacutea y cero al mediodiacutea solar
Se consideroacute el aacutengulo horario 0ordm por ser el mediodiacutea solar donde maacutes radiacioacuten incide sobre la tierra con el objetivo de simplificar los caacutelculos
Se consideroacute el aacutengulo de inclinacioacuten igual a 0ordm (disposicioacuten horizontal) por ser maacutes eficiente
La latitud del lugar en estudio (UEB uml George Washington uml) Santo Domingo es de 22587ordm
Las peacuterdidas asociadas al aacutengulo de incidencia son miacutenimas cuando el aacutengulo es
0ordm cos 120579119904 = 1 y maacuteximas cuando es 90ordm Por tanto cuanto menor sea el aacutengulo de incidencia mayor es la energiacutea solar incidente sobre el colector y mayor es el rendimiento del mismo
215 Peacuterdidas oacutepticas
Caacutelculo del rendimiento oacuteptico pico del colector 120578119900119901119905119874119900 que es aquel que tiene en
cuenta todas las peacuterdidas oacutepticas que tienen lugar en el captador con un aacutengulo de incidencia de 0ordm 120578119900119901119905119874119900 = 120588 ∙ 120574 ∙ 120591 ∙ 120572 (7)
Donde
120588 Reflectancia no toda la energiacutea incidente es reflejada hacia el tubo absorbedor
120574 Factor de interceptacioacuten no toda la radiacioacuten reflejada por los espejos acaba incidiendo sobre el tubo absorbedor Las causas son diversas imperfecciones en los espejos un mal posicionamiento de los colectores etc
120591 Transmitancia de aquella radiacioacuten que intercepta el tubo de vidrio solo una parte consigue atravesarlo
α Absortancia cantidad de radiacioacuten que absorbe la superficie selectiva del tubo metaacutelico
Ademaacutes de las peacuterdidas debidas al aacutengulo de incidencia existen otras peacuterdidas que se asocian a dicho aacutengulo El efecto del aacutengulo de incidencia en el rendimiento del CCP se cuantifica mediante el modificador por aacutengulo de incidencia 119870(120579119904) Eacuteste considera todas las peacuterdidas oacutepticas y geomeacutetricas que tienen lugar en el captador
para un aacutengulo de incidencia 120579119904 ne 0ordm y que no se tienen en cuenta en el rendimiento oacuteptico pico
31
El modificador por el aacutengulo de incidencia depende directamente del aacutengulo de
incidencia siendo 119870(120579119904) = 1 para 120579119904 = 0deg y siendo 119870(120579119904) =0 para 120579119904 = 90deg y se
obtiene como funcioacuten de eacuteste seguacuten la expresioacuten
119870(120579119904) = 1 minus 223073 ∙ 10minus4 ∙ (120579119904) minus 11 ∙ 10minus4 ∙ (1205791199042) + 318596 ∙ 10minus6 ∙ (120579119904
3) minus 485509 ∙
10minus9 ∙ (1205791199044) (8)
216 Peacuterdidas teacutermicas
Las peacuterdidas teacutermicas que tiene lugar en un CCP dan como consecuencia que la energiacutea teacutermica uacutetil sea menor que la energiacutea solar absorbida por el colector Teniendo en cuenta esto la potencia teacutermica uacutetil por colector seraacute igual la diferencia entre los calores absorbido y perdido
119906119905119894119897 = 119886119887119904 minus 119901119890119903119889 (9)
Doacutende
119906119905119894119897 ∶ 119875119900119905119890119899119888119894119886 119905eacute119903119898119894119888119886 uacute119905119894119897 119901119900119903 119888119900119897119890119888119905119900119903 (119882)
119886119887119904 119862119886119897119900119903 119886119887119904119900119903119887119894119889119900 119901119900119903 119890119897 119891119897119906119894119889119900 119889119890 119905119903119886119899119904119891119890119903119890119899119888119894119886 119889119890 119888119886119897119900119903 (119867119879119865) (119882)
119901119890119903119889 119875eacute119903119889119894119889119886119904 119905eacute119903119898119894119888119886119904 119889119890119897 119867119879119865 119886119897 119886119898119887119894119890119899119905119890 (119882)
Peacuterdidas teacutermicas en el aceite teacutermico (HTF) Las peacuterdidas teacutermicas se producen a lo largo del circuito por donde se mueve el fluido teacutermico principalmente en dos lugares en el tubo absorbedor y en las tuberiacuteas del campo de colectores De manera que la potencia teacutermica disipada en el colector equivale a la suma de las peacuterdidas teacutermicas en el receptor y las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas por donde circula el fluido teacutermico (HTF)
119876119901119890119903119889 = 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 + 119875119890119903119889119905119906119887119890119903 (10)
Las peacuterdidas teacutermicas asociadas al tubo absorbedor 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 se deben a la diferencia de temperaturas entre eacuteste y el ambiente pudiendo ser por conduccioacuten por radiacioacuten y por conveccioacuten desde el tubo absobedor al ambiente Aunque cada una de estas peacuterdidas podriacutea calcularse aplicando las ecuaciones que rigen los mecanismos de transferencia de calor antes mencionados en la praacutectica las peacuterdidas teacutermicas globales en un colector se cuantifican mediante ecuaciones experimentales Asiacute las peacuterdidas teacutermicas en el tubo absorbedor por metro longitudinal de colector vienen dadas por la ecuacioacuten
119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 =1198751198901199031198891+1198751198901199031198892+1198751198901199031198893+1198751198901199031198894
119879119904minus119879119890 (11)
32
Doacutende
1198751198901199031198891 = (1198600 + 1198605 ∙ radic119907) ∙ (119879119904 minus 119879119890) (12)
1198751198901199031198892 = (1198601 + 1198606 ∙ radic119907) ∙ (119879119904
2minus1198791198902
2minus 119879119886119898119887 ∙ (119879119904 minus 119879119890)) (13)
1198751198901199031198893 = (1198602+1198604∙119863119873119868∙119870(120579119904)∙cos(120579119904)
3∙ (119879119904
3 minus 1198791198903)) (14)
1198751198901199031198894 =1198603
4∙ (119879119904
4 minus 1198791198904) (15)
Siendo
119879119904 Temperatura del HTF a la salida del campo solar
119879119890 Temperaturas del HTF a la entrada del campo solar
119879119886119898119887 Temperatura ambiente
119907 Velocidad del viento (ms)
Los coeficientes empleados en las foacutermulas se recogen en la tabla 5
Tabla 5 Coeficientes de peacuterdidas teacutermicas
A0 405
A1 0247
A2 -000146
A3 565E-06
A4 762E-08
A5 -17
A6 00125
En general las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas (119875119890119903119889119905119906119887119890119903 ) del campo de colectores son pequentildeas del orden de 8 Wm2 Finalmente la potencia teacutermica disipada por el aceite teacutermico a su paso por un colector es
33
119901119890119903119889 = 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 ∙ 119871119888119900119897119890119888119905119900119903 + 119875119890119903119889119905119906119887119890119903 ∙ 119878119888 (16)
Doacutende
119878119888 Aacuterea de apertura del colector (Ver tabla 1)
Un colector como todos los sistemas de concentracioacuten de la energiacutea solar solo puede aprovechar la radiacioacuten solar que incide normal a su plano de apertura De esta forma la energiacutea solar por unidad de tiempo y en el punto de disentildeo que incide sobre la superficie de apertura de un CCP viene dada por la ecuacioacuten
119904119900119897 = 119863119873119868 ∙ cos(120579119904) ∙ 119878119888 (17)
La potencia absorbida por el colector 119886119887119904 va a ser menor que la 119904119900119897 ya que eacutesta uacuteltima no tiene en cuenta las peacuterdidas oacutepticas y geomeacutetricas en el colector ni la limpieza de los espejos ni la disponibilidad del campo solar La radiacioacuten solar absorbida en un colector CCP viene dada por la ecuacioacuten
119886119887119904 = 119863119873119868 ∙ cos(120579119904) ∙ 119878119888 ∙ 119870 ∙ (120579119904) ∙ Ƞ1199001199011199050ordm ∙ 119865119888 ∙ 119865119889119894119904119901 (18)
Siendo
119865119888 Factor de ensuciamiento de los espejos (95 )Tiene en cuenta que aunque los espejos se limpien no recuperan su estado inicial 119865119889119894119904119901 Factor de disponibilidad (97 ) Fraccioacuten del campo solar que estaacute en
operacioacuten y captando la energiacutea solar El rendimiento global de un CCP viene dado por el cociente entre el aumento de entalpia en el HTF a su paso por el colector y la energiacutea solar incidente sobre el captador
Ƞ119888119900119897119890119888 =119876119906119905119894119897
119876119904119900119897 (19)
22 Dimensionamiento del campo solar de la zona de la UEB uml George
Washington uml
El dimensionamiento del campo solar consiste en determinar el nuacutemero de CCPs (o nuacutemero de lazos) necesarios para aportar la energiacutea que demanda este en el punto de disentildeo (Hidalgo 2012)
Para dimensionar el campo solar es necesario evaluar las condiciones del terreno
donde se va a realizar el montaje de los colectores y hacer un balance energeacutetico
del generador de vapor solar
34
221 Caracterizacioacuten del terrero
Se tuvo en cuenta el relieve y el tamantildeo del terreno cercano al central lo que resulto favorable para abaratar la inversioacuten en cuanto a movimientos de tierra y compra de terrenos Los recursos hiacutedricos ya tienen una infraestructura creada puesto que son necesarios para el proceso que realiza la faacutebrica actualmente Esto se basa en posos que bombean el agua hasta los filtros donde se realiza el tratamiento externo al agua y van luego al proceso todo este sistema ya se encuentra instalado y en buenas condiciones lo que resulta de gran ayuda para el proyecto futuro de Bioeleacutectrica
222 Balance energeacutetico en el generador de vapor solar (GVS)
Para calcular el nuacutemero de lazos necesarios en el campo solar es preciso conocer primero la potencia teacutermica que puede aportar el campo solar en el punto de disentildeo esto se determina mediante la foacutermula
119888119886119898119901119900 =119882119890119897119890119888119905
120578119905119906119903119887 (20)
Doacutende
119888119886119898119901119900 Potencia teacutermica del campo solar
119882119890119897119890119888119905 Potencia eleacutectrica de la turbina
120578119905119906119903119887 Eficiencia termo-mecaacutenica de la turbina (Se asumioacute de 68)
Seguidamente hay que establecer el balance de masas y energiacutea en el Generador de vapor solar (GVS) El GVS se disentildea para recuperar la energiacutea del fluido teacutermico procedente del campo solar Para el intercambiador de calor (GVS) se cumple que la cantidad de calor transferido por unidad de tiempo permanece constante o lo que es lo mismo la energiacutea total es la misma antes y despueacutes de cada transformacioacuten El balance energeacutetico en un intercambiador de calor se resuelve mediante la ecuacioacuten
119886119892119906119886 ∙ ∆119867119886119892119906119886 = 119886119888119890119894119905119890 ∙ ∆119867119886119888119890119894119905119890 (21)
Ademaacutes para cada fluido de forma individual se cumple que
= 119886119888119890119894119905119890 ∙ 119862119901119886119888119890119894119905119890∙ ∆119879 = 119898119886119888119890119894119905119890 ∙ (ℎ119904 minus ℎ119890) (22)
Doacutende
∆H Diferencia de entalpiacuteas a la entrada y a la salida del intercambiador (kJkg)
Q Potencia teacutermica intercambiada (kW)
35
m Caudal maacutesico (kgs) Cp Calor especiacutefico (kJkg ordmC)
∆T Diferencia de temperaturas a la entrada y la salida del intercambiador (ordmC) hs he Entalpiacuteas a la entrada y a la salida respectivamente (kJKg) Y seguacuten el teorema de conservacioacuten de la masa se tiene que
119890119899119905119903119886 = 119904119886119897119890
223 Caacutelculo del nuacutemero de lazos
Los caacutelculos que se han desarrollado en los acaacutepites anteriores constituyen los datos de partida para el caacutelculo del nuacutemero de colectores requeridos en el campo solar para poder alcanzar la potencia teacutermica demandada al campo solar
Caracteriacutesticas del aceite teacutermico (HTF)
El aceite teacutermico que se ha empleado como fluido calo-portador es Therminol VP-1 cuyo rango de temperatura de trabajo se encuentra entre 12-400ordmC La temperatura a la salida del campo solar no debe excederse de los 400ordmC ya que para temperaturas superiores el aceite se degrada y pierde sus propiedades teacutermicas A continuacioacuten se presentan las graacuteficas correspondientes a variacioacuten de densidad y entalpiacutea del aceite teacutermico Therminol VP-1 con la temperatura figuras 13 y 14 respectivamente y que han sido elaboradas a partir de datos del fabricante
Figura 13 Therminol VP-1 Entalpiacutea vs Temperatura
36
Figura 14 Therminol VP-1 Densidad vs Temperatura(Hidalgo 2012)
Para determinar el nuacutemero de lazos necesarios en el campo solar se ha seguido la siguiente metodologiacutea de caacutelculo
Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF
Incremento de temperatura del HTF en un colector
Nuacutemero de colectores necesarios por lazo Nuacutemero de lazos en el campo solar
224 Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF por cada lazo
El caudal de aceite estaacute controlado por la temperatura de salida del campo Cuando la radiacioacuten solar es baja el flujo se reduce con el objetivo de mantener la temperatura de salida del campo y por el contrario cuando la radiacioacuten solar es superior a la del punto de disentildeo los colectores se desenfocan para evitar que el aceite exceda los 393ordmC La velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor se calcula a partir de la expresioacuten del nuacutemero de Reynolds
119877119890 =119907∙119863∙120588
120583 (23)
Doacutende
119907 Velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor (ms) (Se asumioacute una
velocidad de 3 ms la cual es una velocidad econoacutemica)
119877119890 Nuacutemero de Reynolds (-)
120583 Viscosidad dinaacutemica del HTF a la temperatura media de trabajo (Pas)
119863 Diaacutemetro interior del tubo absorbedor (m)
120588 Densidad del HTF a la temperatura media de trabajo (kgm3)
37
Para cumplir con los requisitos de flujo turbulento el caudal miacutenimo de aceite que circula por un lazo en el punto de disentildeo es
= 119907 ∙ 119878 ∙ 120588 (24)
Siendo S en m2 la seccioacuten transversal interior del tubo absorbedor
225 Incremento de temperatura del HTF en un colector
La potencia teacutermica uacutetil del colector se invierte en aumentar la temperatura del aceite De esta forma el incremento de temperatura que sufre el aceite teacutermico a su paso por un colector es decir desde que entra en el colector y hasta que sale del mismo es
∆119879119888119900119897119890119888 = 119879119904 minus 119879119888 =uacute119905119894119897
∙119862119901 (25)
∆119879119888119900119897119890119888 Incremento de temperatura del aceite teacutermico en el colector (ordmC)
119879119888 119879119904 Temperatura del HTF a la entrada y a la salida del colector respectivamente
(ordmC)
119906119905119894119897 Potencia teacutermica uacutetil por colector (W)
Caudal maacutesico de aceite teacutermico por colector (kgs)
119862119901 Calor especiacutefico del aceite teacutermico a la temperatura media de trabajo (kJkg ordmC)
226 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
El incremento total de temperatura del HTF por lazo ΔT lazo es igual a la diferencia entre las temperaturas a la salida y a la entrada del campo solar Por tanto el nuacutemero teoacuterico de colectores en serie por lazo seraacute igual a
119873119888119900119897119890119888 =∆119879119897119886119911119900
∆119879119888119900119897119890119888 (26)
119873119888119900119897119890119888 Nuacutemero teoacuterico de colectores por lazo
∆119879119897119886119911119900 Incremento de temperatura por lazo (ordmC)
Esto implica el salto teacutermico y caudal maacutesico por lazo que es necesario tener el aceite para asiacute poder alcanzar la temperatura de entrada del agua en el economizador
227 Nuacutemero de lazos en el campo solar
A diferencia del nuacutemero de colectores que viene fijado por el salto de temperatura del aceite teacutermico en el campo el nuacutemero de lazos paralelos que conforman el campo solar depende de la potencia teacutermica demanda por el campo El nuacutemero de lazos es igual al cociente entre la potencia teacutermica del campo solar y la potencia teacutermica uacutetil por colector
38
119925119949119938119963119952 =119940119938119950119953119952
uacute119957119946119949 119935119949119938119963119952 (27)
Doacutende
119925119949119938119963119952 Nuacutemero de lazos
119940119938119950119953119952 Potencia teacutermica del campo solar (kW)
uacute119957119946119949 Potencia teacutermica uacutetil por lazo (kW)
23 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un
antildeo)
Para el caacutelculo de las toneladas de CO2 dejadas de emitir se utilizaraacute el iacutendice de
generacioacuten de una planta convencional de combustible foacutesil que para Cuba es de
270 gkWh Con este iacutendice y el aumento de la produccioacuten de energiacutea eleacutectrica con
la incorporacioacuten del campo solar se calcularaacute el ahorro de combustible foacutesil y a este
valor de combustible sustituido y el uso de los factores de emisioacuten de CO2 mostrados
en la siguiente (tabla 6) se podraacute determinar cuaacutentas toneladas de CO2 es capaz de
evitar la instalacioacuten del campo solar
Tabla 6 Factores de emisioacuten de especies especificadas
Tecnologiacutea CO (gkgf) SO2 (gkgf) NO2eq (gkgf) PM10
(gkgf)
CO2
(kgkgf)
CIE-HFO 24 27 128 528 306
CIE-DO 12 4 84 195 313
Fuente (EPA 2004)
24 Factibilidad econoacutemica del proyecto
Para el caacutelculo de la rentabilidad econoacutemica se optimizoacute la dimensioacuten del campo solar que fuera maacutes rentable para este trabajo donde se tuvo en cuenta el nuacutemero de lazos necesarios del campo y la tasa interna de retorno
241 Valor actual neto (VAN)
El VAN permite calcular el valor presente de un determinado nuacutemero de flujos de caja futuros originados por una inversioacuten teniendo en cuenta la peacuterdida de valor del dinero en el tiempo a traveacutes de una tasa de descuento (Martiacutenez 2017) y se calcula mediante la siguiente ecuacioacuten
39
(28)
Donde
119868119900 Costo inicial de la inversioacuten FC Flujo de caja n El tiempo para el cual se requiere calcular el VAN i La tasa de descuento Meacutetodo de caacutelculo mediante el Excel Para calcular el VAN es necesario conocer el flujo de caja teniendo en cuenta los ingresos y los gastos Ingresos El ingreso es debido a la venta de energiacutea eleacutectrica a la red para ello se utilizoacute un precio de 021 (USDkWh) Ingresos por ventas
119868119899119892119903119890119904119900=119875119903119890119888119894119900 (119880119878119863119896119882ℎ)lowast119864119899119890119903119892iacute119886 (29) Gastos Costo fijo de operacioacuten y mantenimiento Se calcula primero la inversioacuten total mediante la ecuacioacuten siguiente
119894119899119907119890119903119904119894oacute119899 119905119900119905119886119897=119862119900119904119905119900 119906119899119894119905119886119903119894119900 119889119890 119894119899119907119890119903119904119894oacuten (119880119878119863119896119882119890)lowast119875119900119905119890119899119888119894119886 (kWe) (30) Entonces se calcula el costo fijo de operacioacuten y mantenimiento
119862119891=119894119899119907119890119903119904119894oacute119899 119905119900119905119886119897lowast02 (31) Donde
119862119891 Costo fijo de operacioacuten y mantenimiento
Costo variable de operacioacuten y mantenimiento
119862119907=119864119899119903119892iacute119886 (119896119882ℎ)lowast002(119880119878119863119896119882ℎ) (32)
Donde
119862119907 Es el costo variable de operacioacuten y mantenimiento A continuacioacuten se calcula la utilidad antes de impuesto que es la diferencia entre los ingresos y los costos de operacioacuten fijo y variable 119880119879119860=119894119899119892119903119890119904119900minus(119862119891+119862119907) (33)
Donde
119880119879119860 Es la utilidad antes de impuesto o neta Entonces el impuesto en Cuba es del 35 de la utilidad neta
40
119868119898119901119906119890119904119905119900=035lowast(119880119878119863) (34)
El flujo de caja quedariacutea como
119865119888=119880119879119860 (119880119878119863)minus119868119898119901119906119890119904119905119900 (119880119878119863) (35)
Teniendo el flujo de caja se puede calcular el VAN aplicando la tasa de descuento
del 10
Si VAN gt 0 El proyecto es rentable
Si VAN = 0 El proyecto es postergado
Si VAN lt 0 El proyecto no es rentable
242 Tasa interna de retorno (TIR)
Se define como la tasa de descuento que iguala el VAN a cero
Si TIR gt tasa de descuento (r) El proyecto es aceptable
Si TIR = tasa de descuento (r) El proyecto es postergado
Si TIR lt tasa de descuento (r) El proyecto no es aceptable La TIR es aquella tasa de descuento que iguala el valor actual de la corriente de cobros con el valor actual de la corriente de pagos por lo que es la tasa de descuento que hace al VAN igual a cero y puede utilizarse como indicador de la rentabilidad de un proyecto se utiliza como uno de los criterios para decidir sobre la aceptacioacuten o rechazo de un proyecto de inversioacuten (Martiacutenez 2017) y se puede expresar de la siguiente forma
(36) Para simplificacioacuten de los caacutelculos se utilizoacute el software Microsoft Excel que de forma iterativa busca este valor se utilizoacute la estimacioacuten de los flujos de caja para 25 antildeos al igual que para el caacutelculo del VAN
243 Periacuteodo de recuperacioacuten de la inversioacuten
El periacuteodo de recuperacioacuten se cumple cuando la suma de los flujos de caja consecutivos desde el primer antildeo da como resultado el valor de la inversioacuten pero teniendo en cuenta el efecto del tiempo sobre el dinero Calculado de esta manera se conoce como periacuteodo de recuperacioacuten de la inversioacuten descontado Para obtenerlo se hallaron todos los flujos de caja para 25 antildeos consecutivos que es el tiempo de estudio del proyecto entonces se le restoacute el descuento correspondiente a cada antildeo y se graficoacute el resultado quedando como una curva
41
Conclusiones parciales
En este capiacutetulo se realizoacute un estudio de la metodologiacutea de caacutelculo para la
realizacioacuten del dimensionamiento del campo solar para la tecnologiacutea de colectores
cilindro paraboacutelico para esto se escogioacute la metodologiacutea planteada por (Hidalgo
2012) Siendo fundamental el estudio de la radiacioacuten solar de la zona en que estaacute
situada la instalacioacuten Tambieacuten se tuvo en cuenta el acceso a los recursos hiacutedricos
y la cercaniacutea a la red eleacutectrica nacional lo cual no tuvo ninguna dificultad puesto
que donde se pretende ubicar el campo ya existe una instalacioacuten con todas estas
necesidades cubiertas que es el central al cual se pretende convertir en
bioeleacutectrica Luego de estos anaacutelisis y una vez dimensionado el campo solar se
realizoacute el caacutelculo de la rentabilidad econoacutemica seguacuten lo planteado por (Martiacutenez
2017) planteaacutendose como principales indicadores econoacutemicos el costo nivelado de
la energiacutea generada costo de inversioacuten VAN y TIR El impacto ambiental se tuvo
en cuenta mediante el caacutelculo de las emisiones de CO2 dejadas de emitir si la
energiacutea generada con el excedente de bagazo ahorrado por la insercioacuten del campo
hubiera sido generada por una planta teacutermica convencional
42
Capiacutetulo 3 Resultados y Discusioacuten
En este capiacutetulo se exponen los resultados de los caacutelculos efectuados y a la vez se
interpreta el porqueacute de estos asiacute como la discusioacuten de las bibliografiacuteas consultadas
31 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB umlGeorge Washington uml
311 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa
Para el caacutelculo de la radiacioacuten solar directa (DNI) primeramente se halloacute el aacutengulo
de declinacioacuten de cada mes Dicho aacutengulo se anuloacute para el 22 de Marzo y el 23 de
Septiembre puesto que ocurren los equinoccios momento del antildeo en que el sol estaacute
situado en el plano del ecuador terrestre y alcanzoacute el valor maacuteximo positivo el 22 de
Junio y el valor maacuteximo negativo el 22 de diciembre diacuteas en que ocurren los
solsticios que son los momentos del antildeo en los que el sol alcanza su mayor o menor
altura aparente en el cielo y la duracioacuten del diacutea o de la noche son las maacuteximas del
antildeo respectivamente (figura 15)
Figura 15 Aacutengulo de declinacioacuten para los diferentes meses del antildeo
Los valores de DNI que inciden en la zona de la UEB umlGeorge Washingtonuml se
mantuvieron como promedio por encima de 10 kWhm2diacutea seguacuten la metodologiacutea
de caacutelculo empleada siendo oacuteptimos para la instalacioacuten de este tipo de tecnologiacutea
Esto pudiera ser debido a que por la metodologiacutea de caacutelculo solo se tuvo en cuenta
la latitud geograacutefica y el diacutea del antildeo en que se analizoacute dicha radiacioacuten por esta
razoacuten se observoacute que sus valores fueron mayores que los valores de radiacioacuten solar
-30
-20
-10
0
10
20
30
Gra
dos s
exagesim
ale
s
Aacutengulo de declinacioacuten
43
directa que aporta la base de datos de la NASA (httpeosweblarcnasagovsse
2017) como promedio 506 kWhm2diacutea y los aportados por el Instituto de
Meteorologiacutea cubano para esta zona (como promedio 582 kWhm2diacutea) idoacuteneo para
este tipo de tecnologiacutea de los datos de radiacioacuten analizados se utilizoacute para los
caacutelculos siguientes de dimensionamiento del campo los aportados por el instituto de
meteorologiacutea cubano por ser los maacutes especiacuteficos y detallados de todas las fuentes
consultadas Algunos meses como noviembre y diciembre no alcanzan el valor
idoacuteneo de 47 kWhm2-diacutea sin embargo (La Rosa 2014) planteoacute que Cuba se
localiza en una zona geograacutefica de alta radiacioacuten solar y que se caracteriza por la
gran cantidad de diacuteas soleados en el antildeo
Figura 16 Comparacioacuten entre el DNI calculado por la metodologiacutea el aportado por la NASA
y el obtenido por el Instituto de Meteorologiacutea cubano
En cada metro cuadrado del territorio cubano se recibe diariamente una cantidad de
energiacutea solar equivalente a medio kilogramo de petroacuteleo combustible valor
promedio praacutecticamente invariable durante todo el antildeo Otra de las caracteriacutesticas
de la radiacioacuten solar en Cuba es que su valor es casi igual en todo el paiacutes ya que
la diferencia en latitud desde el lugar maacutes bajo hasta el maacutes alto es de soacutelo 3 grados
Por lo tanto la radiacioacuten solar en Cuba es utilizable en todo el territorio y durante
todo el antildeo con un valor medio de maacutes de 5 kWhm2diacutea tanto en su forma de
bioenergiacutea o biomasa energiacutea hidraacuteulica energiacutea eoacutelica o directamente convertida
en calor o electricidad (Beacuterriz 2000)
0
2
4
6
8
10
12
14
DN
I (k
Whm
2-d
iacutea)
meses
Radiacioacuten solar
Calculado NASA Meteorologiacutea cubana
44
312 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea
Luego de haber calculado la semiduracioacuten diurna en grados sexagesimales (WS)
para cada diacutea del antildeo en la zona de la UEB umlGeorge Washingtonuml se calcularon las
horas de luz solar durante el diacutea lo cual se muestra promediado en la tabla 7 donde
se ve que esta es mayor que 10 horas asiacute como tambieacuten se observa que son maacutes
largos los diacuteas en los meses de verano (Abril-Agosto)
Tabla 7 promedio de horas de sol al diacutea por meses del antildeo
32 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
Se realizoacute el balance energeacutetico del CCP teniendo en cuenta las peacuterdidas que
sucedieron en el mismo debido a su fabricacioacuten y a su posicioacuten
321 Peacuterdidas geomeacutetricas
Peacuterdidas debidas a la posicioacuten relativa de los colectores
En este trabajo no se tuvo en cuenta las peacuterdidas por sombras ya que se asumioacute
que la construccioacuten de estos colectores iba a estar lo suficientemente separados
para que no se pudieran dar sombra unos a otros
Peacuterdidas inherentes a cada colector
Se comparoacute el aacutengulo de incidencia en cuanto a la orientacioacuten y el seguimiento solar
del colector ciliacutendrico paraboacutelico Se seleccionoacute la orientacioacuten N-S con seguimiento
solar E-O por lo que se seleccionoacute para el caacutelculo del resto de las variables (g = 0)
Para la inclinacioacuten del colector se tomoacute con eje horizontal (s = 0) Se consideroacute el
aacutengulo horario 0ordm por ser el mediodiacutea solar donde maacutes radiacioacuten incide sobre la
tierra con el objetivo de simplificar los caacutelculos
Con los datos calculados anteriormente se halloacute el aacutengulo de incidencia (figura 17)
En este caso se observa que a diferencia de la radiacioacuten solar directa el aacutengulo de
incidencia es menor para los meses de verano reafirmando que a menor aacutengulo de
incidencia mayor la radiacioacuten que va a captar el colector
enero febrero marzo abril mayo junio julio agosto septiembre octubre noviembre diciembre
108 112 119 125 131 134 132 127 121 114 109 106
45
Figura 17 Aacutengulo de incidencia por meses para una orientacioacuten N-S con seguimiento solar
E-O
322 Peacuterdidas oacutepticas
Las caracteriacutesticas oacutepticas del colector ET-150 se reflejaron en la tabla 8 y con estas
se calculoacute el rendimiento oacuteptico
Tabla 8 Caacutelculo del rendimiento oacuteptico
Rendimiento oacuteptico
ntilde Reflectividad superficie reflectora 090
ocirc Transmisividad del cristal absorbedor 095
aacute Absortividad del tubo del absorbedor 096
ɣ Factor de interceptacioacuten 095
Ƞopt0ordm= 078
Cuanto mayor es el valor del rendimiento oacuteptico mayor seraacute el rendimiento del
captador Asiacute cuanto mayor sea el valor de las variables que lo definen mejor seraacute
el rendimiento de los captadores (Rojas 2013)
Ademaacutes de las peacuterdidas debidas al aacutengulo de incidencia existen otras peacuterdidas que
se asocian a dicho aacutengulo El efecto del aacutengulo de incidencia en el rendimiento del
CCP se cuantifica mediante el modificador por aacutengulo de incidencia 119870(120579119904)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Gra
do
s se
xage
sim
ale
s
Aacutengulo de incidencia
46
323 Peacuterdidas teacutermicas
Se calculoacute la potencia teacutermica uacutetil la potencia teacutermica absorbida y la potencia
teacutermica perdida La energiacutea teacutermica uacutetil fue menor que la energiacutea teacutermica absorbida
Esto es debido a las peacuterdidas teacutermicas que se presentan en este tipo de tecnologiacutea
Durante los meses de verano existioacute un descenso de las diferentes potencias
calculadas a causa de las condiciones de nubosidad (lluvia) para esta eacutepoca del
antildeo (figura 18) Para los meses de invierno las potencias decrecieron debido a la
disminucioacuten de la radiacioacuten solar tiacutepico en esta eacutepoca del antildeo
Figura 18 Energiacutea solar por unidad de tiempo radiacioacuten solar absorbida en un colector
peacuterdidas teacutermicas y potencia teacutermica uacutetil para todos los meses del antildeo
Estas peacuterdidas teacutermicas influyeron negativamente en el rendimiento global del
colector CCP ET-150 que tuvo un valor aproximado al 70 Para los meses de
verano hubo un mayor rendimiento aunque este se vio afectado por la nubosidad
El funcionamiento teacutermico de cualquier captador solar estaacute determinado por el
llamado rendimiento global definido como la relacioacuten entre la potencia teacutermica que
es capaz de proporcionar o potencia teacutermica uacutetil y la potencia procedente del Sol
que se tome como referencia No toda la potencia solar puede ser absorbida por el
receptor Existen una serie de peacuterdidas de energiacutea debidas tanto a la geometriacutea y
oacuteptica del captador como a las propiedades de los materiales del propio receptor
que hay que tener en cuenta (Rojas 2013)
16
161
162
163
164
165
166
167
168
169
17
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Qp
er(
kW
h)
Qso
lu
til(
kW
h)
meses
Peacuterdidas teacutermicas
Qsol Qutil Qperd
47
33 Dimensionamiento del campo solar
331 Caracterizacioacuten del terrero
El terreno del central George Washington es llano desprovisto de grandes
obstaacuteculos que puedan crear dificultades en la construccioacuten del campo y crear
sombras que entorpezcan la radiacioacuten del sol en los espejos reflectores Estaacute
cercano a la carretera y consta con posos que facilita el acceso a los recursos
hiacutedricos en el emplazamiento Estaacute solucionado el problema de la conectividad a la
red eleacutectrica nacional puesto que el central ya contaba con esta infraestructura Por
lo tanto posee las condiciones idoacuteneas para la instalacioacuten de un campo solar
332 Balance energeacutetico en el intercambiador de calor
A partir de la temperatura que se quiere elevar el agua de alimentacioacuten de la caldera
(260 oC) y el flujo de esta (255 kgs) se determina una cantidad de energiacutea teacutermica
que debe suministrar el campo para suplir esta demanda Dicha energiacutea teacutermica se
logra a traveacutes de la radiacioacuten solar captada por los colectores la cual es transferida
en forma de calor a un fluido portador en este caso aceite HTF Este necesita un
determinado flujo para absorber toda esa energiacutea y luego transferirla al agua Los
caudales necesarios para la captacioacuten de este calor se encuentran en la (tabla 9)
Tabla 9 Paraacutemetros termodinaacutemicos en el intercambiador de calor
Datos Agua de
alimentacioacuten Aceite teacutermico
Caudal(kgs) 255 462
Temperatura(ordmC) 166 300
Presioacuten (bar) 67 25
Entalpiacutea (kJkg) 6974 490
Con estos datos se concluye que para calentar un flujo de agua de 255 kgs (a
temperatura de 166ordmC y presioacuten de 67 bar) hasta alcanzar una temperatura de
260ordmC se necesita un flujo de energiacutea teacutermica de 106225 kW lo cual es
proporcionada por 462 kgs de aceite teacutermico proveniente del campo solar que estaacute
a una temperatura de 300ordmC y presioacuten de 25 bar
48
333 Caacutelculo del nuacutemero de lazos
3331 Caacutelculo del caudal miacutenimo de circulacioacuten del fluido de transferencia de
calor (HTF) por cada lazo
Para que exista un flujo turbulento por el interior del tubo absorbedor a una velocidad
del fluido econoacutemica de 3 ms el caudal miacutenimo de circulacioacuten debe ser de 86 kgs
(tabla 10)
Tabla 10 Caudal miacutenimo de circulacioacuten del fluido de transferencia de calor (HTF) por
cada lazo
Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF por cada lazo 86 kgs
Nuacutemero de Reynolds 874E+5
Velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor 3 ms
Viscosidad dinaacutemica del HTF a la temperatura media de
trabajo 194E-04 kgmmiddots
Densidad del HTF a la temperatura media de trabajo 870 Kgm3
3332 Incremento de la temperatura del HTF en un colector
Para calentar el flujo de aceite de 200 a 300ordmC lo cual equivale a un salto teacutermico
por lazo de 100ordmC es necesario 4 colectores por lazo Por tanto el salto de
temperatura promedio del HTF a su paso por un colector es aproximadamente de
283ordmC (tabla 11)
Tabla 11 Salto de temperatura promedio del HTF a su paso por un colector
meses ∆119931119949119938119963119952() ∆119827119836119848119845119838119836() 119821119845119834119859119848119852
Enero 100 248 40
Febrero 100 263 38
Marzo 100 301 33
Abril 100 343 29
Mayo 100 333 30
Junio 100 318 31
Julio 100 325 31
Agosto 100 330 30
Septiembre 100 286 35
Octubre 100 262 38
Noviembre 100 202 50
Diciembre 100 186 54
49
3333 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
El nuacutemero de colectores necesarios por lazo para cada mes se refleja en la (tabla
12) Con este resultado se concluye que la cantidad de colectores totales que debe
tener cada lazo del campo solar es aproximadamente de 4
Tabla 12 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo para cada mes del antildeo
Meses Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
Enero 40
Febrero 38
Marzo 33
Abril 29
Mayo 30
Junio 31
Julio 31
Agosto 30
Septiembre 35
Octubre 38
Noviembre 50
Diciembre 54
3334 Nuacutemero de lazos en el campo solar
Al ser la potencia teacutermica del campo solar 106225 kW y ser la potencia teacutermica uacutetil
promedio por lazo aproximadamente de 26556 kW el nuacutemero de lazos necesarios
por campo solar debe ser aproximadamente de 4
Para generar 106 MW teacutermico con una radiacioacuten promedio de 5355 Wm2 para todo
un antildeo la dimensioacuten del campo solar debe ser de 44448 m2 Esto se logra con un
total de 4 lazos con 4 colectores cada uno
334 Caacutelculo del ahorro de bagazo propiciado por el campo
Una de las ideas fundamentales de este proyecto es el ahorro de bagazo para su
uso fuera de temporada y asiacute no parar la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica por la
ausencia de combustible Para esto se halloacute el iacutendice de generacioacuten con el campo
(tabla 13) quedando un ahorro de maacutes de 25 mil toneladas de bagazo Pudiendo
dar un margen de 30 diacuteas maacutes de generacioacuten de electricidad lo que equivale a maacutes
de 14 mil MWe
50
Tabla 13 Generacioacuten en el periacuteodo de zafra y ahorro de bagazo propiciados por el campo
solar
Generacioacuten eleacutectrica total 111063 MWh
Iacutendice de generacioacuten sin campo 500 kWhtb
Iacutendice de generacioacuten con campo 575 kWhtb
Ahorro de bagazo 251586 TonZafra
Porciento de bagazo ahorrado 14
Generacioacuten con el excedente de Bagazo 14463 MWh
Seguacuten los datos de la tabla 13 y suponiendo que la zafra sea de 120 diacuteas sin contar
las paradas este resultado extenderiacutea la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica a 232 diacuteas
aproximadamente maacutes de la mitad del antildeo y solo se necesitariacutea para los restantes
133 diacuteas del antildeo abastecerse por medio de otra fuente como pudiera ser bagazo
aportado por centrales cercanos que funcionaran como tributarios o utilizar otro
combustible complementario como los residuos agriacutecolas cantildeero lentildea o carboacuten de
marabuacute
34 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un
antildeo)
Para el caacutelculo se halloacute el ahorro de combustible foacutesil con la incorporacioacuten del campo
solar De la (tabla 14) mostrada en el capiacutetulo anterior se tomoacute el valor para las
emisiones de CO2 que fue de 306 kgkgf lo que reflejoacute los siguientes resultados
Tabla 14 Ahorro de combustible y emisiones de CO2 dejadas de emitir propiciado por el campo
Iacutendice de generacioacuten de una planta
teacutermica convencional en Cuba 270 gkWh
Ahorro de combustible Foacutesil 3888 TCC
CO2 dejado de emitir 11897 Ton
35 Factibilidad econoacutemica del proyecto
Para los caacutelculos de factibilidad econoacutemica en este proyecto se ha tomado los
siguientes valores (tabla 15)
51
Tabla 15 Valores necesarios para el caacutelculo de la factibilidad econoacutemica
Precio de la electricidad 021 $kWh
Impuestos 30
Tasa de descuento 10
Vida uacutetil 25 antildeos
Tambieacuten se tuvieron en cuenta los costos de inversioacuten del campo solar (tabla 16)
Tabla 16 Costos de Inversioacuten del campo solar Fuente (IDEA 2013)
Captacioacuten y concentracioacuten de
energiacutea solar
Campo solar(CCP)
espejos 35 Eur m2
apertura
130800 m2
457800
euros
estructuras
metaacutelicas
72 Eur m2
apertura
13080
m2
941760
euros
sistemas de
posicionamiento
6600 Eurunid
16
unidades
108585
euros
movimiento de
tierras
21 Eur m2
apertura
13080
m2 27468000 euros
cimentacioacuten 37 Eur m2
apertura
13080
m2 48396000 euros
montaje 43 Eur m2
apertura
13080
m2 56244000 euros
nave de montaje 545 Eur m2
apertura
13080
m2 7128600 euros
costo total
2900511
euros
Sistema de conversioacuten solar teacutermico
aceite teacutermico 283 Eurkg
100
Kg 283 euros
tubos
absorbedores
892 Eurtubo
16
tubos
14675
euros
juntas rotativas 190 Eur unid 33 unidades 625187 euros
tuverias valvulas y
accesorios
13400 Eurlazo 4 lazos 4915834 euros
sistTrasiego
aceites
87000 Eurlazo 4 lazos 31916236 euros
sistPurificacioacuten
de aceite
380000 Eur unid 1 unidades 380000 euros
ProteccContra
incendios
11400 Eurlazo 1 lazos 11400 euros
sistInertizacioacuten 5900 Eurlazo 1 lazos 5900 euros
52
Intercambiador
aceite-vapor
240 EurkW 10623 kWe 2549400 euros
calderas GV 53 EurkWt - 0 euros
costo total 33362310 euros
TOTAL DEL COSTO DE INVERSIOacuteN
9137253
euros
9959606
doacutelares
Tabla 17 Costos de operacioacuten y mantenimiento (OampM) del campo solar en millones de
euros (MEUR MWantildeo) Fuente (IDEA 2013)
Personal 001 MEUR MWantildeo
Mantenimiento 004 MEUR MWantildeo
Otros 002 MEUR MWantildeo
total 007 MEUR MWantildeo
Tabla 18 Costos de operacioacuten y mantenimiento (OampM) del campo solar en MEUR Fuente
(IDEA 2013)
Potencia del
campo solar
11 MW
Personal 011
Mantenimiento 042
Otros 021
total 074
Esto equivale a un costo fijo de 1772000 doacutelares en operacioacuten y mantenimiento
Paraacutemetros operativos
Venta de electricidad 21 centkWh
Produccioacuten de electricidad solar 144626 MWhantildeo
Costos OampM campo solar 289252 USD antildeo
Costo nivelado de la energiacutea generada
Este costo se determinoacute al sumar los costos variables el de inversioacuten total y los
costos de operacioacuten y mantenimiento luego se dividioacute entre la generacioacuten total de
la planta en los 25 antildeos de vida uacutetil de esta tecnologiacutea quedando de 0032$kWh
351 Tasa interna de retorno (TIR)
Con un campo de 16 colectores y para las condiciones de este proyecto se obtuvo
una TIR de
TIR= 30
La TIR calculada fue mayor que la tasa de descuento por tanto el proyecto es
aceptable
53
352 Valor actual neto (VAN)
El valor actual neto es positivo con un valor que asciende a $ 34116545 por lo que
se cumple la condicioacuten de VAN mayor que cero por lo que el proyecto es rentable
353 Periacuteodo de recuperacioacuten (PR)
El tiempo en que se recupera esta inversioacuten es de aproximadamente 9 antildeos (figura
18)
Los costos de inversioacuten incluyen costes de Ingenieriacutea obtencioacuten de los permisos
necesarios y autorizaciones administrativas obra civil y equipo electromecaacutenico
Los beneficios corresponden a las ventas anuales de electricidad una vez
deducidos los gastos de operacioacuten y mantenimiento En general se estima en el
sector que para que una inversioacuten sea interesante el periacuteodo de recuperacioacuten no
debe exceder de 7 antildeos (Penche 1998) Este proyecto excede en dos antildeos lo
planteado por (Penche 1998) aunque sigue siendo factible e interesante para las
condiciones del paiacutes ya que como plantea el problema de investigacioacuten el principal
intereacutes de este trabajo es aumentar los diacuteas de generacioacuten de electricidad Debido
al problema que presenta Cuba con los iacutendices de generacioacuten se hace necesario
una mejora en este sector a toda costa priorizando esto quedando asiacute los periodos
de recuperacioacuten por detraacutes de este intereacutes primordial
Figura 19 Periacuteodo de recuperacioacuten en antildeos
Teniendo en cuenta estos tres iacutendices econoacutemicos calculados que se tuvieron en
cuenta para la rentabilidad econoacutemica de este proyecto se obtiene como resultado
que dicho proyecto es econoacutemicamente factible
-15000000
-10000000
-5000000
0
5000000
10000000
15000000
20000000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Doacutela
res
Antildeos
Periacuteodo de recuperacioacuten de la invercioacuten
54
Conclusiones
La tecnologiacutea de plantas hibridas solar-biomasa para el caso de Cuba es
potencialmente factible a partir de los valores encontrados de radiacioacuten solar
directa en todo el territorio alcanzando estos maacutes de 5 kWhm2-dia durante
todo el antildeo siendo favorable para la implementacioacuten de esta tecnologiacutea
El rendimiento global de cada colector tiene un valor aproximado del 70
debido a las peacuterdidas geomeacutetricas oacutepticas teacutermicas y por las condiciones
meteoroloacutegicas del lugar puesto que al ser Cuba una isla rodeada de mar
hay ocurrencia de un gran nuacutemero de precipitaciones y cielos nublados al
antildeo que afectan considerablemente el factor de disponibilidad del campo
solar
El campo solar tendraacute 4 colectores por lazo y 4 lazos por campo con una
potencia teacutermica de 106 MW lo que representa un aacuterea de casi 45 ha
aumentaacutendose el iacutendice de generacioacuten de electricidad de la planta con su
conversioacuten en planta hibrida (solar-biomasa) de 500 kWhtb a 575 kWhtb
Con la implementacioacuten del proyecto propuesto (hibridacioacuten biomasa-energiacutea
solar) se puede lograr un ahorro de 251586 toneladas de bagazo por zafra
lo que equivale a 30 diacuteas adicionales de generacioacuten eleacutectrica de la planta lo
que extenderiacutea la generacioacuten en la bioeleacutectrica a unos 230 diacuteas acercaacutendose
cada vez maacutes a lo previsto por la poliacutetica existente en el paiacutes de conversioacuten
de centrales en bioeleacutectricas de llegar a los 300 diacuteas Pudieacutendose saldar los
70 diacuteas faltantes con combustibles alternativos como el RAC y el marabuacute con
gran abundancia en nuestros campos
La implementacioacuten en la UEB George Washington de la hibridacioacuten permitiriacutea
anualmente con el excedente de bagazo obtenido una generacioacuten de
electricidad adicional de 145 GWh con una disminucioacuten de 11897 toneladas
de emisiones de CO2 funcionando como una fuente de empleo considerable
para los habitantes de este lugar
El estudio de la hibridacioacuten solar-biomasa en la UEB George Washington
indica que un proyecto de este tipo es factible con una inversioacuten de casi 10
millones de doacutelares logra como resultados maacutes importantes un VAN de maacutes
de 34 millones una TIR de 30 un PRD de aproximadamente 9 antildeos y un
costo nivelado de la electricidad de 0032 $kWh valor de gran motivacioacuten
para la implementacioacuten de esta tecnologiacutea
55
Recomendaciones
Extender el estudio de factibilidad de plantas de energiacutea hiacutebridas biomasa
solar a otros centrales azucareros del paiacutes que se prevean convertir en
bioeleacutectricas
Incluir en la metodologiacutea de anaacutelisis empleada en este trabajo para futuros
estudios otro tipo de tecnologiacuteas de concentracioacuten como pudiera ser la de
colector lineal Fresnel cuya aplicacioacuten ha venido en aumento en los uacuteltimos
antildeos a nivel mundial
Profundizar en el estudio de factibilidad de este proyecto analizando la
influencia de la variacioacuten de paraacutemetros como el salto entaacutelpico en el
intercambiador de calor del campo solar para la optimizacioacuten del disentildeo del
campo solar
56
Bibliografiacutea
BEacuteRRIZ L MADRUGA E 2000 Cuba y las fuentes renovables de energiacutea CUBASOLAR pp 29
CENGEL Y 2012 Termodinaacutemica Meacutexico DF
DAVID A 2007 Business and Finance Israeli Company to build largest solar park in world in US [Online] Available (httpwwwynetnewscom) [Accessed 10 febrero 2018]
E BURIN T V S MULTHAUPT A THELEN G OELJEKLAUS K GOumlRNER E BAZZO 2016 Thermodynamic and economic evaluation of a solar aided sugarcane bagasse cogeneration power plant THE 28TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON EFFICIENCY COST OPTIMIZATION SIMULATION AND ENVIRONMENTAL IMPACT OF ENERGY SYSTEMS
EPA Factor Information REtrieval (FIRE) Software Technology Transfer Network Clearinghouse for Inventories amp Emissions Factors 2004
GACETA 2007 Estrategia Ambiental Nacional Ministerio de Justicia 30 ed Gaceta Oficial Republica de Cuba
GESIME 2014 Conceptualizacioacuten del programa de desarrollo de la energiacutea solar teacutermica en Cuba 2014-2020 MINEM Desarrollado por grupo de desarrollo de la energiacutea solar teacutermica Grupo Empresarial de la Industria Sidero-Mecaacutenica 36
GUTIEacuteRREZ E 2013 ldquoEl azuacutecar cubano adquiere protagonismo energeacuteticordquo Diarios latinoamericanos de Tierrameacuterica
HERRERA I 2016 Poligeneration Workshop KTH Universidad Central Marta Abreu de Las Villas
HIDALGO L 2012 Estudio Teacutecnico-econoacutemico de una central hiacutebrida solar-ciclo combinado Proyecto final de carrera para optar por el tiacutetulo ingeniero teacutecnico de minas Departamento de sistemas energeacuteticos 79
HTTPEOSWEBLARCNASAGOVSSE 2017 Surface Meteorology and Solar Energy [Online] [Accessed 22 noviembre]
HTTPWWWWIKIPEDIAORG 2017 Energiacutea solar teacutermica [Online] [Accessed 17 diciembre 2017]
IDEA 2013 Plan de Energiacuteas (PER) 2011-2020 Instituto para la Diversificacioacuten y Ahorro de la Energiacutea
LA ROSA D 2014 Recuperacioacuten de la disponibilidad de generacioacuten en el ciclo combinado de Energas Varadero con aporte termosolar httpwwwcubasolarcu
MARTIacuteN S 2017 Colector ciliacutendrico paraboacutelico Available from httpwwwtecnoblogsanmartinwordpresscom]
57
MARTIacuteNEZ L 2017 Conjunto de alternativas tecnoloacutegicas para la ingenieriacutea conceptual del estudio de oportunidad de la conversioacuten en bioeleacutectrica del central George Washington Trabajo de diploma Universidad Central ldquoMarta Abreurdquo de Las Villas
MAXWELL E L RENNE DS 1994 Measures of Renewable Energy National Renewable Energy Laboratory
PAREDES C 2012 Disentildeo de captador solar ciliacutendrico paraboacutelico para aplicaciones rurales en Paraguay Proyecto final de carrera para optar por el tiacutetulo de ingeniero teacutecnico de minas Especialidad en recursos energeacuteticos combustibles y explosivos 57
PENCHE C 1998 Manual de pequentildea hidroeleacutectrica D I R E C C I Oacute N G E N E R A L D
E E N E R G I A ( D G X V I I ) 259
PETROLEUM B 2006 BP Statistical Review of World Energy June 2006 Quantifying Energy
PETROLEUM B 2018 Statistical Review of World Energy [Online] Available httpwwwbpcomenergyoutlook [Accessed 12 febrero de 2018]
PITZ-PAAL 2013 Solar thermal power plants BINE-Themeninfo FIZ Karlsruhe GmbH
REN 2013 Global Status Report Paris
REUszlig N 2012 Modern Gas- amp Steam Turbines in Solarthermic Applications 14th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery Honolulu
RIBOT J E A ROVIRA P ROVIRA A BAROacuteN JL 2001 Curso de Energiacutea Solar Centro de Tecnologiacutea Educativa CTE Barcelona Espantildea Obra completa 4ta edicioacuten Leccioacuten 3 El potencial real de la energiacutea solar
RODRIacuteGUEZ J 2015 Metodologiacutea para la caracterizacioacuten termoeconoacutemica de plantas hiacutebridas de generacioacuten de electricidad Tesis Doctoral Universidad Politeacutecnica de Madrid
ROJAS E 2013 Energiacutea Solar Teacutermica Observatorio de energiacutea renovable para Ameacuterica Latina y Caribe Programa de capacitacioacuten de energiacuteas renovables ONUDI 68
SALOMOacuteN R 2016 ldquoBioeleacutectricas despiertan creciente intereacutes mundialrdquo
SALOMOacuteN R 2018 Biomasa fuente de electricidad inagotable para Cuba Diaacutelogos del Sur Prensa Latina de La Habana
SEBASTIAacuteN E 2011 Sistemas de colector ciliacutendrico paraboacutelico para generar energiacutea httpeliseosebastiancom
SHILLING Z NORMAN 2003 IGCC Clean Power Generation Alternative For Solid Fuels Product Line Leader
58
WWWSOLARBUZZCOM H 2016 Abener Signs Contract for Solar Thermal Electric-Combined Cycle Hybrid Plant [Online] [Accessed 16 diciembre 2017]
21 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB uml George Washington uml 26
211 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa 26
212 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea (nuacutemero de horas en que el sol estaacute sobre
el horizonte) 27
213 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP) 28
214 Peacuterdidas geomeacutetricas 29
215 Peacuterdidas oacutepticas 30
216 Peacuterdidas teacutermicas 31
22 Dimensionamiento del campo solar de la zona de la UEB uml George Washington uml
33
221 Caracterizacioacuten del terrero 34
222 Balance energeacutetico en el generador de vapor solar (GVS) 34
223 Caacutelculo del nuacutemero de lazos 35
224 Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF por cada lazo 36
225 Incremento de temperatura del HTF en un colector 37
226 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo 37
227 Nuacutemero de lazos en el campo solar 37
23 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un antildeo)
38
24 Factibilidad econoacutemica del proyecto 38
241 Valor actual neto (VAN) 38
242 Tasa interna de retorno (TIR) 40
243 Periacuteodo de recuperacioacuten de la inversioacuten 40
Conclusiones parciales 41
Capiacutetulo 3 Resultados y Discusioacuten 42
31 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB umlGeorge Washington uml 42
311 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa 42
312 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea 44
32 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP) 44
321 Peacuterdidas geomeacutetricas 44
322 Peacuterdidas oacutepticas 45
323 Peacuterdidas teacutermicas 46
33 Dimensionamiento del campo solar 47
331 Caracterizacioacuten del terrero 47
332 Balance energeacutetico en el intercambiador de calor 47
333 Caacutelculo del nuacutemero de lazos 48
3331 Caacutelculo del caudal miacutenimo de circulacioacuten del fluido de transferencia de calor
(HTF) por cada lazo 48
3332 Incremento de la temperatura del HTF en un colector 48
3333 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo 49
3334 Nuacutemero de lazos en el campo solar 49
334 Caacutelculo del ahorro de bagazo propiciado por el campo 49
34 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un antildeo)
50
35 Factibilidad econoacutemica del proyecto 50
351 Tasa interna de retorno (TIR) 52
352 Valor actual neto (VAN) 53
353 Periacuteodo de recuperacioacuten (PR) 53
Conclusiones 54
Recomendaciones 55
1
Introduccioacuten
Las tendencias en el aumento de las temperaturas medias y el consecuente
calentamiento global son ya una amenaza para la vida existen en el presente
evidencias de sus impactos y Cuba no se encuentra exenta ejemplo de ello son
Degradacioacuten de los suelos (erosioacuten drenaje salinidad acidez compactacioacuten entre
otros) Estos afectan grandes extensiones de superficie agriacutecola del paiacutes (Gaceta
2007) Tambieacuten se ha visto maacutes recientemente el aumento de la intensidad de los
ciclones y la cantidad de estos que se forman anualmente Un ejemplo de esto fue el
huracaacuten Irma que azotoacute la isla a finales del antildeo 2017 siendo este de categoriacutea 5
afectando a casi todo el territorio nacional causando grandes dantildeos materiales Papel
protagoacutenico en este resquebrajamiento de la salud del planeta lo tiene el uso
indiscriminado de los combustibles foacutesiles Actualmente la mayor parte de la
generacioacuten de energiacutea teacutermica en el mundo estaacute basada en hidrocarburos
provenientes del petroacuteleo y gas natural cuyas reservas probadas permitiraacuten satisfacer
la demanda soacutelo para algunos antildeos maacutes ya que se cuenta con estudios que
demuestran que las reservas de petroacuteleo mundial solo constan con aproximadamente
15 mil millones de barriles lo necesario para satisfacer las necesidades de la
poblacioacuten mundial por tan solo 506 antildeos (Petroleum 2018) Aun cuando hubiese
suficientes recursos foacutesiles para cubrir la creciente demanda el problema estaacute
relacionado con la contaminacioacuten especiacuteficamente con las altas emisiones de CO2 y
muchos otros que afectan seriamente el ecosistema
Se han realizados esfuerzos importantes por parte de la comunidad internacional
para la proteccioacuten del medio ambiente como son el protocolo de Montreal el protocolo
de Kioto y el tratado de Paris Bajo estos acuerdos internacionales es donde la
tecnologiacutea relacionada con el aprovechamiento de la radiacioacuten solar se reconoce
como una solucioacuten apropiada para la generacioacuten de energiacutea teacutermica y eleacutectrica Se
debe recordar que la transformacioacuten de la radiacioacuten solar es la fuente primordial de
las tecnologiacuteas renovables ya que el viento olas hidroeleacutectrica e incluso biomasa
son resultado de la potencia proveniente del Sol (Maxwell 1994 Shilling 2003)
Si bien las fuentes renovables de energiacutea tienen gran potencial econoacutemico sin olvidar
desde luego su bajo impacto ambiental hasta la fecha no han sido ampliamente
explotadas y comercializadas Lo anterior se debe principalmente al costo de
inversioacuten relativamente alto para desarrollar estas tecnologiacuteas Ademaacutes estos
sistemas no han tenido un mayor despliegue debido a la intermitencia y
requerimientos de almacenamiento de energiacutea por lo que es comuacuten que se opte por
fuentes convencionales Sin embargo en los sistemas con fuentes renovables
ademaacutes de su bajo impacto ambiental un punto que se debe considerar es el costo
2
de operacioacuten ya que estas tecnologiacuteas no presentan consumo de combustible para
su operacioacuten Asiacute la amortizacioacuten de los sistemas con fuentes renovables ocurre por
el ahorro de los costos asociados al consumo de combustible Dado que la energiacutea
solar en su forma primaria es gratuita el reto es disentildear sistemas de captacioacuten y
aprovechamiento que transformen esta energiacutea con sistemas que sean econoacutemicos
y faacutecilmente operables Sin embargo para el aprovechamiento de la energiacutea solar se
tiene como primera limitante su baja densidad de potencia comparada con los
combustibles foacutesiles por lo que se busca sistemas con elevada eficiencia de
conversioacuten Otra limitante es su intermitencia ya sea por el ciclo diacutea-noche o bien por
condiciones atmosfeacutericas adversas como lluvia o nublados y por la estacionalidad
En Cuba las energiacuteas renovables solo representan 46 por ciento de la generacioacuten
eleacutectrica y el resto lo aportan los combustibles foacutesiles de esto la industria azucarera
aporta el 35 por ciento Existe en Cuba un programa nacional de fuentes renovables
de energiacutea y eficiencia energeacutetica El plan para elevar la eficiencia energeacutetica
contempla que para 2030 un total de 25 ingenios generen un excedente de 872 MW
conectados a la red del Sistema Eleacutectrico Nacional Para alcanzar este objetivo se
modernizan los ingenios para transformarlos en modernas plantas bioeleacutectricas Las
inversiones estimadas estaacuten en el orden de los 1290 millones de doacutelares que se
pretenden obtener de diversas formas (Gutieacuterrez 2013)
Este trabajo tiene como propoacutesito estudiar la integracioacuten de energiacutea solar teacutermica con
biomasa para la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica y teacutermica en los esquemas
energeacuteticos de las bioeleacutectricas en Cuba Se tomaraacute como caso de estudio la Unidad
Empresarial de Base uml George Washington uml donde se evaluaraacute incorporar al
economizador de la caldera de vapor agua calentada por un campo solar compuesto
por colectores ciliacutendrico paraboacutelico prototipo EUROTrough-150 Se espera con la
introduccioacuten de esta tecnologiacutea ahorrar bagazo para que sea utilizado en la eacutepoca
pos zafra por la bioeleacutectrica que se preveacute instalar alliacute La caldera del Central basa su
funcionamiento en utilizar como combustible el bagazo residual del proceso de la
elaboracioacuten de azuacutecar
Problema
La insuficiente biomasa cantildeera para que las bioeleacutectricas alcancen al menos 300 diacuteas
de generacioacuten de energiacutea al antildeo causa que los periacuteodos de recuperacioacuten de la
inversioacuten en esta tecnologiacutea sean muy prolongados siendo una posible solucioacuten la
hibridacioacuten de biomasa cantildeera con energiacutea solar teacutermica de concentracioacuten
Se planteoacute la siguiente hipoacutetesis
Si se realiza un estudio de factibilidad de combinar la energiacutea solar teacutermica con la
biomasa cantildeera en las condiciones de Cuba se lograraacute economizar biomasa cantildeera
3
para que las bioeleacutectricas alcancen al menos 300 diacuteas de generacioacuten de energiacutea al
antildeo y a la vez lograr que se reduzcan los periacuteodos de recuperacioacuten de las inversiones
de las bioeleacutectricas en el paiacutes
Por todo lo antes expuesto y para la realizacioacuten de este trabajo de ingenieriacutea se
definioacute el siguiente objetivo general
Estudiar la factibilidad de combinar la energiacutea solar teacutermica de concentracioacuten con
biomasa cantildeera para aumentar la generacioacuten de electricidad al menos 300 diacuteas al
antildeo en las bioeleacutectricas en Cuba
Y como objetivos especiacuteficos
Determinar el potencial solar en la zona central del paiacutes para seleccionar la
tecnologiacutea de concentracioacuten solar y el esquema maacutes factible de hibridacioacuten en la
bioeleacutectrica para las condiciones de Cuba
Realizar el dimensionamiento oacuteptimo del campo solar teacutermico de concentracioacuten para
inyectar energiacutea al ciclo de las bioeleacutectricas proyectadas
Analizar la factibilidad de una propuesta de bioeleacutectrica hiacutebrida biomasa-solar
mediante el uso de indicadores econoacutemicos como el costo nivelado de la energiacutea
generada costo de inversioacuten VAN y TIR asiacute como el impacto ambiental causado
por esta para el caso de estudio UEB umlGeorge Washingtonuml
4
Capiacutetulo 1 Revisioacuten Bibliograacutefica
En este capiacutetulo se realizoacute una recopilacioacuten seleccioacuten y anaacutelisis de la literatura
consultada que constituye el marco teoacuterico del trabajo Se reconocieron las
contribuciones de otros autores buscaacutendose una loacutegica entre los propoacutesitos
investigativos y el conocimiento que existe acerca del problema que se abordoacute
11 Ciclo termodinaacutemico de la industria azucarera
En la industria azucarera cubana al igual que en todo el mundo se emplea un ciclo
de potencia de vapor especiacuteficamente un ciclo Rankine con algunas desviaciones
Se consideran ciclos de potencia de vapor en los que el fluido de trabajo se evapora
y condensa alternadamente Asimismo se analiza la generacioacuten de potencia
acoplada con un proceso de calentamiento llamada cogeneracioacuten La constante
demanda de eficiencias teacutermicas maacutes altas ha producido algunas modificaciones
innovadoras en el ciclo baacutesico de potencia de vapor Entre eacutestos se estudian ciclos
con recalentamiento y regenerativo asiacute como ciclos combinados de potencia de gas
y vapor El vapor de agua es el fluido de trabajo usado para estos ciclos de potencia
de vapor en la industria azucarera debido a sus muchas y atractivas caracteriacutesticas
como bajo costo disponibilidad y alta entalpiacutea de vaporizacioacuten(Cengel 2012)
El ciclo Rankine ideal simple consta de cuatro procesos que son los siguientes
1-2 Compresioacuten isentroacutepica en una bomba
2-3 Adicioacuten de calor a presioacuten constante en una caldera
3-4 Expansioacuten isentroacutepica en una turbina
4-1 Rechazo de calor a presioacuten constante en un condensador
Figura 1 Ciclo Rankine ideal simple
5
En la industria azucarera este ciclo de potencia no se encuentra asiacute del todo puesto
que se le realizan algunas modificaciones ya que el proceso es el que funciona como
condensador del ciclo y en otros casos como es el de las bioeleacutectricas que se
pretenden instalar se realiza un recalentamiento a la salida de la turbina de alta para
luego ser insertado en una turbina de baja Tambieacuten se colocan calentadores
regenerativos con el fin de calentar el agua a la entrada de la caldera o como se
plantea en este trabajo se puede hibridar con un campo termosolar que funcione
como calentador del agua que entra a la caldera todas estas medidas con el fin de
aumentar la eficiencia del ciclo
Al existir una generacioacuten de potencia en forma de energiacutea eleacutectrica y una demanda
de calor necesaria para el proceso de fabricacioacuten de azuacutecar el ciclo termodinaacutemico
pasa a ser un esquema de cogeneracioacuten (Herrera 2016) el cual se muestra en la
figura siguiente
Lo centrales azucareros convencionales no presentan condensador la funcioacuten de
este la realiza netamente el proceso Por lo que existe una equivalencia entre los
flujos de vapor utilizados para la generacioacuten y los que se usan en el proceso sin
poder realizar un aumento considerable de estos limitando asiacute la generacioacuten de
potencia eleacutectrica En el caso de la bioeleacutectrica no ocurre asiacute puesto que aumentan
los paraacutemetros del ciclo y con este los flujos de la sustancia termoportadora Siendo
necesaria la presencia de un condensador ya que con el proceso no basta para
Figura 2 Ciclo de cogeneracioacuten
6
condensar las enormes cantidades de vapor y que luego puedan ser transportadas
por las bombas asiacutea la caldera
12 Concepto de bioeleacutectrica
Una bioeleacutectrica es una planta de cogeneracioacuten que se construye en un aacuterea aledantildea
al central lo que facilita no detener las zafras durante el periacuteodo de construccioacuten y
montaje Su funcionamiento consiste en un ciclo Rankin con mejoras que consta de
una caldera de alta presioacuten para el proceso de adiccioacuten de calor posteriormente se
expande en una turbina de vapor y se realiza una extraccioacuten para el proceso luego
se condensa el vapor de escape de la turbina y se bombea nuevamente a la caldera
Cuando se realiza su puesta en marcha opera abastecieacutendose de todo el bagazo
producido residuos agriacutecolas y del condensado de vapor puro procedente de los
equipos de calentamiento evaporacioacuten y tachos provenientes de la faacutebrica de azuacutecar
a la que a su vez suministra el vapor de escape de los turbogeneradores para el
proceso de fabricacioacuten del endulzante asiacute como la electricidad que necesita El
excedente eleacutectrico del proceso fabril del azuacutecar se vende al Sistema Eleacutectrico
Nacional (SEN)(Salomoacuten 2018)
13 Planta hiacutebrida
Una planta hiacutebrida se define como una planta que utiliza dos o maacutes recursos
energeacuteticos en este caso solar y biomasa aprovechando las ventajas de cada uno y
disminuyendo sus desventajas como por ejemplo
Se mejora la eficiencia solar eleacutectrica
Se eliminan los arranques y paradas de la turbina que limitan su eficiencia y
encarecen su mantenimiento
Se garantiza un suministro eleacutectrico independientemente del recurso solar Ya no
es necesario el uso de sistemas de almacenamiento para satisfacer la curva de
demanda
Los costes de inversioacuten se reducen se reducen los riesgos de inversioacuten al estar
garantizada la generacioacuten de electricidad Adicionalmente se pueden aprovechar las
instalaciones ya existentes La reduccioacuten en los costes permite operar en lugares con
menor radiacioacuten solar
Sin embargo las plantas hibridas presentan incertidumbre sobre su comportamiento
a lo largo del tiempo debido a la variabilidad temporal del recurso solar de la
demanda eleacutectrica y del solapamiento de ambos Es necesario establecer coacutemo se
van a comportar las instalaciones a lo largo d un antildeo y de este modo poder determinar
su idoneidad bajo unas condiciones de radiacioacuten y de demanda eleacutectrica
dependientes del tiempo(Rodriacuteguez 2015)
7
Los principales componentes que forman parte de una planta hiacutebrida solar-biomasa
se distinguen como el bloque solar el bloque de potencia y la hibridacioacuten
Bloque solar Es donde la energiacutea del sol es convertida en energiacutea teacutermica La
tecnologiacutea solar empleada depende del rango de temperaturas de operacioacuten de la
planta hibrida Es necesario que sean compatibles con las del bloque de potencia
Bloque de potencia es el ciclo termodinaacutemico que convierte la energiacutea teacutermica en
eleacutectrica
Hibridacioacuten es el modo en que el bloque de potencia y el bloque solar son
conectados
14 La energiacutea solar
El Sol es un enorme reactor de fusioacuten nuclear formado por una esfera de materia
gaseosa caliente de 139 millones de kiloacutemetros de diaacutemetro que constituye la
principal fuente de energiacutea para la Tierra situada a una distancia media de 149106
km Debido a la radiacioacuten solar la temperatura en la superficie terrestre es alrededor
de 250ordmC superior a la temperatura que habriacutea en la superficie si eacutesta dependiera
solo del calor interno El Sol radia continuamente una potencia de 38middot1023 kW de
los cuales la Tierra intercepta 17middot1014 kW La energiacutea solar recibida en la atmoacutesfera
exterior de la Tierra en un antildeo se conoce con el nombre de SERPY (Solar Energy
Received Per Year) y corresponde a 155middot1015 MWh cantidad que equivale
aproximadamente a 12000 veces la energiacutea consumida en el mundo si se tienen en
cuenta los datos publicados de produccioacuten y consumo energeacutetico mundial durante el
antildeo 2005 (Petroleum 2006) De la radiacioacuten recibida en la superficie exterior el 30
se refleja al espacio el 47 es absorbido por la atmoacutesfera mares y tierra para
mantener la temperatura ambiente y el restante 23 se usa para mantener la
conveccioacuten atmosfeacuterica y el ciclo hidroloacutegico (Rojas 2013)
La radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera tiene un valor constante de unos 1300 Wm
denominaacutendose constante solar Sin embargo toda esta energiacutea no puede ser
aprovechada debido a diferentes fenoacutemenos que se interponen en su camino desde
el Sol hasta la superficie terrestre Al atravesar la atmoacutesfera las nubes dispersan la
radiacioacuten separaacutendola en radiacioacuten directa y difusa Las sombras causadas por
objetos proacuteximos tambieacuten contribuyen a atenuar el valor de la radiacioacuten Finalmente
el hecho de que la direccioacuten del Sol y la superficie captadora no sea la misma
tambieacuten influye en la disminucioacuten de la constante solar Todos estos factores hacen
que la energiacutea que llega a la Tierra sea de unos 1000 Wm en un diacutea claro a las 12
horas del mediodiacutea solar y a nivel del mar Esta energiacutea no es suficiente para alcanzar
las temperaturas que se requieren por lo que se utilizan elementos concentradores
La energiacutea solar tiene muchas aplicaciones donde ser utilizada Estas actividades se
clasifican en tres grupos generacioacuten teacutermica generacioacuten de trabajo y generacioacuten de
friacuteo El primer grupo contiene la generacioacuten de calor para calefaccioacuten agua caliente
8
sanitaria (ACS) desecacioacuten y refrigeracioacuten Dentro de esta divisioacuten existen
diferencias seguacuten la temperatura alcanzada Podemos distinguir procesos de baja
temperatura que usan colectores planos para ACS hasta 60ordmC procesos de media
temperatura para calefaccioacuten y produccioacuten de friacuteo y procesos de alta temperatura en
la industria La generacioacuten teacutermica tambieacuten incluye la arquitectura bioclimaacutetica La
generacioacuten de trabajo se puede dar de forma teacutermica y de forma fotovoltaica Los
parques de heliostatos o concentradores ciliacutendrico-paraboacutelicos producen vapor que
se utiliza en ciclos de potencia mientras que los paneles fotovoltaicos convierten la
luz en electricidad por medio de semiconductores Por uacuteltimo la generacioacuten de friacuteo
se produce por medio de maacutequinas de absorcioacuten
Las tecnologiacuteas usadas para este tipo de energiacutea son colectores planos para
calefaccioacuten y ACS concentracioacuten en torre discos paraboacutelicos colectores ciliacutendricos
paraboacutelicos y colectores Fresnel para la produccioacuten de electricidad Maacutes adelante se
explicaraacuten con maacutes detalle todas estas tecnologiacuteas
La principal ventaja con la que cuenta la energiacutea solar es que se trata de un recurso
inagotable que estaacute al alcance de todos pero uno de los problemas de esta reside
que la demanda no coincide con la produccioacuten Para ajustar la demanda a la
produccioacuten se hace necesario el uso de sistemas de almacenamiento Otro problema
a tener en cuenta es la intermitencia del recurso solar A lo largo del antildeo hay
numerosos diacuteas en los que las nubes impiden el correcto aprovechamiento de la
energiacutea solar La solucioacuten a este problema es la instalacioacuten de un sistema de apoyo
consistente generalmente en una caldera auxiliar operada con un combustible foacutesil
De este modo se puede prescindir de los sistemas de almacenaje (Paredes 2012)
15 Sistemas teacutermicos solares El objetivo esencial de cualquier sistema teacutermico solar es captar la radiacioacuten que
proviene del sol para transformarla en energiacutea teacutermica de un fluido y transportarla de
la manera maacutes econoacutemica y eficaz posible a un usuario Las aplicaciones del
aprovechamiento solar pueden ser directas en forma de calor o bien indirectas
utilizando este calor para obtener trabajo mecaacutenico en un eje y finalmente
electricidad Entre las tecnologiacuteas existentes hay tres que destacan por su grado de
desarrollo los sistemas de colectores cilindro paraboacutelicos (CCP) los sistemas de
receptor central (SRC) o sistemas de torre central (STC) y los discos paraboacutelicos
(DP) o maacutes propiamente paraboloides de revolucioacuten Tambieacuten existen los sistemas
de concentradores lineales Fresnel (CLF) que a pesar de no estar ampliamente
desarrollados en cuanto a tecnologiacutea se refiere merecen una mencioacuten Aunque los
campos de aplicacioacuten de los Sistemas Termo-solares de Concentracioacuten (CSTS) son
diversos es en los campos de generacioacuten de electricidad vapor de proceso o de
ambos simultaacuteneamente donde estos sistemas han alcanzado su mayor grado de
desarrollo dando lugar a Centrales Energeacuteticas Termo-solares (CETS) Las CETS
son entre los sistemas basados en el aprovechamiento de las energiacuteas renovables
uno de los de mayor potencial de contribucioacuten a la satisfaccioacuten de la demanda
9
energeacutetica especialmente en las regiones situadas en el llamado ldquocinturoacuten solarrdquo
que son aquellas que se encuentran entre las latitudes 35o norte y 35o sur (Paredes
2012)
151 Sistemas de torre central (STC)
Este sistema se caracteriza porque el conjunto colector estaacute compuesto por un grupo
maacutes o menos numeroso de concentradores planos individuales llamados heliostatos
los cuales dirigen la radiacioacuten solar concentrada hacia un receptor central situado en
lo alto de una torre Por tanto la concentracioacuten de la radiacioacuten se produce en tres
dimensiones por lo que el valor de la razoacuten de concentracioacuten es muy elevado asiacute
como las temperaturas que se alcanzan pudiendo llegar eacutestas a los 1500 degC
Figura 3 Esquema de un STC Fuente Greenpeace
A parte de los componentes principales del sistema que se detallan maacutes adelante
para un correcto funcionamiento del sistema se requieren una serie de equipos y
sistemas auxiliares como el sistema de caracterizacioacuten de imaacutegenes blancos
lambertianos para evaluacioacuten de imaacutegenes ajustes de offsets etc
El sistema colector El heliostato es junto con el receptor uno de los componentes
que representa mayor importancia dentro del sistema llegando a suponer hasta un
60 del coste total de la parte solar Su funcioacuten es la de captar la radiacioacuten solar y
redirigirla hacia el receptor
Estaacute compuesto baacutesicamente por una superficie reflectante ndashespejos de vidrio como
los de los CCPs ademaacutes de una estructura soporte mecanismos de movimiento y
un sistema de control
En cuanto al tamantildeo existen de varias dimensiones desde 40 o 50 m2 hasta su
evolucioacuten a los 150 m2 Aunque actualmente se tiende a los heliostatos maacutes
10
pequentildeos pues suponen una simplificacioacuten y abaratamiento en los procesos de
transporte instalacioacuten y puesta en servicio El campo de heliostatos en relacioacuten al
receptor estaacute condicionado en gran parte por la orografiacutea del terreno por el tamantildeo
de la planta y por la disposicioacuten del receptor Las dos formas claacutesicas de colocar los
heliostatos son
Campo circundante heliostatos alrededor de la torre
Campo Norte-Sur heliostatos a un lado de la Torre La orientacioacuten dependeraacute de
en queacute latitud se encuentre el emplazamiento
No obstante existen otras disposiciones que tratan de aprovechar la orografiacutea del
terreno (por ejemplo una ladera orientada al Sur) o usan un concentrador secundario
para evitar los inconvenientes derivados de situar el receptor sobre una torre
La torre La funcioacuten de la torre es la de servir de soporte al receptor que
normalmente debe situarse a una cierta altura sobre el nivel del campo de helioacutestatos
para reducir las sombras y bloqueos entre eacutestos y a diversos elementos auxiliares
(blancos lambertianos sistemas de medida etc) Hasta hoy las torres construidas
han sido de estructuras metaacutelicas o de hormigoacuten
El receptor Es el dispositivo donde se produce la conversioacuten de la radiacioacuten solar
concentrada en energiacutea teacutermica
152 Disco Paraboacutelico (DP)
Los sistemas de discos paraboacutelicos se componen baacutesicamente en un reflector o en
un conjunto de reflectores que tienen forma de paraboloide de revolucioacuten Ademaacutes
poseen un receptor situado en el foco puntual de dicho paraboloide y de un sistema
de generacioacuten eleacutectrica compacto (un motor o una turbina maacutes un alternador) Por lo
general receptor y sistema de generacioacuten suelen formar parte de un mismo conjunto
El principio de funcionamiento es el mismo que para los CCPacutes es decir la radiacioacuten
concentrada por el paraboloide incide sobre el receptor donde se convierte en
energiacutea teacutermica (pudiendo alcanzar los 1500 oC que permite generar electricidad Los
elementos principales del colector Disco Paraboacutelico son los siguientes
Concentrador La forma de la superficie reflexiva en este tipo de sistema es la de
un paraboloide de revolucioacuten cuyo tamantildeo depende de la potencia nominal y de la
energiacutea que se desea generar en un determinado tiempo y bajo unas condiciones de
radiacioacuten determinadas
Receptor Es un sistema de discos paraboacutelicos que tienen dos funciones
fundamentales por un lado la de absorber la radiacioacuten solar reflejada por el
concentrador y por el otro transferir la energiacutea absorbida al fluido de trabajo de la
maacutequina asociada Hasta la fecha existen dos tipos de reflectores tubos
directamente iluminados por la reflexioacuten de los rayos y receptores de reflujo
11
Sistema de Seguimiento Con objeto de seguir la posicioacuten del sol en todo momento
los discos paraboacutelicos realizan un seguimiento de eacuteste en dos ejes Se realiza seguacuten
dos tipos de montaje
Seguimiento en acimut-elevacioacuten en el que el movimiento se realiza seguacuten dos
ejes el vertical y el horizontal
Seguimiento polar en el que el movimiento en un eje es muy lento pues solo se
debe seguir las variaciones estacionales del sol y el movimiento en el otro eje es a
velocidad constante
Actualmente el uso de discos paraboacutelicos para generar electricidad se encuentra en
fase de desarrollo en algunas plantas experimentales como la de Planta Solar de
Almeriacutea pero la falta de fiabilidad y su elevado coste constituyen los principales
obstaacuteculos para su introduccioacuten real en la generacioacuten eleacutectrica En cambio
atendiendo a la misma forma estructural y con el mismo principio de reflexioacuten en un
foco puntual del paraboloide de revolucioacuten es muy comuacuten encontrar a nivel
particular cocinas solares
Figura 4 Esquema de un Disco Paraboacutelico Fuente Greenpeace
12
153 Concentrador lineal Fresnel
Esta tecnologiacutea es la maacutes nueva de las cuatro que actualmente hay disponible para
los sistemas solares de concentracioacuten Son captadores de foco lineal en los que
largos reflectores que poseen ejes de giros independientes y paralelos reflejan la
radiacioacuten solar directa sobre un tubo receptor situado sobre ellos Es la tecnologiacutea
maacutes joven de las cuatro descritas por lo que existen actualmente solo dos plantas
comerciales en funcionamiento con una potencia eleacutectrica total de 64 MWe
Figura 5 Concentrador Lineal Fresnel
154 Colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Esta tecnologiacutea cilindro-paraboacutelica basa su funcionamiento en seguimiento solar y en
la concentracioacuten de los rayos solares en unos tubos receptores de alta eficiencia
teacutermica localizados en la liacutenea focal de los cilindros En estos tubos un fluido
transmisor de calor tal como aceite sinteacutetico es calentado aproximadamente a
400ordmC por los rayos solares concentrados El aceite es bombeado a traveacutes de una
serie de intercambiadores de calor para producir vapor sobrecalentado El calor
presente en este vapor se convierte en energiacutea eleacutectrica en una turbina de vapor
convencional Los colectores cilindro-paraboacutelicos se emplean maacutes a escala industrial
de 10 a 100 MW para la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica en un campo solar y en un
sistema de potencia En el campo solar la energiacutea de la radiacioacuten solar se transforma
en energiacutea teacutermica en una serie de filas paralelas de colectores cilindro-paraboacutelicos
cada uno de ellos con seguimiento solar La eficiencia durabilidad y costo de una
central con colectores cilindro-paraboacutelicos depende fuertemente de la estructura y
robustez del colector Un moacutedulo colector generalmente compuesto de elementos
de 12 m de largo conectados en serie puede tener hasta 150 m de longitud Sus
espejos paraboacutelicos reflejan la radiacioacuten solar y la concentran sobre un tubo
absorbente en su liacutenea focal (Sebastiaacuten 2011)
13
A principios del siglo pasado (1912) la primera planta de canal paraboacutelico fue
construida en Meadi Egipto para bombeo de agua Con 79 plantas 31425 MW
instalados esta tecnologiacutea es la maacutes madura de las tecnologiacuteas CSP (maacutes de 100
antildeos de experiencia en operacioacuten) (GESIME 2014)
Las primeras centrales con colectores cilindro-paraboacutelicos operan comercialmente en
California desde 1985 En este periodo de tiempo han generado maacutes de doce mil
millones de kilowatts hora de electricidad lo que es suficiente para suministrar
electricidad a aproximadamente doce millones de personas durante un antildeo Al igual
que en centrales teacutermicas con combustibles convencionales y tambieacuten en centrales
nucleares la corriente se genera en las centrales solares teacutermicas con una turbina a
vapor y un generador acoplado (Martiacuten 2017)
El Sistema de Generacioacuten de Energiacutea solar (en ingleacutes Solar Energy Generating
System SEGS) es un conjunto de nueve plantas con una capacidad total de 350 MW
Actualmente es el sistema solar operacional maacutes grande (tanto del tipo termal o no)
La planta Nevada Solar One tiene una capacidad de 64 MW Estaacuten en construccioacuten
las plantas Andasol 1 y 2 en Espantildea cada planta tiene una capacidad de 50 MW sin
embargo estas plantas son de un disentildeo que tiene un sistema de almacenamiento
de calor que requiere un terreno con colectores solares mayor en relacioacuten al tamantildeo
del que deberiacutea tener para su generacioacuten El almacenamiento de calor permite una
mejor utilizacioacuten de las turbinas de vapor Con una operacioacuten diurna y parcialmente
nocturna la turbina de vapor de Andasol 1 con una capacidad de punta de 50 MW
produce maacutes energiacutea que Nevada Solar One con una capacidad de punta de 64 MW
debido al sistema de almacenamiento de calor y un terreno de colectores maacutes grande
que posee la planta de Andasol 1(httpwwwwikipediaorg 2017)
Existiacutea la propuesta de instalar 553 MW adicionales en el Mojave Solar Park
California (David 2007) pero este proyecto fue cancelado en el antildeo 2011 Tambieacuten
IBERDROLA (2013) puso en marcha en Egipto la central de Kuraymat de 150
megavatios (MW) de potencia Se trata de una instalacioacuten pionera en el mundo dado
que incorpora una tecnologiacutea que utiliza de forma combinada el gas y la energiacutea solar
lo que contribuye a disminuir las emisiones de CO2 y a mejorar el rendimiento global
de la planta Tambieacuten se generan 25 MW de vapor como aporte para una planta de
gas en Hassi Rmel Argelia (wwwsolarbuzzcom 2016)
El gobierno de India ha comenzado a desarrollar una iniciativa llamada Jawaharlal
Nehru National Solar Mission (tambieacuten conocida como la misioacuten solar nacional) para
resolver el problema de abastecimiento de energiacutea eleacutectrica
(httpwwwwikipediaorg 2017)
14
Figura 6 Esquema de un CCP Fuente Greenpeace
En la figura 6 se pueden ver los elementos principales del conjunto del colector de
forma maacutes detallada se definen del siguiente modo
El Reflector Ciliacutendrico Paraboacutelico su misioacuten es la de reflejar y concentrar sobre el
Receptor la radiacioacuten solar directa incidente sobre la superficie A grandes rasgos es
un espejo curvo que forma en una de sus dimensiones una paraacutebola de forma que
concentra sobre su liacutenea focal toda la radiacioacuten reflejada Entre los materiales usados
para la reflexioacuten encontramos plaacutesticos recubiertos con peliacuteculas de plata o aluminio
chapas metaacutelicas o el maacutes usado vidrios sobre los que se depositan una capa de
plata junto con un protector de base de cobre y pintura epoxi
El tubo de absorcioacuten o Receptor El tubo absorbedor consta de dos tubos
conceacutentricos separados por un espacio de vaciacuteo El tubo interior por el que circula
el fluido calo-portador es metaacutelico y el exterior es de cristal
El tubo interior es tratado con un recubrimiento metaacutelico selectivo que puede consistir
en una fina capa de cromo niacutequel cobalto o alguacuten otro acabado logrado por
Sputtering o Deposicioacuten Fiacutesica de Vapor (PVD por sus siglas en ingleacutes) Dicho
recubrimiento otorga al tubo sus propiedades uacutetiles para eacuteste uso elevada
absortividad a lo largo de todo el espectro solar y una baja emisividad en el espectro
infrarrojo lo cual se traduce en un elevado rendimiento teacutermico El tubo exterior de
vidrio cumple dos propoacutesitos de igual importancia el primero es proteger el
recubrimiento selectivo del tubo interior y minimizar las perdidas teacutermicas por
conveccioacuten Para aumentar el rendimiento oacuteptico del captador es comuacuten la utilizacioacuten
de un tratamiento antireflexivo en ambas caras del tubo de vidrio que logra mejorar
15
la transmisividad Para lograr mantener el vaciacuteo necesario entre los dos tubos se suele
soldar cada tubo el de vidrio y el de metal por separado a un fuelle metaacutelico que
soporta las diferentes dilataciones de cada material al variar la temperatura Con esto
se logra flexibilizar la unioacuten entre los dos tubos evitando grietas por las que pudiera
ingresar aire al vaciacuteo Otro mecanismo que se utiliza para mantener el vaciacuteo son los
llamados getters en ingleacutes que son colocados en el vaciacuteo debido a su propiedad de
reaccionar quiacutemicamente o por absorcioacuten con cualquier moleacutecula de gas que pudiera
penetrar al espacio confinado atrapaacutendolo y asiacute manteniendo el espacio libre de
cualquier elemento
Figura 7 Esquema del tubo de absorcioacuten o Receptor
El Sistema de Seguimiento Solar El seguimiento del Sol se hace con el objetivo
de aprovechar la mayor parte de horas posibles de luz de forma que la radiacioacuten
solar llegue lo maacutes perpendicularmente posible al colector y se mantengan en el foco
lineal continuamente Los CCPacutes pueden tener seguimiento a dos ejes o a un uacutenico
eje Normalmente el seguimiento se realiza a un eje pues mecaacutenicamente es maacutes
sencillo esto implica menos costos y menores peacuterdidas teacutermicas por no haber
tuberiacuteas pasivas La orientacioacuten puede ser Norte-Sur o Este-Oeste Los mecanismos
de accionamiento que mueven al colector pueden ser eleacutectricos (apropiado para
equipos pequentildeos) hidraacuteulicos (para lazos de colectores) y mecaacutenicos (reloj de
pesas) (Paredes 2012)
16
Figura 8 Esquema del seguimiento solar a un eje de un CCP Fuente Greenpeace
Cimentacioacuten y estructura metaacutelica La cimentacioacuten soporta los colectores y los fija
al suelo de forma que el conjunto estructural soporte las cargas para las que fue
disentildeado La misioacuten de la estructura metaacutelica del colector es la de dar rigidez al
conjunto de elementos que lo componen a la vez que hacer de interface con la
cimentacioacuten del propio colector (Hidalgo 2012)
La tecnologiacutea cilindro paraboacutelica es una tecnologiacutea limpia madura y con un extenso
historial que demuestra estar preparada para la instalacioacuten a gran escala Esta
tecnologiacutea lleva siendo instalada a nivel comercial desde los antildeos 80 con un
excepcional comportamiento Desde entonces ha experimentado importantes
mejoras a nivel de costes y rendimientos Actualmente hay maacutes de 1 GWe en
operacioacuten maacutes de 800 MWe en construccioacuten y maacutes de 2 GWe en promocioacuten a nivel
mundial Por lo que es esta la tecnologiacutea maacutes segura a aplicar
16 Orientacioacuten del colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Los captadores cilindro paraboacutelicos suelen estar instalados en los campos solares de
tal manera que sus ejes de rotacioacuten queden orientados bien Norte-Sur o bien Este-
Oeste Con la configuracioacuten Este-Oeste las variaciones estacionales suelen ser
pequentildeas permitiendo tener un aporte teacutermico maacutes estable durante el antildeo a costa
de perder parte de la energiacutea anual disponible Con la configuracioacuten Norte-Sur esa
energiacutea anual suministrada es optimizada al maacuteximo con el punto en contra de tener
variaciones estacionales mucho mayores que con la configuracioacuten Este-Oeste que
en ocasiones y dependiendo de la latitud y de las condiciones atmosfeacutericas del
emplazamiento pueden suponer relaciones de 3 a 1 entre verano e invierno En el
caso de la planta Termo solar acoplada al economizador de la caldera para la
produccioacuten de electricidad de la UEB umlGeorge Washingtonuml se ha realizado el disentildeo
atendiendo al criterio de maximizacioacuten del aporte energeacutetico anual por lo que la
configuracioacuten elegida es la Norte-Sur
17
17 Peacuterdidas en un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Cuando la radiacioacuten solar alcanza la superficie de un colector paraboacutelico se pierde
una cantidad importante de ella debido a diferentes factores El total de las peacuterdidas
se puede dividir en tres grupos
171 Peacuterdidas geomeacutetricas Provocan la disminucioacuten del aacuterea efectiva de captacioacuten
solar de los colectores En un CCP se dividen en peacuterdidas debidas a la posicioacuten
relativa de los colectores entre siacute los cuales se pueden dar sombra unos a otros y
las peacuterdidas inherentes a cada colector que son motivo del aacutengulo de incidencia el
cual provoca que en los extremos del colector haya una peacuterdida de superficie reflexiva
uacutetil La existencia del aacutengulo de incidencia tambieacuten afecta a los valores de la
reflectividad absortividad y transmisividad ya que estos paraacutemetros presentan su
valor maacuteximo cuando el aacutengulo de incidencia es 0deg (Hidalgo 2012)
172 Peacuterdidas oacutepticas Se deben a imperfecciones en los materiales que componen
el colector la superficie del concentrador no es un reflector perfecto ni el vidrio del
tubo absorbedor es completamente transparente ni el recubrimiento selectivo del
tubo metaacutelico es un absorbedor perfecto Los cuatro paraacutemetros que intervienen en
las peacuterdidas oacutepticas de un canal paraboacutelico son la reflectividad de los espejos
paraboacutelicos la absortancia del tubo metaacutelico la transmitancia de la cubierta de vidrio
y el factor de interceptacioacuten (Hidalgo 2012)
Reflectancia ρ no toda la energiacutea incidente es reflejada hacia el tubo
absorbedor
Absortancia α cantidad de radiacioacuten que absorbe la superficie selectiva del
tubo metaacutelico
Transmitancia 120591 de aquella radiacioacuten que intercepta el tubo de vidrio solo
una parte consigue atravesarlo
Factor de interceptacioacuten γ no toda la radiacioacuten reflejada por los espejos
acaba incidiendo sobre el tubo absorbedor Las causas son diversas imperfecciones
en los espejos un mal posicionamiento de los colectores etc
173 Peacuterdidas teacutermicas Principalmente se encuentran asociadas a dos elementos
del sistema el tubo absorbedor y las tuberiacuteas de fluido teacutermico Las perdidas
asociadas estaacuten formadas por perdidas por conduccioacuten por conveccioacuten y por
radiacioacuten de los diferentes medios que conforman el conjunto del tubo absorbedor
es decir por el tubo metaacutelico la cubierta de cristal y la atmosfera De manera que
la potencia teacutermica disipada en el colector equivale a la suma de las peacuterdidas teacutermicas
en el receptor y las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas por donde circula el fluido
teacutermico (HTF) (Hidalgo 2012)
18
Peacuterdidas teacutermicas en el aceite teacutermico (HTF)
Las peacuterdidas teacutermicas asociadas al tubo absorbedor (119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905) se deben a la
diferencia de temperaturas entre eacuteste y el ambiente pudiendo ser por conduccioacuten
por radiacioacuten y por conveccioacuten desde el tubo absorbedor al ambiente Aunque cada
una de estas peacuterdidas podriacutea calcularse aplicando las ecuaciones que rigen los
mecanismos de transferencia de calor antes mencionados en la praacutectica las
peacuterdidas teacutermicas globales en un colector se cuantifican mediante ecuaciones
experimentales (Hidalgo 2012)
18 Rendimiento de un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Como consecuencia de todas las peacuterdidas oacutepticas geomeacutetricas y teacutermicas que
existen en un CCP la energiacutea teacutermica uacutetil que da un CCP es menor que la que dariacutea
en condiciones ideales cuando no existieran dichas peacuterdidas
En un CCP se suelen definir tres rendimientos diferentes y un paraacutemetro
I) Rendimiento oacuteptico con un aacutengulo de incidencia de 0ordm (rendimiento oacuteptico pico)
Tiene en cuenta todas las peacuterdidas oacutepticas que tienen lugar en el colector con un
aacutengulo de incidencia de 0ordm Su valor viene dado por el producto de estos cuatro
factores reflectividad de los espejos transmisividad del tubo de vidrio factor de
interceptacioacuten (que tiene en cuenta la parte de radiacioacuten reflejada que por cualquier
causa no alcanza el absorbente) y absortividad de la superficie selectiva que recubre
el tubo metaacutelico absorbente
II) Rendimiento teacutermico Considera todas las peacuterdidas teacutermicas que tienen lugar en
el colector
III) Rendimiento global Considera todas las peacuterdidas tanto oacutepticas como
geomeacutetricas y teacutermicas que tienen lugar en el colector
IV) Modificador por aacutengulo de incidencia Considera todas las peacuterdidas oacutepticas y
geomeacutetricas que tienen lugar en el colector para un aacutengulo de incidencia ϕ ne 0ordmy que
no se tienen en cuenta en rendimiento oacuteptico (peacuterdidas geomeacutetricas de final de
colector bloqueo de la radiacioacuten concentrada por parte de los soportes del tubo
absorbente e influencia del aacutengulo de incidencia en la absortividad y transmisividad
del tubo absorbente y en la reflectividad de los espejos) (Paredes 2012)
19 Disentildeos hiacutebridos
En general las formas de concentracioacuten de la energiacutea solar se pueden dividir en
tecnologiacuteas lineales y de enfoque puntual Los canales paraboacutelicos y los colectores
lineales Fresnel pertenecen a las tecnologiacuteas de enfoque lineal mientras que las
tecnologiacuteas de enfoque de puntos principales son el receptor central (torre solar) y el
reflector paraboacutelico (disco) Desde el punto de la disponibilidad del mercado y el
estado actual de desarrollo para el presente estudio de caso se han elegido las
siguientes tres opciones de tecnologiacutea Lineal Fresnel (LF) Ciliacutendrico Paraboacutelico
19
(CCP) y Torre Central (STC) Para todas las opciones de CSP nombradas hay
diferentes configuraciones de tecnologiacuteas posibles cuyo rango se muestra en la tabla
1 (E Burin 2016)
Tabla 1 Rangos para las 3 tecnologiacuteas posibles
Unidad LF CCP STC
Fluido teacutermico
(HTF)
- Aceite teacutermico
Agua
Sal
Aceite teacutermico
Agua
sal
Agua
Sal
Aire
Concentracioacuten - 25-100 70-80 300-1000
Rango de
temperatura
oC 380-600(ST) 380-600(ST) 565(ST)
Performance MWel 10-200 10-200 10-150
Capacidad de
corriente instalada
1 88 11
Proporcioacuten de las
obras (2012)
6 75 18
(ST) Steam Turbine
Fuente(Reuszlig 2012 Pitz-Paal 2013 REN 2013)
Debido a la diferente etapa de desarrollo teacutecnico de las tres tecnologiacuteas de CSP y
sus HTF para el estudio de caso se examinaron las siguientes combinaciones CCP
(aceite teacutermico) LF (agua vapor) y STC (agua vapor)
En cuanto a los disentildeos de integracioacuten de las tres tecnologiacuteas de CSP elegidas
desde el punto de vista termodinaacutemico es esforzarse por alcanzar un nivel de
temperatura lo maacutes alto posible para el calor solar agregado Por esa razoacuten el calor
solar agregado se usoacute aquiacute para proporcionar calor para el precalentamiento del agua
de alimentacioacuten a alta presioacuten asiacute como para la produccioacuten paralela de vapor
saturado y vapor vivo en paralelo con los generadores de vapor de bagazo Los
diagramas de flujo de proceso de los tres disentildeos de integracioacuten se muestran en la
siguiente figura
20
Figura 9 Diagramas de flujo de proceso de los tres disentildeos de integracioacuten posibles
En el disentildeo 1 el calor solar reemplaza completamente la extraccioacuten a alta presioacuten
de la turbina CEST Para este propoacutesito el campo solar proporciona en el punto de
disentildeo un rendimiento teacutermico equivalente a la demanda de calor requerida para el
calentador de agua de alimentacioacuten de alta presioacuten Debido al modo de operacioacuten de
ahorro de combustible este reemplazo y la cantidad reducida de bagazo quemado
afecta el rendimiento de la turbina CEST asiacute como la liacutenea de calentamiento del agua
de alimentacioacuten Debido a que no se realiza la extraccioacuten de vapor de alta presioacuten en
el tiempo en que el campo este trabajando se seleccionoacute las tecnologiacuteas CCP y LF
Cabe sentildealar que no es posible una operacioacuten de solo solar
El disentildeo de integracioacuten 2 permite una produccioacuten paralela de vapor saturado con
calor solar para reducir el consumo de bagazo Por lo tanto parte del flujo de masa
de agua de alimentacioacuten principal que va a los generadores de vapor se desviacutea Este
flujo maacutesico secundario pasa en el caso de CCP a traveacutes de un generador de vapor
solar tiacutepico mientras que en el caso de la LF se alimenta directamente al campo
solar En ambos casos se produce vapor saturado a 67 bar que luego se une al flujo
de masa principal dentro de los generadores de vapor para el sobrecalentamiento
En consecuencia el disentildeo de integracioacuten 2 solo afecta el rendimiento de los
21
generadores de vapor mientras que las condiciones de vapor vivo permanecen
iguales Al mantener el estudio de caso cerca de la viabilidad teacutecnica deben
respetarse las condiciones teacutecnicas de contorno de los generadores de vapor Con
el fin de evitar fuertes desequilibrios en estos componentes se asumioacute que se permite
reducir la carga del generador de vapor a un nivel miacutenimo del 85 Del mismo modo
este disentildeo no permite una operacioacuten solo solar
En el disentildeo de integracioacuten 3 el calor solar desplaza al generador de vapor de
carga teacutermica Una parte del agua de alimentacioacuten se deriva de los generadores de
vapor A medida que pasa a traveacutes del sistema de torre solar se produce vapor
sobrecalentado a 520 deg C y 67 bar Esta integracioacuten afecta solo el rendimiento teacutermico
de los generadores de vapor mientras que el ciclo agua vapor se opera en modo
normal En comparacioacuten con el disentildeo de integracioacuten 2 la operacioacuten de los
generadores de vapor se simplifica Eso significa que los generadores de vapor
funcionan aquiacute con una carga parcial normal de 100 a 65 de carga Con respecto
a eso al permitir una carga miacutenima del generador de vapor del 65 en el punto de
disentildeo solar la torre solar fue disentildeada para proporcionar todo el calor restante
necesario Cabe sentildealar que para el disentildeo de integracioacuten 3 es posible una
operacioacuten solo solar cuando la instalacioacuten de cantildea de azuacutecar estaacute fuera de servicio
Tabla 2 Muacuteltiplo solar simulado seguacuten la tecnologiacutea de CSP
Disentildeo Tecnologiacutea Muacuteltiplo solar
simulado
Disentildeo 1 CCP
LF
09 - 14
08 - 14
Disentildeo 2 CCP
LF
09 - 13
08 - 14
Disentildeo 3 STC 08 - 40
Seleccioacuten del Disentildeo y la tecnologiacutea
Luego del anaacutelisis acerca del disentildeo y la tecnologiacutea a emplear en este proyecto se
decidioacute elegir la tecnologiacutea de colectores ciliacutendricos paraboacutelicos (CCP) y el disentildeo
nuacutemero 1 Los colectores de canal paraboacutelico son los maacutes empleados en el mundo
actualmente y lleva siendo instalada a nivel comercial desde los antildeos 80 con un
excepcional comportamiento Desde entonces ha experimentado importantes
mejoras a nivel de costes y rendimientos Hoy diacutea hay maacutes de 1 GWe en operacioacuten
maacutes de 800 MWe en construccioacuten y maacutes de 2 GWe en promocioacuten a nivel mundial
22
Para las condiciones de nuestro paiacutes esta tecnologiacutea pudiera ser la maacutes factible y
segura tambieacuten contamos en Cuba con industrias que poseen capacidad
maquinaria y herramientas para llegar a construir gran parte del equipo como las
bases y estructuras metaacutelicas teniendo que importarse solamente el tubo
absolvedor Reduciendo esto los costos en gran medida ejemplo de esto es la faacutebrica
de antena de Santa Clara que ya han construido maquetas de un equipo de esta
tecnologiacutea y se encuentran en condiciones de comenzar una produccioacuten a mayor
escala
110 Influencia de la industria azucarera en Cuba
La escasez de recursos energeacuteticos primarios junto con la afectacioacuten ambiental
resultante de la utilizacioacuten irracional de la energiacutea asociada a la actividad humana
obliga a la buacutesqueda de fuentes alternativas en especial fuentes renovables de
energiacutea La biomasa ha sido fuente de energiacutea desde tiempos inmemoriales fue de
hecho el primer combustible que empleoacute el hombre pero no obstante sus milenios
de utilizacioacuten la biomasa continuacutea ocupando un lugar importante en la matriz
energeacutetica a nivel mundial y continuaraacute sieacutendolo La biomasa es un combustible
renovable se encuentra ampliamente distribuida a nivel mundial y resulta en muchas
ocasiones un subproducto de ciertos procesos productivos (agriacutecolas e industriales)
En Cuba existen diferentes tipos de biomasa con posibilidades econoacutemicas de
empleo entre las maacutes importantes estaacuten el bagazo y los residuos agriacutecolas de la
cantildea de azuacutecar la lentildea y el raleo de los bosques el marabuacute la cascara de arroz y
los residuos del cafeacute En la proyeccioacuten estrateacutegica de la generacioacuten de electricidad en
Cuba para el 2030 se considera que las fuentes renovables de energiacutea alcanzaran
el 24 del total (en la actualidad representan el 43 ) y la biomasa representaraacute el
14 del total por lo que ella representaraacute el 58 de la electricidad obtenida con
fuentes renovables Este proceso de generacioacuten de electricidad con biomasa se
centraraacute casi totalmente en la industria azucarera lo que conlleva a un problema
fundamental que consiste en que la zafra se realiza en tan solo 5 meses
aproximadamente y se necesita que la generacioacuten sea durante todo el antildeo En la
actualidad existen tecnologiacuteas disponibles y posibilidades para su empleo que
permiten valorar diferentes alternativas para incrementar sustantivamente el
potencial de generacioacuten eleacutectrica de los centrales azucareros como son las
bioeleacutectricas las cuales se plantea la instalacioacuten de alrededor de 25 en toda Cuba lo
que requiere de un suministro adicional de combustible para el resto del antildeo en que
no hay zafra Para esto planteamos en este trabajo la hibridacioacuten con un campo termo
solar que permita el ahorro de combustible y su posterior uso en los meses en que
no hay zafra
En nuestro paiacutes se sigue una poliacutetica de desarrollo sostenible y se ha comenzado
una serie de proyectos en la industria azucarera buscando modificaciones que
permitan un aumento en la energiacutea generada por toneladas de cantildea molida Para
23
esto se valoran aspectos como la variacioacuten de los paraacutemetros de explotacioacuten (presioacuten
y temperatura) de las plantas generadoras y las que consumen vapor mejorar el
secado del bagazo que se quema en las calderas hibridar los generadores de vapor
con energiacutea solar y aumentar la entrega al SEN haciendo un uso eficiente de la
electricidad que se consume asiacute como evitar las paradas imprevistas
Las Bioeleacutectricas suscitan hoy creciente intereacutes en el mundo y en Cuba ante la
necesidad de produccioacuten de energiacutea compatible con el medio ambiente Actualmente
una decena de naciones son paradigmas en el uso de esas instalaciones Isla
Reunioacuten India Isla Mauricio Australia Isla Guadalupe Belice Guatemala Estados
Unidos Costa Rica China y particularmente Brasil que posee 160 de 188 existentes
en el orbe Globalmente estas unidades tienen un potencia instalada de maacutes 2800
megavatios y de esa cifra al menos dos mil corresponden a Brasil secundado en
cuanto a cantidad de Bioeleacutectricas por India (14) Isla Mauricio (3) Isla Reunioacuten (2)
mientras que los restantes paiacuteses mencionados poseen una individualmente
(Salomoacuten 2016)
111 Propuesta para la hibridacioacuten de la bioeleacutectrica con energiacutea renovable
En el paiacutes se lucha hoy por un acercamiento hacia las tecnologiacuteas de energiacutea
renovables Con el propoacutesito de convertir todos los sistemas de generacioacuten de
energiacutea eleacutectrica en sistemas maacutes compatibles con el medio ambiente La hibridacioacuten
de la caldera del central George Washington consiste en disentildear un campo de
Colectores Ciliacutendricos Paraboacutelicos prototipo (EUROTrough-150) Con el fin de elevar
la temperatura del agua proveniente del proceso hasta los 260 oC e inyectarla al
economizador de la caldera para ahorrar bagazo que pudiera ser utilizado en los
restantes meses del antildeo cuando no hay zafra para la produccioacuten de energiacutea eleacutectrica
y su entrega al sistema energeacutetico nacional En el siguiente esquema se muestra la
propuesta planteada para la hibridacioacuten
24
Figura 10 Esquema de la hibridacion con colectores solares
25
Seguacuten un documento sobre eficiencia energeacutetica emitido por el Instituto Cubano de
Investigaciones Azucareras (ICINAZ) a todos los centrales del paiacutes se hace relacioacuten
en cuanto a la temperatura del agua de alimentacioacuten de la caldera y cuanto incide
esto en la eficiencia de dicha caldera Quedando que por cada 5 ordmC que se
incrementa la temperatura del agua de alimentacioacuten se incrementa 1 la eficiencia
de la caldera Siendo esto una justificacioacuten razonable para la propuesta planteada
que eleva la temperatura del agua de alimentacioacuten de 166 ordmC a 260 ordmC Alterando
la temperatura unos 94 ordmC influyendo esto en el aumento de la eficiencia en 18
puntos porcentuales
Conclusiones parciales
En este capiacutetulo se realizoacute una amplia revisioacuten bibliograacutefica que abordoacute el estado
del arte y avances tecnoloacutegicos maacutes importantes para los temas relacionados con
esta investigacioacuten que fueron el de energiacutea solar teacutermica y todo lo relacionado con
las bioeleacutectricas a nivel mundial y en nuestro paiacutes Tambieacuten se realizoacute un anaacutelisis
exhaustivo para la determinacioacuten de la tecnologiacutea de sistemas de concentracioacuten
solar lo que resulto que el sistema de Colectores Ciliacutendricos Paraboacutelicos prototipo
EUROTrough-150 es el maacutes factible para su instalacioacuten en Cuba y posteriormente
pudiera ser fabricado por industrias nacionales El disentildeo de incorporacioacuten del
campo al esquema termodinaacutemico de la bioeleacutectrica resulto ser maacutes factible y de
menores transformaciones tecnoloacutegicas en la estructura del central el de
incorporarlo antes de la caldera y que este inyecte el agua calentada directamente
al economizador realizando el salto teacutermico del agua en un intercambiador de calor
existente en la interseccioacuten del campo con la tuberiacutea del agua proveniente de las
bombas
26
Capiacutetulo 2 Materiales y Meacutetodos En este capiacutetulo se describen los programas y foacutermulas utilizadas para el caacutelculo de los objetivos planteados
La presente investigacioacuten se realizoacute desde enero hasta mayo del 2018 Para la realizacioacuten de los caacutelculos se utilizaron los softwares Engineering Equation Solver (EES) (2004) Matlab (2010) y Excel (2016)
Tabla 3 Condiciones de frontera para la bioeleacutectrica
21 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB uml George Washington uml
En este apartado se realizaraacute la evaluacioacuten del recurso solar disponible en el emplazamiento analizado El estudio del potencial solar en el emplazamiento consiste en el anaacutelisis de los datos de radiacioacuten disponibles el tratamiento de los mismos la estimacioacuten de las variabilidades asociadas y el caacutelculo de la produccioacuten una vez consideradas todas las peacuterdidas A la hora de evaluar el recurso solar y a falta de una medida precisa y especiacutefica en el propio emplazamiento se ha recurrido a diversas fuentes para la obtencioacuten de datos de radiacioacuten con el fin de realizar un ajuste estadiacutestico de los mismos y minimizar los errores asociados a ellos
Para el caacutelculo del potencial solar en la zona del central umlGeorge Washingtonuml fue necesario calcular la radiacioacuten solar directa (DNI) que incide en ese lugar y la duracioacuten diurna del diacutea
211 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa
Para el caacutelculo de la radiacioacuten solar directa en la zona de la UEB uml George Washington uml se tomaron como coordenadas de referencia la latitud y la longitud Lat 22587 Long -80244
Para ello se utilizaron modelos estadiacutesticos que permitieron obtener varios valores de radiacioacuten solar directa (DNI) teniendo en cuenta la posicioacuten geograacutefica del lugar y el diacutea del antildeo que se analiza dicha radiacioacuten En este caso se usoacute la foacutermula para condiciones normales
DNI = 1230 ∙ e^ (minus1
38∙cos∙(120579120579120579minus16)) (1)
27
Doacutende
Aacutengulo de incidencia solar θs El valor del aacutengulo de incidencia (θs) sobre la normal a una superficie plana estaacute dado por la siguiente foacutermulaθs
120579119904 = cosminus1(sin 119889 ∙ sin 119871 ∙ cos 119904 minus sin 119889 ∙ cos 119871 ∙ sin 119904 ∙ cos 119892 + cos 119889 cos 119871 ∙ cos 119904 ∙ cos 119908 +cos 119889 ∙ sin 119871 ∙ sin 119904 ∙ cos 119908 ∙ cos 119892 + cos 119892 ∙ sin 119904 ∙ sin 119892 ∙ sin 119908) (2)
Doacutende
d- Aacutengulo de declinacioacuten L- Latitud geograacutefica s- Inclinacioacuten del colector g- Orientacioacuten del colector w- Aacutengulo horario
212 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea (nuacutemero de horas en que el sol estaacute
sobre el horizonte)
119915 = 120784 ∙119934119930
120783120787 (3)
Doacutende
119830119826 = 119836119848119852minus120783(minus 119853119834119847 119923 ∙ 119853119834119847 119941) (4)
L-Latitud geograacutefica
d-Declinacioacuten
Se compararon los resultados de DNI por la metodologiacutea utilizada en este trabajo con la base de datos de la NASA (httpeosweblarcnasagovsse 2017)
Aun asiacute los lugares para desarrollar aplicaciones de energiacutea solar teacutermica por concentracioacuten deben cumplir con unos estaacutendares de acuerdo a la radiacioacuten solar perpendicular a la superficie incidente sobre un metro cuadrado para que sea eficiente dicha instalacioacuten lo cual se valora de la siguiente manera
Se tuvieron en cuenta los valores de radiacioacuten solar directa (kWm2diacutea) (GESIME 2014)
No idoacuteneos Hasta 1700 kWhmsup2antildeo (47 kWhmsup2diacutea)
Idoacuteneos Entre 1700 y 2700 kWhmsup2antildeo (47 y 74 kWhmsup2diacutea)
Oacuteptimos Maacutes de 2700 kWhmsup2antildeo (74 kWhmsup2diacutea)
28
213 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
El colector ciliacutendrico paraboacutelico que se propuso fue el (Eurotrough-150) cuyas caracteriacutesticas se observaran en la tabla4 y figura 11
Tabla 4 Caracteriacutesticas del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico Eurotrough-150 (ET-150)
Figura 11 Prototipo EUROTrough en la Plataforma Solar de Almeriacutea Espantildea
Para el caacutelculo del rendimiento global de un Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico hay que realizar un balance energeacutetico teniendo en cuenta las peacuterdidas que suceden en el mismo
Caracteriacutesticas um
Ancho de apertura 577 m
Longitud total de cada colector 150 m
Aacuterea de apertura del colector 8175 m2
Longitud focal 171 m
Longitud del absorbedor 41 m
Radio exterior del absorbedor 0035 m
Radio interior del absorbedor 00325 m
Distancia entre filas de colectores 17 m
Rendimiento Oacuteptico pico 78
Factor de ensuciamiento 95
Disponibilidad 97
29
214 Peacuterdidas geomeacutetricas
La geometriacutea del canal paraboacutelico lleva asociada una disminucioacuten del aacuterea efectiva de captacioacuten Estas peacuterdidas se dividen en dos grupos Peacuterdidas debidas a la posicioacuten relativa de los colectores los cuales se pueden dar sombra unos a otros Peacuterdidas inherentes a cada colector son las debidas al aacutengulo de incidencia de
la radiacioacuten solar (g) respecto a la normal del plano de apertura del colector (figura
12)
Figura 12 Aacutengulo de incidencia en un Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
Como consecuencia de este aacutengulo existe una peacuterdida de superficie reflexiva uacutetil en los extremos del colector Por tanto el aacutengulo de incidencia tiene gran importancia sobre el comportamiento teacutermico del colector puesto que limita la cantidad de radiacioacuten solar que se puede aprovechar Se hizo una comparacioacuten del aacutengulo de incidencia en cuanto a la orientacioacuten y el seguimiento solar del colector ciliacutendrico paraboacutelico
Si la orientacioacuten (g) es de Norte-Sur con seguimiento solar Este-Oeste g = 0ordm
Si la orientacioacuten (g) es de Este-Oeste con seguimiento solar Norte-Sur g = 90ordm
Declinacioacuten seguacuten foacutermula de Cooper (Ribot J 2001)
119889 = 2345 ∙ 119904119890119899 [360 ∙(284+119899)
365] (5)
Siendo ldquonrdquo el nuacutemero de diacutea natural para el 1 de enero n=1 y para el 31 de diciembre
n=365
El aacutengulo horario se calcula seguacuten la foacutermula
30
120591 = 15deg ∙ (ℎ119904 minus 12) (6)
Siendo ldquohsrdquo las horas de reloj El valor es negativo por la mantildeana y positivo tras el mediodiacutea y cero al mediodiacutea solar
Se consideroacute el aacutengulo horario 0ordm por ser el mediodiacutea solar donde maacutes radiacioacuten incide sobre la tierra con el objetivo de simplificar los caacutelculos
Se consideroacute el aacutengulo de inclinacioacuten igual a 0ordm (disposicioacuten horizontal) por ser maacutes eficiente
La latitud del lugar en estudio (UEB uml George Washington uml) Santo Domingo es de 22587ordm
Las peacuterdidas asociadas al aacutengulo de incidencia son miacutenimas cuando el aacutengulo es
0ordm cos 120579119904 = 1 y maacuteximas cuando es 90ordm Por tanto cuanto menor sea el aacutengulo de incidencia mayor es la energiacutea solar incidente sobre el colector y mayor es el rendimiento del mismo
215 Peacuterdidas oacutepticas
Caacutelculo del rendimiento oacuteptico pico del colector 120578119900119901119905119874119900 que es aquel que tiene en
cuenta todas las peacuterdidas oacutepticas que tienen lugar en el captador con un aacutengulo de incidencia de 0ordm 120578119900119901119905119874119900 = 120588 ∙ 120574 ∙ 120591 ∙ 120572 (7)
Donde
120588 Reflectancia no toda la energiacutea incidente es reflejada hacia el tubo absorbedor
120574 Factor de interceptacioacuten no toda la radiacioacuten reflejada por los espejos acaba incidiendo sobre el tubo absorbedor Las causas son diversas imperfecciones en los espejos un mal posicionamiento de los colectores etc
120591 Transmitancia de aquella radiacioacuten que intercepta el tubo de vidrio solo una parte consigue atravesarlo
α Absortancia cantidad de radiacioacuten que absorbe la superficie selectiva del tubo metaacutelico
Ademaacutes de las peacuterdidas debidas al aacutengulo de incidencia existen otras peacuterdidas que se asocian a dicho aacutengulo El efecto del aacutengulo de incidencia en el rendimiento del CCP se cuantifica mediante el modificador por aacutengulo de incidencia 119870(120579119904) Eacuteste considera todas las peacuterdidas oacutepticas y geomeacutetricas que tienen lugar en el captador
para un aacutengulo de incidencia 120579119904 ne 0ordm y que no se tienen en cuenta en el rendimiento oacuteptico pico
31
El modificador por el aacutengulo de incidencia depende directamente del aacutengulo de
incidencia siendo 119870(120579119904) = 1 para 120579119904 = 0deg y siendo 119870(120579119904) =0 para 120579119904 = 90deg y se
obtiene como funcioacuten de eacuteste seguacuten la expresioacuten
119870(120579119904) = 1 minus 223073 ∙ 10minus4 ∙ (120579119904) minus 11 ∙ 10minus4 ∙ (1205791199042) + 318596 ∙ 10minus6 ∙ (120579119904
3) minus 485509 ∙
10minus9 ∙ (1205791199044) (8)
216 Peacuterdidas teacutermicas
Las peacuterdidas teacutermicas que tiene lugar en un CCP dan como consecuencia que la energiacutea teacutermica uacutetil sea menor que la energiacutea solar absorbida por el colector Teniendo en cuenta esto la potencia teacutermica uacutetil por colector seraacute igual la diferencia entre los calores absorbido y perdido
119906119905119894119897 = 119886119887119904 minus 119901119890119903119889 (9)
Doacutende
119906119905119894119897 ∶ 119875119900119905119890119899119888119894119886 119905eacute119903119898119894119888119886 uacute119905119894119897 119901119900119903 119888119900119897119890119888119905119900119903 (119882)
119886119887119904 119862119886119897119900119903 119886119887119904119900119903119887119894119889119900 119901119900119903 119890119897 119891119897119906119894119889119900 119889119890 119905119903119886119899119904119891119890119903119890119899119888119894119886 119889119890 119888119886119897119900119903 (119867119879119865) (119882)
119901119890119903119889 119875eacute119903119889119894119889119886119904 119905eacute119903119898119894119888119886119904 119889119890119897 119867119879119865 119886119897 119886119898119887119894119890119899119905119890 (119882)
Peacuterdidas teacutermicas en el aceite teacutermico (HTF) Las peacuterdidas teacutermicas se producen a lo largo del circuito por donde se mueve el fluido teacutermico principalmente en dos lugares en el tubo absorbedor y en las tuberiacuteas del campo de colectores De manera que la potencia teacutermica disipada en el colector equivale a la suma de las peacuterdidas teacutermicas en el receptor y las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas por donde circula el fluido teacutermico (HTF)
119876119901119890119903119889 = 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 + 119875119890119903119889119905119906119887119890119903 (10)
Las peacuterdidas teacutermicas asociadas al tubo absorbedor 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 se deben a la diferencia de temperaturas entre eacuteste y el ambiente pudiendo ser por conduccioacuten por radiacioacuten y por conveccioacuten desde el tubo absobedor al ambiente Aunque cada una de estas peacuterdidas podriacutea calcularse aplicando las ecuaciones que rigen los mecanismos de transferencia de calor antes mencionados en la praacutectica las peacuterdidas teacutermicas globales en un colector se cuantifican mediante ecuaciones experimentales Asiacute las peacuterdidas teacutermicas en el tubo absorbedor por metro longitudinal de colector vienen dadas por la ecuacioacuten
119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 =1198751198901199031198891+1198751198901199031198892+1198751198901199031198893+1198751198901199031198894
119879119904minus119879119890 (11)
32
Doacutende
1198751198901199031198891 = (1198600 + 1198605 ∙ radic119907) ∙ (119879119904 minus 119879119890) (12)
1198751198901199031198892 = (1198601 + 1198606 ∙ radic119907) ∙ (119879119904
2minus1198791198902
2minus 119879119886119898119887 ∙ (119879119904 minus 119879119890)) (13)
1198751198901199031198893 = (1198602+1198604∙119863119873119868∙119870(120579119904)∙cos(120579119904)
3∙ (119879119904
3 minus 1198791198903)) (14)
1198751198901199031198894 =1198603
4∙ (119879119904
4 minus 1198791198904) (15)
Siendo
119879119904 Temperatura del HTF a la salida del campo solar
119879119890 Temperaturas del HTF a la entrada del campo solar
119879119886119898119887 Temperatura ambiente
119907 Velocidad del viento (ms)
Los coeficientes empleados en las foacutermulas se recogen en la tabla 5
Tabla 5 Coeficientes de peacuterdidas teacutermicas
A0 405
A1 0247
A2 -000146
A3 565E-06
A4 762E-08
A5 -17
A6 00125
En general las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas (119875119890119903119889119905119906119887119890119903 ) del campo de colectores son pequentildeas del orden de 8 Wm2 Finalmente la potencia teacutermica disipada por el aceite teacutermico a su paso por un colector es
33
119901119890119903119889 = 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 ∙ 119871119888119900119897119890119888119905119900119903 + 119875119890119903119889119905119906119887119890119903 ∙ 119878119888 (16)
Doacutende
119878119888 Aacuterea de apertura del colector (Ver tabla 1)
Un colector como todos los sistemas de concentracioacuten de la energiacutea solar solo puede aprovechar la radiacioacuten solar que incide normal a su plano de apertura De esta forma la energiacutea solar por unidad de tiempo y en el punto de disentildeo que incide sobre la superficie de apertura de un CCP viene dada por la ecuacioacuten
119904119900119897 = 119863119873119868 ∙ cos(120579119904) ∙ 119878119888 (17)
La potencia absorbida por el colector 119886119887119904 va a ser menor que la 119904119900119897 ya que eacutesta uacuteltima no tiene en cuenta las peacuterdidas oacutepticas y geomeacutetricas en el colector ni la limpieza de los espejos ni la disponibilidad del campo solar La radiacioacuten solar absorbida en un colector CCP viene dada por la ecuacioacuten
119886119887119904 = 119863119873119868 ∙ cos(120579119904) ∙ 119878119888 ∙ 119870 ∙ (120579119904) ∙ Ƞ1199001199011199050ordm ∙ 119865119888 ∙ 119865119889119894119904119901 (18)
Siendo
119865119888 Factor de ensuciamiento de los espejos (95 )Tiene en cuenta que aunque los espejos se limpien no recuperan su estado inicial 119865119889119894119904119901 Factor de disponibilidad (97 ) Fraccioacuten del campo solar que estaacute en
operacioacuten y captando la energiacutea solar El rendimiento global de un CCP viene dado por el cociente entre el aumento de entalpia en el HTF a su paso por el colector y la energiacutea solar incidente sobre el captador
Ƞ119888119900119897119890119888 =119876119906119905119894119897
119876119904119900119897 (19)
22 Dimensionamiento del campo solar de la zona de la UEB uml George
Washington uml
El dimensionamiento del campo solar consiste en determinar el nuacutemero de CCPs (o nuacutemero de lazos) necesarios para aportar la energiacutea que demanda este en el punto de disentildeo (Hidalgo 2012)
Para dimensionar el campo solar es necesario evaluar las condiciones del terreno
donde se va a realizar el montaje de los colectores y hacer un balance energeacutetico
del generador de vapor solar
34
221 Caracterizacioacuten del terrero
Se tuvo en cuenta el relieve y el tamantildeo del terreno cercano al central lo que resulto favorable para abaratar la inversioacuten en cuanto a movimientos de tierra y compra de terrenos Los recursos hiacutedricos ya tienen una infraestructura creada puesto que son necesarios para el proceso que realiza la faacutebrica actualmente Esto se basa en posos que bombean el agua hasta los filtros donde se realiza el tratamiento externo al agua y van luego al proceso todo este sistema ya se encuentra instalado y en buenas condiciones lo que resulta de gran ayuda para el proyecto futuro de Bioeleacutectrica
222 Balance energeacutetico en el generador de vapor solar (GVS)
Para calcular el nuacutemero de lazos necesarios en el campo solar es preciso conocer primero la potencia teacutermica que puede aportar el campo solar en el punto de disentildeo esto se determina mediante la foacutermula
119888119886119898119901119900 =119882119890119897119890119888119905
120578119905119906119903119887 (20)
Doacutende
119888119886119898119901119900 Potencia teacutermica del campo solar
119882119890119897119890119888119905 Potencia eleacutectrica de la turbina
120578119905119906119903119887 Eficiencia termo-mecaacutenica de la turbina (Se asumioacute de 68)
Seguidamente hay que establecer el balance de masas y energiacutea en el Generador de vapor solar (GVS) El GVS se disentildea para recuperar la energiacutea del fluido teacutermico procedente del campo solar Para el intercambiador de calor (GVS) se cumple que la cantidad de calor transferido por unidad de tiempo permanece constante o lo que es lo mismo la energiacutea total es la misma antes y despueacutes de cada transformacioacuten El balance energeacutetico en un intercambiador de calor se resuelve mediante la ecuacioacuten
119886119892119906119886 ∙ ∆119867119886119892119906119886 = 119886119888119890119894119905119890 ∙ ∆119867119886119888119890119894119905119890 (21)
Ademaacutes para cada fluido de forma individual se cumple que
= 119886119888119890119894119905119890 ∙ 119862119901119886119888119890119894119905119890∙ ∆119879 = 119898119886119888119890119894119905119890 ∙ (ℎ119904 minus ℎ119890) (22)
Doacutende
∆H Diferencia de entalpiacuteas a la entrada y a la salida del intercambiador (kJkg)
Q Potencia teacutermica intercambiada (kW)
35
m Caudal maacutesico (kgs) Cp Calor especiacutefico (kJkg ordmC)
∆T Diferencia de temperaturas a la entrada y la salida del intercambiador (ordmC) hs he Entalpiacuteas a la entrada y a la salida respectivamente (kJKg) Y seguacuten el teorema de conservacioacuten de la masa se tiene que
119890119899119905119903119886 = 119904119886119897119890
223 Caacutelculo del nuacutemero de lazos
Los caacutelculos que se han desarrollado en los acaacutepites anteriores constituyen los datos de partida para el caacutelculo del nuacutemero de colectores requeridos en el campo solar para poder alcanzar la potencia teacutermica demandada al campo solar
Caracteriacutesticas del aceite teacutermico (HTF)
El aceite teacutermico que se ha empleado como fluido calo-portador es Therminol VP-1 cuyo rango de temperatura de trabajo se encuentra entre 12-400ordmC La temperatura a la salida del campo solar no debe excederse de los 400ordmC ya que para temperaturas superiores el aceite se degrada y pierde sus propiedades teacutermicas A continuacioacuten se presentan las graacuteficas correspondientes a variacioacuten de densidad y entalpiacutea del aceite teacutermico Therminol VP-1 con la temperatura figuras 13 y 14 respectivamente y que han sido elaboradas a partir de datos del fabricante
Figura 13 Therminol VP-1 Entalpiacutea vs Temperatura
36
Figura 14 Therminol VP-1 Densidad vs Temperatura(Hidalgo 2012)
Para determinar el nuacutemero de lazos necesarios en el campo solar se ha seguido la siguiente metodologiacutea de caacutelculo
Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF
Incremento de temperatura del HTF en un colector
Nuacutemero de colectores necesarios por lazo Nuacutemero de lazos en el campo solar
224 Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF por cada lazo
El caudal de aceite estaacute controlado por la temperatura de salida del campo Cuando la radiacioacuten solar es baja el flujo se reduce con el objetivo de mantener la temperatura de salida del campo y por el contrario cuando la radiacioacuten solar es superior a la del punto de disentildeo los colectores se desenfocan para evitar que el aceite exceda los 393ordmC La velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor se calcula a partir de la expresioacuten del nuacutemero de Reynolds
119877119890 =119907∙119863∙120588
120583 (23)
Doacutende
119907 Velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor (ms) (Se asumioacute una
velocidad de 3 ms la cual es una velocidad econoacutemica)
119877119890 Nuacutemero de Reynolds (-)
120583 Viscosidad dinaacutemica del HTF a la temperatura media de trabajo (Pas)
119863 Diaacutemetro interior del tubo absorbedor (m)
120588 Densidad del HTF a la temperatura media de trabajo (kgm3)
37
Para cumplir con los requisitos de flujo turbulento el caudal miacutenimo de aceite que circula por un lazo en el punto de disentildeo es
= 119907 ∙ 119878 ∙ 120588 (24)
Siendo S en m2 la seccioacuten transversal interior del tubo absorbedor
225 Incremento de temperatura del HTF en un colector
La potencia teacutermica uacutetil del colector se invierte en aumentar la temperatura del aceite De esta forma el incremento de temperatura que sufre el aceite teacutermico a su paso por un colector es decir desde que entra en el colector y hasta que sale del mismo es
∆119879119888119900119897119890119888 = 119879119904 minus 119879119888 =uacute119905119894119897
∙119862119901 (25)
∆119879119888119900119897119890119888 Incremento de temperatura del aceite teacutermico en el colector (ordmC)
119879119888 119879119904 Temperatura del HTF a la entrada y a la salida del colector respectivamente
(ordmC)
119906119905119894119897 Potencia teacutermica uacutetil por colector (W)
Caudal maacutesico de aceite teacutermico por colector (kgs)
119862119901 Calor especiacutefico del aceite teacutermico a la temperatura media de trabajo (kJkg ordmC)
226 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
El incremento total de temperatura del HTF por lazo ΔT lazo es igual a la diferencia entre las temperaturas a la salida y a la entrada del campo solar Por tanto el nuacutemero teoacuterico de colectores en serie por lazo seraacute igual a
119873119888119900119897119890119888 =∆119879119897119886119911119900
∆119879119888119900119897119890119888 (26)
119873119888119900119897119890119888 Nuacutemero teoacuterico de colectores por lazo
∆119879119897119886119911119900 Incremento de temperatura por lazo (ordmC)
Esto implica el salto teacutermico y caudal maacutesico por lazo que es necesario tener el aceite para asiacute poder alcanzar la temperatura de entrada del agua en el economizador
227 Nuacutemero de lazos en el campo solar
A diferencia del nuacutemero de colectores que viene fijado por el salto de temperatura del aceite teacutermico en el campo el nuacutemero de lazos paralelos que conforman el campo solar depende de la potencia teacutermica demanda por el campo El nuacutemero de lazos es igual al cociente entre la potencia teacutermica del campo solar y la potencia teacutermica uacutetil por colector
38
119925119949119938119963119952 =119940119938119950119953119952
uacute119957119946119949 119935119949119938119963119952 (27)
Doacutende
119925119949119938119963119952 Nuacutemero de lazos
119940119938119950119953119952 Potencia teacutermica del campo solar (kW)
uacute119957119946119949 Potencia teacutermica uacutetil por lazo (kW)
23 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un
antildeo)
Para el caacutelculo de las toneladas de CO2 dejadas de emitir se utilizaraacute el iacutendice de
generacioacuten de una planta convencional de combustible foacutesil que para Cuba es de
270 gkWh Con este iacutendice y el aumento de la produccioacuten de energiacutea eleacutectrica con
la incorporacioacuten del campo solar se calcularaacute el ahorro de combustible foacutesil y a este
valor de combustible sustituido y el uso de los factores de emisioacuten de CO2 mostrados
en la siguiente (tabla 6) se podraacute determinar cuaacutentas toneladas de CO2 es capaz de
evitar la instalacioacuten del campo solar
Tabla 6 Factores de emisioacuten de especies especificadas
Tecnologiacutea CO (gkgf) SO2 (gkgf) NO2eq (gkgf) PM10
(gkgf)
CO2
(kgkgf)
CIE-HFO 24 27 128 528 306
CIE-DO 12 4 84 195 313
Fuente (EPA 2004)
24 Factibilidad econoacutemica del proyecto
Para el caacutelculo de la rentabilidad econoacutemica se optimizoacute la dimensioacuten del campo solar que fuera maacutes rentable para este trabajo donde se tuvo en cuenta el nuacutemero de lazos necesarios del campo y la tasa interna de retorno
241 Valor actual neto (VAN)
El VAN permite calcular el valor presente de un determinado nuacutemero de flujos de caja futuros originados por una inversioacuten teniendo en cuenta la peacuterdida de valor del dinero en el tiempo a traveacutes de una tasa de descuento (Martiacutenez 2017) y se calcula mediante la siguiente ecuacioacuten
39
(28)
Donde
119868119900 Costo inicial de la inversioacuten FC Flujo de caja n El tiempo para el cual se requiere calcular el VAN i La tasa de descuento Meacutetodo de caacutelculo mediante el Excel Para calcular el VAN es necesario conocer el flujo de caja teniendo en cuenta los ingresos y los gastos Ingresos El ingreso es debido a la venta de energiacutea eleacutectrica a la red para ello se utilizoacute un precio de 021 (USDkWh) Ingresos por ventas
119868119899119892119903119890119904119900=119875119903119890119888119894119900 (119880119878119863119896119882ℎ)lowast119864119899119890119903119892iacute119886 (29) Gastos Costo fijo de operacioacuten y mantenimiento Se calcula primero la inversioacuten total mediante la ecuacioacuten siguiente
119894119899119907119890119903119904119894oacute119899 119905119900119905119886119897=119862119900119904119905119900 119906119899119894119905119886119903119894119900 119889119890 119894119899119907119890119903119904119894oacuten (119880119878119863119896119882119890)lowast119875119900119905119890119899119888119894119886 (kWe) (30) Entonces se calcula el costo fijo de operacioacuten y mantenimiento
119862119891=119894119899119907119890119903119904119894oacute119899 119905119900119905119886119897lowast02 (31) Donde
119862119891 Costo fijo de operacioacuten y mantenimiento
Costo variable de operacioacuten y mantenimiento
119862119907=119864119899119903119892iacute119886 (119896119882ℎ)lowast002(119880119878119863119896119882ℎ) (32)
Donde
119862119907 Es el costo variable de operacioacuten y mantenimiento A continuacioacuten se calcula la utilidad antes de impuesto que es la diferencia entre los ingresos y los costos de operacioacuten fijo y variable 119880119879119860=119894119899119892119903119890119904119900minus(119862119891+119862119907) (33)
Donde
119880119879119860 Es la utilidad antes de impuesto o neta Entonces el impuesto en Cuba es del 35 de la utilidad neta
40
119868119898119901119906119890119904119905119900=035lowast(119880119878119863) (34)
El flujo de caja quedariacutea como
119865119888=119880119879119860 (119880119878119863)minus119868119898119901119906119890119904119905119900 (119880119878119863) (35)
Teniendo el flujo de caja se puede calcular el VAN aplicando la tasa de descuento
del 10
Si VAN gt 0 El proyecto es rentable
Si VAN = 0 El proyecto es postergado
Si VAN lt 0 El proyecto no es rentable
242 Tasa interna de retorno (TIR)
Se define como la tasa de descuento que iguala el VAN a cero
Si TIR gt tasa de descuento (r) El proyecto es aceptable
Si TIR = tasa de descuento (r) El proyecto es postergado
Si TIR lt tasa de descuento (r) El proyecto no es aceptable La TIR es aquella tasa de descuento que iguala el valor actual de la corriente de cobros con el valor actual de la corriente de pagos por lo que es la tasa de descuento que hace al VAN igual a cero y puede utilizarse como indicador de la rentabilidad de un proyecto se utiliza como uno de los criterios para decidir sobre la aceptacioacuten o rechazo de un proyecto de inversioacuten (Martiacutenez 2017) y se puede expresar de la siguiente forma
(36) Para simplificacioacuten de los caacutelculos se utilizoacute el software Microsoft Excel que de forma iterativa busca este valor se utilizoacute la estimacioacuten de los flujos de caja para 25 antildeos al igual que para el caacutelculo del VAN
243 Periacuteodo de recuperacioacuten de la inversioacuten
El periacuteodo de recuperacioacuten se cumple cuando la suma de los flujos de caja consecutivos desde el primer antildeo da como resultado el valor de la inversioacuten pero teniendo en cuenta el efecto del tiempo sobre el dinero Calculado de esta manera se conoce como periacuteodo de recuperacioacuten de la inversioacuten descontado Para obtenerlo se hallaron todos los flujos de caja para 25 antildeos consecutivos que es el tiempo de estudio del proyecto entonces se le restoacute el descuento correspondiente a cada antildeo y se graficoacute el resultado quedando como una curva
41
Conclusiones parciales
En este capiacutetulo se realizoacute un estudio de la metodologiacutea de caacutelculo para la
realizacioacuten del dimensionamiento del campo solar para la tecnologiacutea de colectores
cilindro paraboacutelico para esto se escogioacute la metodologiacutea planteada por (Hidalgo
2012) Siendo fundamental el estudio de la radiacioacuten solar de la zona en que estaacute
situada la instalacioacuten Tambieacuten se tuvo en cuenta el acceso a los recursos hiacutedricos
y la cercaniacutea a la red eleacutectrica nacional lo cual no tuvo ninguna dificultad puesto
que donde se pretende ubicar el campo ya existe una instalacioacuten con todas estas
necesidades cubiertas que es el central al cual se pretende convertir en
bioeleacutectrica Luego de estos anaacutelisis y una vez dimensionado el campo solar se
realizoacute el caacutelculo de la rentabilidad econoacutemica seguacuten lo planteado por (Martiacutenez
2017) planteaacutendose como principales indicadores econoacutemicos el costo nivelado de
la energiacutea generada costo de inversioacuten VAN y TIR El impacto ambiental se tuvo
en cuenta mediante el caacutelculo de las emisiones de CO2 dejadas de emitir si la
energiacutea generada con el excedente de bagazo ahorrado por la insercioacuten del campo
hubiera sido generada por una planta teacutermica convencional
42
Capiacutetulo 3 Resultados y Discusioacuten
En este capiacutetulo se exponen los resultados de los caacutelculos efectuados y a la vez se
interpreta el porqueacute de estos asiacute como la discusioacuten de las bibliografiacuteas consultadas
31 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB umlGeorge Washington uml
311 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa
Para el caacutelculo de la radiacioacuten solar directa (DNI) primeramente se halloacute el aacutengulo
de declinacioacuten de cada mes Dicho aacutengulo se anuloacute para el 22 de Marzo y el 23 de
Septiembre puesto que ocurren los equinoccios momento del antildeo en que el sol estaacute
situado en el plano del ecuador terrestre y alcanzoacute el valor maacuteximo positivo el 22 de
Junio y el valor maacuteximo negativo el 22 de diciembre diacuteas en que ocurren los
solsticios que son los momentos del antildeo en los que el sol alcanza su mayor o menor
altura aparente en el cielo y la duracioacuten del diacutea o de la noche son las maacuteximas del
antildeo respectivamente (figura 15)
Figura 15 Aacutengulo de declinacioacuten para los diferentes meses del antildeo
Los valores de DNI que inciden en la zona de la UEB umlGeorge Washingtonuml se
mantuvieron como promedio por encima de 10 kWhm2diacutea seguacuten la metodologiacutea
de caacutelculo empleada siendo oacuteptimos para la instalacioacuten de este tipo de tecnologiacutea
Esto pudiera ser debido a que por la metodologiacutea de caacutelculo solo se tuvo en cuenta
la latitud geograacutefica y el diacutea del antildeo en que se analizoacute dicha radiacioacuten por esta
razoacuten se observoacute que sus valores fueron mayores que los valores de radiacioacuten solar
-30
-20
-10
0
10
20
30
Gra
dos s
exagesim
ale
s
Aacutengulo de declinacioacuten
43
directa que aporta la base de datos de la NASA (httpeosweblarcnasagovsse
2017) como promedio 506 kWhm2diacutea y los aportados por el Instituto de
Meteorologiacutea cubano para esta zona (como promedio 582 kWhm2diacutea) idoacuteneo para
este tipo de tecnologiacutea de los datos de radiacioacuten analizados se utilizoacute para los
caacutelculos siguientes de dimensionamiento del campo los aportados por el instituto de
meteorologiacutea cubano por ser los maacutes especiacuteficos y detallados de todas las fuentes
consultadas Algunos meses como noviembre y diciembre no alcanzan el valor
idoacuteneo de 47 kWhm2-diacutea sin embargo (La Rosa 2014) planteoacute que Cuba se
localiza en una zona geograacutefica de alta radiacioacuten solar y que se caracteriza por la
gran cantidad de diacuteas soleados en el antildeo
Figura 16 Comparacioacuten entre el DNI calculado por la metodologiacutea el aportado por la NASA
y el obtenido por el Instituto de Meteorologiacutea cubano
En cada metro cuadrado del territorio cubano se recibe diariamente una cantidad de
energiacutea solar equivalente a medio kilogramo de petroacuteleo combustible valor
promedio praacutecticamente invariable durante todo el antildeo Otra de las caracteriacutesticas
de la radiacioacuten solar en Cuba es que su valor es casi igual en todo el paiacutes ya que
la diferencia en latitud desde el lugar maacutes bajo hasta el maacutes alto es de soacutelo 3 grados
Por lo tanto la radiacioacuten solar en Cuba es utilizable en todo el territorio y durante
todo el antildeo con un valor medio de maacutes de 5 kWhm2diacutea tanto en su forma de
bioenergiacutea o biomasa energiacutea hidraacuteulica energiacutea eoacutelica o directamente convertida
en calor o electricidad (Beacuterriz 2000)
0
2
4
6
8
10
12
14
DN
I (k
Whm
2-d
iacutea)
meses
Radiacioacuten solar
Calculado NASA Meteorologiacutea cubana
44
312 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea
Luego de haber calculado la semiduracioacuten diurna en grados sexagesimales (WS)
para cada diacutea del antildeo en la zona de la UEB umlGeorge Washingtonuml se calcularon las
horas de luz solar durante el diacutea lo cual se muestra promediado en la tabla 7 donde
se ve que esta es mayor que 10 horas asiacute como tambieacuten se observa que son maacutes
largos los diacuteas en los meses de verano (Abril-Agosto)
Tabla 7 promedio de horas de sol al diacutea por meses del antildeo
32 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
Se realizoacute el balance energeacutetico del CCP teniendo en cuenta las peacuterdidas que
sucedieron en el mismo debido a su fabricacioacuten y a su posicioacuten
321 Peacuterdidas geomeacutetricas
Peacuterdidas debidas a la posicioacuten relativa de los colectores
En este trabajo no se tuvo en cuenta las peacuterdidas por sombras ya que se asumioacute
que la construccioacuten de estos colectores iba a estar lo suficientemente separados
para que no se pudieran dar sombra unos a otros
Peacuterdidas inherentes a cada colector
Se comparoacute el aacutengulo de incidencia en cuanto a la orientacioacuten y el seguimiento solar
del colector ciliacutendrico paraboacutelico Se seleccionoacute la orientacioacuten N-S con seguimiento
solar E-O por lo que se seleccionoacute para el caacutelculo del resto de las variables (g = 0)
Para la inclinacioacuten del colector se tomoacute con eje horizontal (s = 0) Se consideroacute el
aacutengulo horario 0ordm por ser el mediodiacutea solar donde maacutes radiacioacuten incide sobre la
tierra con el objetivo de simplificar los caacutelculos
Con los datos calculados anteriormente se halloacute el aacutengulo de incidencia (figura 17)
En este caso se observa que a diferencia de la radiacioacuten solar directa el aacutengulo de
incidencia es menor para los meses de verano reafirmando que a menor aacutengulo de
incidencia mayor la radiacioacuten que va a captar el colector
enero febrero marzo abril mayo junio julio agosto septiembre octubre noviembre diciembre
108 112 119 125 131 134 132 127 121 114 109 106
45
Figura 17 Aacutengulo de incidencia por meses para una orientacioacuten N-S con seguimiento solar
E-O
322 Peacuterdidas oacutepticas
Las caracteriacutesticas oacutepticas del colector ET-150 se reflejaron en la tabla 8 y con estas
se calculoacute el rendimiento oacuteptico
Tabla 8 Caacutelculo del rendimiento oacuteptico
Rendimiento oacuteptico
ntilde Reflectividad superficie reflectora 090
ocirc Transmisividad del cristal absorbedor 095
aacute Absortividad del tubo del absorbedor 096
ɣ Factor de interceptacioacuten 095
Ƞopt0ordm= 078
Cuanto mayor es el valor del rendimiento oacuteptico mayor seraacute el rendimiento del
captador Asiacute cuanto mayor sea el valor de las variables que lo definen mejor seraacute
el rendimiento de los captadores (Rojas 2013)
Ademaacutes de las peacuterdidas debidas al aacutengulo de incidencia existen otras peacuterdidas que
se asocian a dicho aacutengulo El efecto del aacutengulo de incidencia en el rendimiento del
CCP se cuantifica mediante el modificador por aacutengulo de incidencia 119870(120579119904)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Gra
do
s se
xage
sim
ale
s
Aacutengulo de incidencia
46
323 Peacuterdidas teacutermicas
Se calculoacute la potencia teacutermica uacutetil la potencia teacutermica absorbida y la potencia
teacutermica perdida La energiacutea teacutermica uacutetil fue menor que la energiacutea teacutermica absorbida
Esto es debido a las peacuterdidas teacutermicas que se presentan en este tipo de tecnologiacutea
Durante los meses de verano existioacute un descenso de las diferentes potencias
calculadas a causa de las condiciones de nubosidad (lluvia) para esta eacutepoca del
antildeo (figura 18) Para los meses de invierno las potencias decrecieron debido a la
disminucioacuten de la radiacioacuten solar tiacutepico en esta eacutepoca del antildeo
Figura 18 Energiacutea solar por unidad de tiempo radiacioacuten solar absorbida en un colector
peacuterdidas teacutermicas y potencia teacutermica uacutetil para todos los meses del antildeo
Estas peacuterdidas teacutermicas influyeron negativamente en el rendimiento global del
colector CCP ET-150 que tuvo un valor aproximado al 70 Para los meses de
verano hubo un mayor rendimiento aunque este se vio afectado por la nubosidad
El funcionamiento teacutermico de cualquier captador solar estaacute determinado por el
llamado rendimiento global definido como la relacioacuten entre la potencia teacutermica que
es capaz de proporcionar o potencia teacutermica uacutetil y la potencia procedente del Sol
que se tome como referencia No toda la potencia solar puede ser absorbida por el
receptor Existen una serie de peacuterdidas de energiacutea debidas tanto a la geometriacutea y
oacuteptica del captador como a las propiedades de los materiales del propio receptor
que hay que tener en cuenta (Rojas 2013)
16
161
162
163
164
165
166
167
168
169
17
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Qp
er(
kW
h)
Qso
lu
til(
kW
h)
meses
Peacuterdidas teacutermicas
Qsol Qutil Qperd
47
33 Dimensionamiento del campo solar
331 Caracterizacioacuten del terrero
El terreno del central George Washington es llano desprovisto de grandes
obstaacuteculos que puedan crear dificultades en la construccioacuten del campo y crear
sombras que entorpezcan la radiacioacuten del sol en los espejos reflectores Estaacute
cercano a la carretera y consta con posos que facilita el acceso a los recursos
hiacutedricos en el emplazamiento Estaacute solucionado el problema de la conectividad a la
red eleacutectrica nacional puesto que el central ya contaba con esta infraestructura Por
lo tanto posee las condiciones idoacuteneas para la instalacioacuten de un campo solar
332 Balance energeacutetico en el intercambiador de calor
A partir de la temperatura que se quiere elevar el agua de alimentacioacuten de la caldera
(260 oC) y el flujo de esta (255 kgs) se determina una cantidad de energiacutea teacutermica
que debe suministrar el campo para suplir esta demanda Dicha energiacutea teacutermica se
logra a traveacutes de la radiacioacuten solar captada por los colectores la cual es transferida
en forma de calor a un fluido portador en este caso aceite HTF Este necesita un
determinado flujo para absorber toda esa energiacutea y luego transferirla al agua Los
caudales necesarios para la captacioacuten de este calor se encuentran en la (tabla 9)
Tabla 9 Paraacutemetros termodinaacutemicos en el intercambiador de calor
Datos Agua de
alimentacioacuten Aceite teacutermico
Caudal(kgs) 255 462
Temperatura(ordmC) 166 300
Presioacuten (bar) 67 25
Entalpiacutea (kJkg) 6974 490
Con estos datos se concluye que para calentar un flujo de agua de 255 kgs (a
temperatura de 166ordmC y presioacuten de 67 bar) hasta alcanzar una temperatura de
260ordmC se necesita un flujo de energiacutea teacutermica de 106225 kW lo cual es
proporcionada por 462 kgs de aceite teacutermico proveniente del campo solar que estaacute
a una temperatura de 300ordmC y presioacuten de 25 bar
48
333 Caacutelculo del nuacutemero de lazos
3331 Caacutelculo del caudal miacutenimo de circulacioacuten del fluido de transferencia de
calor (HTF) por cada lazo
Para que exista un flujo turbulento por el interior del tubo absorbedor a una velocidad
del fluido econoacutemica de 3 ms el caudal miacutenimo de circulacioacuten debe ser de 86 kgs
(tabla 10)
Tabla 10 Caudal miacutenimo de circulacioacuten del fluido de transferencia de calor (HTF) por
cada lazo
Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF por cada lazo 86 kgs
Nuacutemero de Reynolds 874E+5
Velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor 3 ms
Viscosidad dinaacutemica del HTF a la temperatura media de
trabajo 194E-04 kgmmiddots
Densidad del HTF a la temperatura media de trabajo 870 Kgm3
3332 Incremento de la temperatura del HTF en un colector
Para calentar el flujo de aceite de 200 a 300ordmC lo cual equivale a un salto teacutermico
por lazo de 100ordmC es necesario 4 colectores por lazo Por tanto el salto de
temperatura promedio del HTF a su paso por un colector es aproximadamente de
283ordmC (tabla 11)
Tabla 11 Salto de temperatura promedio del HTF a su paso por un colector
meses ∆119931119949119938119963119952() ∆119827119836119848119845119838119836() 119821119845119834119859119848119852
Enero 100 248 40
Febrero 100 263 38
Marzo 100 301 33
Abril 100 343 29
Mayo 100 333 30
Junio 100 318 31
Julio 100 325 31
Agosto 100 330 30
Septiembre 100 286 35
Octubre 100 262 38
Noviembre 100 202 50
Diciembre 100 186 54
49
3333 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
El nuacutemero de colectores necesarios por lazo para cada mes se refleja en la (tabla
12) Con este resultado se concluye que la cantidad de colectores totales que debe
tener cada lazo del campo solar es aproximadamente de 4
Tabla 12 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo para cada mes del antildeo
Meses Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
Enero 40
Febrero 38
Marzo 33
Abril 29
Mayo 30
Junio 31
Julio 31
Agosto 30
Septiembre 35
Octubre 38
Noviembre 50
Diciembre 54
3334 Nuacutemero de lazos en el campo solar
Al ser la potencia teacutermica del campo solar 106225 kW y ser la potencia teacutermica uacutetil
promedio por lazo aproximadamente de 26556 kW el nuacutemero de lazos necesarios
por campo solar debe ser aproximadamente de 4
Para generar 106 MW teacutermico con una radiacioacuten promedio de 5355 Wm2 para todo
un antildeo la dimensioacuten del campo solar debe ser de 44448 m2 Esto se logra con un
total de 4 lazos con 4 colectores cada uno
334 Caacutelculo del ahorro de bagazo propiciado por el campo
Una de las ideas fundamentales de este proyecto es el ahorro de bagazo para su
uso fuera de temporada y asiacute no parar la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica por la
ausencia de combustible Para esto se halloacute el iacutendice de generacioacuten con el campo
(tabla 13) quedando un ahorro de maacutes de 25 mil toneladas de bagazo Pudiendo
dar un margen de 30 diacuteas maacutes de generacioacuten de electricidad lo que equivale a maacutes
de 14 mil MWe
50
Tabla 13 Generacioacuten en el periacuteodo de zafra y ahorro de bagazo propiciados por el campo
solar
Generacioacuten eleacutectrica total 111063 MWh
Iacutendice de generacioacuten sin campo 500 kWhtb
Iacutendice de generacioacuten con campo 575 kWhtb
Ahorro de bagazo 251586 TonZafra
Porciento de bagazo ahorrado 14
Generacioacuten con el excedente de Bagazo 14463 MWh
Seguacuten los datos de la tabla 13 y suponiendo que la zafra sea de 120 diacuteas sin contar
las paradas este resultado extenderiacutea la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica a 232 diacuteas
aproximadamente maacutes de la mitad del antildeo y solo se necesitariacutea para los restantes
133 diacuteas del antildeo abastecerse por medio de otra fuente como pudiera ser bagazo
aportado por centrales cercanos que funcionaran como tributarios o utilizar otro
combustible complementario como los residuos agriacutecolas cantildeero lentildea o carboacuten de
marabuacute
34 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un
antildeo)
Para el caacutelculo se halloacute el ahorro de combustible foacutesil con la incorporacioacuten del campo
solar De la (tabla 14) mostrada en el capiacutetulo anterior se tomoacute el valor para las
emisiones de CO2 que fue de 306 kgkgf lo que reflejoacute los siguientes resultados
Tabla 14 Ahorro de combustible y emisiones de CO2 dejadas de emitir propiciado por el campo
Iacutendice de generacioacuten de una planta
teacutermica convencional en Cuba 270 gkWh
Ahorro de combustible Foacutesil 3888 TCC
CO2 dejado de emitir 11897 Ton
35 Factibilidad econoacutemica del proyecto
Para los caacutelculos de factibilidad econoacutemica en este proyecto se ha tomado los
siguientes valores (tabla 15)
51
Tabla 15 Valores necesarios para el caacutelculo de la factibilidad econoacutemica
Precio de la electricidad 021 $kWh
Impuestos 30
Tasa de descuento 10
Vida uacutetil 25 antildeos
Tambieacuten se tuvieron en cuenta los costos de inversioacuten del campo solar (tabla 16)
Tabla 16 Costos de Inversioacuten del campo solar Fuente (IDEA 2013)
Captacioacuten y concentracioacuten de
energiacutea solar
Campo solar(CCP)
espejos 35 Eur m2
apertura
130800 m2
457800
euros
estructuras
metaacutelicas
72 Eur m2
apertura
13080
m2
941760
euros
sistemas de
posicionamiento
6600 Eurunid
16
unidades
108585
euros
movimiento de
tierras
21 Eur m2
apertura
13080
m2 27468000 euros
cimentacioacuten 37 Eur m2
apertura
13080
m2 48396000 euros
montaje 43 Eur m2
apertura
13080
m2 56244000 euros
nave de montaje 545 Eur m2
apertura
13080
m2 7128600 euros
costo total
2900511
euros
Sistema de conversioacuten solar teacutermico
aceite teacutermico 283 Eurkg
100
Kg 283 euros
tubos
absorbedores
892 Eurtubo
16
tubos
14675
euros
juntas rotativas 190 Eur unid 33 unidades 625187 euros
tuverias valvulas y
accesorios
13400 Eurlazo 4 lazos 4915834 euros
sistTrasiego
aceites
87000 Eurlazo 4 lazos 31916236 euros
sistPurificacioacuten
de aceite
380000 Eur unid 1 unidades 380000 euros
ProteccContra
incendios
11400 Eurlazo 1 lazos 11400 euros
sistInertizacioacuten 5900 Eurlazo 1 lazos 5900 euros
52
Intercambiador
aceite-vapor
240 EurkW 10623 kWe 2549400 euros
calderas GV 53 EurkWt - 0 euros
costo total 33362310 euros
TOTAL DEL COSTO DE INVERSIOacuteN
9137253
euros
9959606
doacutelares
Tabla 17 Costos de operacioacuten y mantenimiento (OampM) del campo solar en millones de
euros (MEUR MWantildeo) Fuente (IDEA 2013)
Personal 001 MEUR MWantildeo
Mantenimiento 004 MEUR MWantildeo
Otros 002 MEUR MWantildeo
total 007 MEUR MWantildeo
Tabla 18 Costos de operacioacuten y mantenimiento (OampM) del campo solar en MEUR Fuente
(IDEA 2013)
Potencia del
campo solar
11 MW
Personal 011
Mantenimiento 042
Otros 021
total 074
Esto equivale a un costo fijo de 1772000 doacutelares en operacioacuten y mantenimiento
Paraacutemetros operativos
Venta de electricidad 21 centkWh
Produccioacuten de electricidad solar 144626 MWhantildeo
Costos OampM campo solar 289252 USD antildeo
Costo nivelado de la energiacutea generada
Este costo se determinoacute al sumar los costos variables el de inversioacuten total y los
costos de operacioacuten y mantenimiento luego se dividioacute entre la generacioacuten total de
la planta en los 25 antildeos de vida uacutetil de esta tecnologiacutea quedando de 0032$kWh
351 Tasa interna de retorno (TIR)
Con un campo de 16 colectores y para las condiciones de este proyecto se obtuvo
una TIR de
TIR= 30
La TIR calculada fue mayor que la tasa de descuento por tanto el proyecto es
aceptable
53
352 Valor actual neto (VAN)
El valor actual neto es positivo con un valor que asciende a $ 34116545 por lo que
se cumple la condicioacuten de VAN mayor que cero por lo que el proyecto es rentable
353 Periacuteodo de recuperacioacuten (PR)
El tiempo en que se recupera esta inversioacuten es de aproximadamente 9 antildeos (figura
18)
Los costos de inversioacuten incluyen costes de Ingenieriacutea obtencioacuten de los permisos
necesarios y autorizaciones administrativas obra civil y equipo electromecaacutenico
Los beneficios corresponden a las ventas anuales de electricidad una vez
deducidos los gastos de operacioacuten y mantenimiento En general se estima en el
sector que para que una inversioacuten sea interesante el periacuteodo de recuperacioacuten no
debe exceder de 7 antildeos (Penche 1998) Este proyecto excede en dos antildeos lo
planteado por (Penche 1998) aunque sigue siendo factible e interesante para las
condiciones del paiacutes ya que como plantea el problema de investigacioacuten el principal
intereacutes de este trabajo es aumentar los diacuteas de generacioacuten de electricidad Debido
al problema que presenta Cuba con los iacutendices de generacioacuten se hace necesario
una mejora en este sector a toda costa priorizando esto quedando asiacute los periodos
de recuperacioacuten por detraacutes de este intereacutes primordial
Figura 19 Periacuteodo de recuperacioacuten en antildeos
Teniendo en cuenta estos tres iacutendices econoacutemicos calculados que se tuvieron en
cuenta para la rentabilidad econoacutemica de este proyecto se obtiene como resultado
que dicho proyecto es econoacutemicamente factible
-15000000
-10000000
-5000000
0
5000000
10000000
15000000
20000000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Doacutela
res
Antildeos
Periacuteodo de recuperacioacuten de la invercioacuten
54
Conclusiones
La tecnologiacutea de plantas hibridas solar-biomasa para el caso de Cuba es
potencialmente factible a partir de los valores encontrados de radiacioacuten solar
directa en todo el territorio alcanzando estos maacutes de 5 kWhm2-dia durante
todo el antildeo siendo favorable para la implementacioacuten de esta tecnologiacutea
El rendimiento global de cada colector tiene un valor aproximado del 70
debido a las peacuterdidas geomeacutetricas oacutepticas teacutermicas y por las condiciones
meteoroloacutegicas del lugar puesto que al ser Cuba una isla rodeada de mar
hay ocurrencia de un gran nuacutemero de precipitaciones y cielos nublados al
antildeo que afectan considerablemente el factor de disponibilidad del campo
solar
El campo solar tendraacute 4 colectores por lazo y 4 lazos por campo con una
potencia teacutermica de 106 MW lo que representa un aacuterea de casi 45 ha
aumentaacutendose el iacutendice de generacioacuten de electricidad de la planta con su
conversioacuten en planta hibrida (solar-biomasa) de 500 kWhtb a 575 kWhtb
Con la implementacioacuten del proyecto propuesto (hibridacioacuten biomasa-energiacutea
solar) se puede lograr un ahorro de 251586 toneladas de bagazo por zafra
lo que equivale a 30 diacuteas adicionales de generacioacuten eleacutectrica de la planta lo
que extenderiacutea la generacioacuten en la bioeleacutectrica a unos 230 diacuteas acercaacutendose
cada vez maacutes a lo previsto por la poliacutetica existente en el paiacutes de conversioacuten
de centrales en bioeleacutectricas de llegar a los 300 diacuteas Pudieacutendose saldar los
70 diacuteas faltantes con combustibles alternativos como el RAC y el marabuacute con
gran abundancia en nuestros campos
La implementacioacuten en la UEB George Washington de la hibridacioacuten permitiriacutea
anualmente con el excedente de bagazo obtenido una generacioacuten de
electricidad adicional de 145 GWh con una disminucioacuten de 11897 toneladas
de emisiones de CO2 funcionando como una fuente de empleo considerable
para los habitantes de este lugar
El estudio de la hibridacioacuten solar-biomasa en la UEB George Washington
indica que un proyecto de este tipo es factible con una inversioacuten de casi 10
millones de doacutelares logra como resultados maacutes importantes un VAN de maacutes
de 34 millones una TIR de 30 un PRD de aproximadamente 9 antildeos y un
costo nivelado de la electricidad de 0032 $kWh valor de gran motivacioacuten
para la implementacioacuten de esta tecnologiacutea
55
Recomendaciones
Extender el estudio de factibilidad de plantas de energiacutea hiacutebridas biomasa
solar a otros centrales azucareros del paiacutes que se prevean convertir en
bioeleacutectricas
Incluir en la metodologiacutea de anaacutelisis empleada en este trabajo para futuros
estudios otro tipo de tecnologiacuteas de concentracioacuten como pudiera ser la de
colector lineal Fresnel cuya aplicacioacuten ha venido en aumento en los uacuteltimos
antildeos a nivel mundial
Profundizar en el estudio de factibilidad de este proyecto analizando la
influencia de la variacioacuten de paraacutemetros como el salto entaacutelpico en el
intercambiador de calor del campo solar para la optimizacioacuten del disentildeo del
campo solar
56
Bibliografiacutea
BEacuteRRIZ L MADRUGA E 2000 Cuba y las fuentes renovables de energiacutea CUBASOLAR pp 29
CENGEL Y 2012 Termodinaacutemica Meacutexico DF
DAVID A 2007 Business and Finance Israeli Company to build largest solar park in world in US [Online] Available (httpwwwynetnewscom) [Accessed 10 febrero 2018]
E BURIN T V S MULTHAUPT A THELEN G OELJEKLAUS K GOumlRNER E BAZZO 2016 Thermodynamic and economic evaluation of a solar aided sugarcane bagasse cogeneration power plant THE 28TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON EFFICIENCY COST OPTIMIZATION SIMULATION AND ENVIRONMENTAL IMPACT OF ENERGY SYSTEMS
EPA Factor Information REtrieval (FIRE) Software Technology Transfer Network Clearinghouse for Inventories amp Emissions Factors 2004
GACETA 2007 Estrategia Ambiental Nacional Ministerio de Justicia 30 ed Gaceta Oficial Republica de Cuba
GESIME 2014 Conceptualizacioacuten del programa de desarrollo de la energiacutea solar teacutermica en Cuba 2014-2020 MINEM Desarrollado por grupo de desarrollo de la energiacutea solar teacutermica Grupo Empresarial de la Industria Sidero-Mecaacutenica 36
GUTIEacuteRREZ E 2013 ldquoEl azuacutecar cubano adquiere protagonismo energeacuteticordquo Diarios latinoamericanos de Tierrameacuterica
HERRERA I 2016 Poligeneration Workshop KTH Universidad Central Marta Abreu de Las Villas
HIDALGO L 2012 Estudio Teacutecnico-econoacutemico de una central hiacutebrida solar-ciclo combinado Proyecto final de carrera para optar por el tiacutetulo ingeniero teacutecnico de minas Departamento de sistemas energeacuteticos 79
HTTPEOSWEBLARCNASAGOVSSE 2017 Surface Meteorology and Solar Energy [Online] [Accessed 22 noviembre]
HTTPWWWWIKIPEDIAORG 2017 Energiacutea solar teacutermica [Online] [Accessed 17 diciembre 2017]
IDEA 2013 Plan de Energiacuteas (PER) 2011-2020 Instituto para la Diversificacioacuten y Ahorro de la Energiacutea
LA ROSA D 2014 Recuperacioacuten de la disponibilidad de generacioacuten en el ciclo combinado de Energas Varadero con aporte termosolar httpwwwcubasolarcu
MARTIacuteN S 2017 Colector ciliacutendrico paraboacutelico Available from httpwwwtecnoblogsanmartinwordpresscom]
57
MARTIacuteNEZ L 2017 Conjunto de alternativas tecnoloacutegicas para la ingenieriacutea conceptual del estudio de oportunidad de la conversioacuten en bioeleacutectrica del central George Washington Trabajo de diploma Universidad Central ldquoMarta Abreurdquo de Las Villas
MAXWELL E L RENNE DS 1994 Measures of Renewable Energy National Renewable Energy Laboratory
PAREDES C 2012 Disentildeo de captador solar ciliacutendrico paraboacutelico para aplicaciones rurales en Paraguay Proyecto final de carrera para optar por el tiacutetulo de ingeniero teacutecnico de minas Especialidad en recursos energeacuteticos combustibles y explosivos 57
PENCHE C 1998 Manual de pequentildea hidroeleacutectrica D I R E C C I Oacute N G E N E R A L D
E E N E R G I A ( D G X V I I ) 259
PETROLEUM B 2006 BP Statistical Review of World Energy June 2006 Quantifying Energy
PETROLEUM B 2018 Statistical Review of World Energy [Online] Available httpwwwbpcomenergyoutlook [Accessed 12 febrero de 2018]
PITZ-PAAL 2013 Solar thermal power plants BINE-Themeninfo FIZ Karlsruhe GmbH
REN 2013 Global Status Report Paris
REUszlig N 2012 Modern Gas- amp Steam Turbines in Solarthermic Applications 14th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery Honolulu
RIBOT J E A ROVIRA P ROVIRA A BAROacuteN JL 2001 Curso de Energiacutea Solar Centro de Tecnologiacutea Educativa CTE Barcelona Espantildea Obra completa 4ta edicioacuten Leccioacuten 3 El potencial real de la energiacutea solar
RODRIacuteGUEZ J 2015 Metodologiacutea para la caracterizacioacuten termoeconoacutemica de plantas hiacutebridas de generacioacuten de electricidad Tesis Doctoral Universidad Politeacutecnica de Madrid
ROJAS E 2013 Energiacutea Solar Teacutermica Observatorio de energiacutea renovable para Ameacuterica Latina y Caribe Programa de capacitacioacuten de energiacuteas renovables ONUDI 68
SALOMOacuteN R 2016 ldquoBioeleacutectricas despiertan creciente intereacutes mundialrdquo
SALOMOacuteN R 2018 Biomasa fuente de electricidad inagotable para Cuba Diaacutelogos del Sur Prensa Latina de La Habana
SEBASTIAacuteN E 2011 Sistemas de colector ciliacutendrico paraboacutelico para generar energiacutea httpeliseosebastiancom
SHILLING Z NORMAN 2003 IGCC Clean Power Generation Alternative For Solid Fuels Product Line Leader
58
WWWSOLARBUZZCOM H 2016 Abener Signs Contract for Solar Thermal Electric-Combined Cycle Hybrid Plant [Online] [Accessed 16 diciembre 2017]
311 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa 42
312 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea 44
32 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP) 44
321 Peacuterdidas geomeacutetricas 44
322 Peacuterdidas oacutepticas 45
323 Peacuterdidas teacutermicas 46
33 Dimensionamiento del campo solar 47
331 Caracterizacioacuten del terrero 47
332 Balance energeacutetico en el intercambiador de calor 47
333 Caacutelculo del nuacutemero de lazos 48
3331 Caacutelculo del caudal miacutenimo de circulacioacuten del fluido de transferencia de calor
(HTF) por cada lazo 48
3332 Incremento de la temperatura del HTF en un colector 48
3333 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo 49
3334 Nuacutemero de lazos en el campo solar 49
334 Caacutelculo del ahorro de bagazo propiciado por el campo 49
34 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un antildeo)
50
35 Factibilidad econoacutemica del proyecto 50
351 Tasa interna de retorno (TIR) 52
352 Valor actual neto (VAN) 53
353 Periacuteodo de recuperacioacuten (PR) 53
Conclusiones 54
Recomendaciones 55
1
Introduccioacuten
Las tendencias en el aumento de las temperaturas medias y el consecuente
calentamiento global son ya una amenaza para la vida existen en el presente
evidencias de sus impactos y Cuba no se encuentra exenta ejemplo de ello son
Degradacioacuten de los suelos (erosioacuten drenaje salinidad acidez compactacioacuten entre
otros) Estos afectan grandes extensiones de superficie agriacutecola del paiacutes (Gaceta
2007) Tambieacuten se ha visto maacutes recientemente el aumento de la intensidad de los
ciclones y la cantidad de estos que se forman anualmente Un ejemplo de esto fue el
huracaacuten Irma que azotoacute la isla a finales del antildeo 2017 siendo este de categoriacutea 5
afectando a casi todo el territorio nacional causando grandes dantildeos materiales Papel
protagoacutenico en este resquebrajamiento de la salud del planeta lo tiene el uso
indiscriminado de los combustibles foacutesiles Actualmente la mayor parte de la
generacioacuten de energiacutea teacutermica en el mundo estaacute basada en hidrocarburos
provenientes del petroacuteleo y gas natural cuyas reservas probadas permitiraacuten satisfacer
la demanda soacutelo para algunos antildeos maacutes ya que se cuenta con estudios que
demuestran que las reservas de petroacuteleo mundial solo constan con aproximadamente
15 mil millones de barriles lo necesario para satisfacer las necesidades de la
poblacioacuten mundial por tan solo 506 antildeos (Petroleum 2018) Aun cuando hubiese
suficientes recursos foacutesiles para cubrir la creciente demanda el problema estaacute
relacionado con la contaminacioacuten especiacuteficamente con las altas emisiones de CO2 y
muchos otros que afectan seriamente el ecosistema
Se han realizados esfuerzos importantes por parte de la comunidad internacional
para la proteccioacuten del medio ambiente como son el protocolo de Montreal el protocolo
de Kioto y el tratado de Paris Bajo estos acuerdos internacionales es donde la
tecnologiacutea relacionada con el aprovechamiento de la radiacioacuten solar se reconoce
como una solucioacuten apropiada para la generacioacuten de energiacutea teacutermica y eleacutectrica Se
debe recordar que la transformacioacuten de la radiacioacuten solar es la fuente primordial de
las tecnologiacuteas renovables ya que el viento olas hidroeleacutectrica e incluso biomasa
son resultado de la potencia proveniente del Sol (Maxwell 1994 Shilling 2003)
Si bien las fuentes renovables de energiacutea tienen gran potencial econoacutemico sin olvidar
desde luego su bajo impacto ambiental hasta la fecha no han sido ampliamente
explotadas y comercializadas Lo anterior se debe principalmente al costo de
inversioacuten relativamente alto para desarrollar estas tecnologiacuteas Ademaacutes estos
sistemas no han tenido un mayor despliegue debido a la intermitencia y
requerimientos de almacenamiento de energiacutea por lo que es comuacuten que se opte por
fuentes convencionales Sin embargo en los sistemas con fuentes renovables
ademaacutes de su bajo impacto ambiental un punto que se debe considerar es el costo
2
de operacioacuten ya que estas tecnologiacuteas no presentan consumo de combustible para
su operacioacuten Asiacute la amortizacioacuten de los sistemas con fuentes renovables ocurre por
el ahorro de los costos asociados al consumo de combustible Dado que la energiacutea
solar en su forma primaria es gratuita el reto es disentildear sistemas de captacioacuten y
aprovechamiento que transformen esta energiacutea con sistemas que sean econoacutemicos
y faacutecilmente operables Sin embargo para el aprovechamiento de la energiacutea solar se
tiene como primera limitante su baja densidad de potencia comparada con los
combustibles foacutesiles por lo que se busca sistemas con elevada eficiencia de
conversioacuten Otra limitante es su intermitencia ya sea por el ciclo diacutea-noche o bien por
condiciones atmosfeacutericas adversas como lluvia o nublados y por la estacionalidad
En Cuba las energiacuteas renovables solo representan 46 por ciento de la generacioacuten
eleacutectrica y el resto lo aportan los combustibles foacutesiles de esto la industria azucarera
aporta el 35 por ciento Existe en Cuba un programa nacional de fuentes renovables
de energiacutea y eficiencia energeacutetica El plan para elevar la eficiencia energeacutetica
contempla que para 2030 un total de 25 ingenios generen un excedente de 872 MW
conectados a la red del Sistema Eleacutectrico Nacional Para alcanzar este objetivo se
modernizan los ingenios para transformarlos en modernas plantas bioeleacutectricas Las
inversiones estimadas estaacuten en el orden de los 1290 millones de doacutelares que se
pretenden obtener de diversas formas (Gutieacuterrez 2013)
Este trabajo tiene como propoacutesito estudiar la integracioacuten de energiacutea solar teacutermica con
biomasa para la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica y teacutermica en los esquemas
energeacuteticos de las bioeleacutectricas en Cuba Se tomaraacute como caso de estudio la Unidad
Empresarial de Base uml George Washington uml donde se evaluaraacute incorporar al
economizador de la caldera de vapor agua calentada por un campo solar compuesto
por colectores ciliacutendrico paraboacutelico prototipo EUROTrough-150 Se espera con la
introduccioacuten de esta tecnologiacutea ahorrar bagazo para que sea utilizado en la eacutepoca
pos zafra por la bioeleacutectrica que se preveacute instalar alliacute La caldera del Central basa su
funcionamiento en utilizar como combustible el bagazo residual del proceso de la
elaboracioacuten de azuacutecar
Problema
La insuficiente biomasa cantildeera para que las bioeleacutectricas alcancen al menos 300 diacuteas
de generacioacuten de energiacutea al antildeo causa que los periacuteodos de recuperacioacuten de la
inversioacuten en esta tecnologiacutea sean muy prolongados siendo una posible solucioacuten la
hibridacioacuten de biomasa cantildeera con energiacutea solar teacutermica de concentracioacuten
Se planteoacute la siguiente hipoacutetesis
Si se realiza un estudio de factibilidad de combinar la energiacutea solar teacutermica con la
biomasa cantildeera en las condiciones de Cuba se lograraacute economizar biomasa cantildeera
3
para que las bioeleacutectricas alcancen al menos 300 diacuteas de generacioacuten de energiacutea al
antildeo y a la vez lograr que se reduzcan los periacuteodos de recuperacioacuten de las inversiones
de las bioeleacutectricas en el paiacutes
Por todo lo antes expuesto y para la realizacioacuten de este trabajo de ingenieriacutea se
definioacute el siguiente objetivo general
Estudiar la factibilidad de combinar la energiacutea solar teacutermica de concentracioacuten con
biomasa cantildeera para aumentar la generacioacuten de electricidad al menos 300 diacuteas al
antildeo en las bioeleacutectricas en Cuba
Y como objetivos especiacuteficos
Determinar el potencial solar en la zona central del paiacutes para seleccionar la
tecnologiacutea de concentracioacuten solar y el esquema maacutes factible de hibridacioacuten en la
bioeleacutectrica para las condiciones de Cuba
Realizar el dimensionamiento oacuteptimo del campo solar teacutermico de concentracioacuten para
inyectar energiacutea al ciclo de las bioeleacutectricas proyectadas
Analizar la factibilidad de una propuesta de bioeleacutectrica hiacutebrida biomasa-solar
mediante el uso de indicadores econoacutemicos como el costo nivelado de la energiacutea
generada costo de inversioacuten VAN y TIR asiacute como el impacto ambiental causado
por esta para el caso de estudio UEB umlGeorge Washingtonuml
4
Capiacutetulo 1 Revisioacuten Bibliograacutefica
En este capiacutetulo se realizoacute una recopilacioacuten seleccioacuten y anaacutelisis de la literatura
consultada que constituye el marco teoacuterico del trabajo Se reconocieron las
contribuciones de otros autores buscaacutendose una loacutegica entre los propoacutesitos
investigativos y el conocimiento que existe acerca del problema que se abordoacute
11 Ciclo termodinaacutemico de la industria azucarera
En la industria azucarera cubana al igual que en todo el mundo se emplea un ciclo
de potencia de vapor especiacuteficamente un ciclo Rankine con algunas desviaciones
Se consideran ciclos de potencia de vapor en los que el fluido de trabajo se evapora
y condensa alternadamente Asimismo se analiza la generacioacuten de potencia
acoplada con un proceso de calentamiento llamada cogeneracioacuten La constante
demanda de eficiencias teacutermicas maacutes altas ha producido algunas modificaciones
innovadoras en el ciclo baacutesico de potencia de vapor Entre eacutestos se estudian ciclos
con recalentamiento y regenerativo asiacute como ciclos combinados de potencia de gas
y vapor El vapor de agua es el fluido de trabajo usado para estos ciclos de potencia
de vapor en la industria azucarera debido a sus muchas y atractivas caracteriacutesticas
como bajo costo disponibilidad y alta entalpiacutea de vaporizacioacuten(Cengel 2012)
El ciclo Rankine ideal simple consta de cuatro procesos que son los siguientes
1-2 Compresioacuten isentroacutepica en una bomba
2-3 Adicioacuten de calor a presioacuten constante en una caldera
3-4 Expansioacuten isentroacutepica en una turbina
4-1 Rechazo de calor a presioacuten constante en un condensador
Figura 1 Ciclo Rankine ideal simple
5
En la industria azucarera este ciclo de potencia no se encuentra asiacute del todo puesto
que se le realizan algunas modificaciones ya que el proceso es el que funciona como
condensador del ciclo y en otros casos como es el de las bioeleacutectricas que se
pretenden instalar se realiza un recalentamiento a la salida de la turbina de alta para
luego ser insertado en una turbina de baja Tambieacuten se colocan calentadores
regenerativos con el fin de calentar el agua a la entrada de la caldera o como se
plantea en este trabajo se puede hibridar con un campo termosolar que funcione
como calentador del agua que entra a la caldera todas estas medidas con el fin de
aumentar la eficiencia del ciclo
Al existir una generacioacuten de potencia en forma de energiacutea eleacutectrica y una demanda
de calor necesaria para el proceso de fabricacioacuten de azuacutecar el ciclo termodinaacutemico
pasa a ser un esquema de cogeneracioacuten (Herrera 2016) el cual se muestra en la
figura siguiente
Lo centrales azucareros convencionales no presentan condensador la funcioacuten de
este la realiza netamente el proceso Por lo que existe una equivalencia entre los
flujos de vapor utilizados para la generacioacuten y los que se usan en el proceso sin
poder realizar un aumento considerable de estos limitando asiacute la generacioacuten de
potencia eleacutectrica En el caso de la bioeleacutectrica no ocurre asiacute puesto que aumentan
los paraacutemetros del ciclo y con este los flujos de la sustancia termoportadora Siendo
necesaria la presencia de un condensador ya que con el proceso no basta para
Figura 2 Ciclo de cogeneracioacuten
6
condensar las enormes cantidades de vapor y que luego puedan ser transportadas
por las bombas asiacutea la caldera
12 Concepto de bioeleacutectrica
Una bioeleacutectrica es una planta de cogeneracioacuten que se construye en un aacuterea aledantildea
al central lo que facilita no detener las zafras durante el periacuteodo de construccioacuten y
montaje Su funcionamiento consiste en un ciclo Rankin con mejoras que consta de
una caldera de alta presioacuten para el proceso de adiccioacuten de calor posteriormente se
expande en una turbina de vapor y se realiza una extraccioacuten para el proceso luego
se condensa el vapor de escape de la turbina y se bombea nuevamente a la caldera
Cuando se realiza su puesta en marcha opera abastecieacutendose de todo el bagazo
producido residuos agriacutecolas y del condensado de vapor puro procedente de los
equipos de calentamiento evaporacioacuten y tachos provenientes de la faacutebrica de azuacutecar
a la que a su vez suministra el vapor de escape de los turbogeneradores para el
proceso de fabricacioacuten del endulzante asiacute como la electricidad que necesita El
excedente eleacutectrico del proceso fabril del azuacutecar se vende al Sistema Eleacutectrico
Nacional (SEN)(Salomoacuten 2018)
13 Planta hiacutebrida
Una planta hiacutebrida se define como una planta que utiliza dos o maacutes recursos
energeacuteticos en este caso solar y biomasa aprovechando las ventajas de cada uno y
disminuyendo sus desventajas como por ejemplo
Se mejora la eficiencia solar eleacutectrica
Se eliminan los arranques y paradas de la turbina que limitan su eficiencia y
encarecen su mantenimiento
Se garantiza un suministro eleacutectrico independientemente del recurso solar Ya no
es necesario el uso de sistemas de almacenamiento para satisfacer la curva de
demanda
Los costes de inversioacuten se reducen se reducen los riesgos de inversioacuten al estar
garantizada la generacioacuten de electricidad Adicionalmente se pueden aprovechar las
instalaciones ya existentes La reduccioacuten en los costes permite operar en lugares con
menor radiacioacuten solar
Sin embargo las plantas hibridas presentan incertidumbre sobre su comportamiento
a lo largo del tiempo debido a la variabilidad temporal del recurso solar de la
demanda eleacutectrica y del solapamiento de ambos Es necesario establecer coacutemo se
van a comportar las instalaciones a lo largo d un antildeo y de este modo poder determinar
su idoneidad bajo unas condiciones de radiacioacuten y de demanda eleacutectrica
dependientes del tiempo(Rodriacuteguez 2015)
7
Los principales componentes que forman parte de una planta hiacutebrida solar-biomasa
se distinguen como el bloque solar el bloque de potencia y la hibridacioacuten
Bloque solar Es donde la energiacutea del sol es convertida en energiacutea teacutermica La
tecnologiacutea solar empleada depende del rango de temperaturas de operacioacuten de la
planta hibrida Es necesario que sean compatibles con las del bloque de potencia
Bloque de potencia es el ciclo termodinaacutemico que convierte la energiacutea teacutermica en
eleacutectrica
Hibridacioacuten es el modo en que el bloque de potencia y el bloque solar son
conectados
14 La energiacutea solar
El Sol es un enorme reactor de fusioacuten nuclear formado por una esfera de materia
gaseosa caliente de 139 millones de kiloacutemetros de diaacutemetro que constituye la
principal fuente de energiacutea para la Tierra situada a una distancia media de 149106
km Debido a la radiacioacuten solar la temperatura en la superficie terrestre es alrededor
de 250ordmC superior a la temperatura que habriacutea en la superficie si eacutesta dependiera
solo del calor interno El Sol radia continuamente una potencia de 38middot1023 kW de
los cuales la Tierra intercepta 17middot1014 kW La energiacutea solar recibida en la atmoacutesfera
exterior de la Tierra en un antildeo se conoce con el nombre de SERPY (Solar Energy
Received Per Year) y corresponde a 155middot1015 MWh cantidad que equivale
aproximadamente a 12000 veces la energiacutea consumida en el mundo si se tienen en
cuenta los datos publicados de produccioacuten y consumo energeacutetico mundial durante el
antildeo 2005 (Petroleum 2006) De la radiacioacuten recibida en la superficie exterior el 30
se refleja al espacio el 47 es absorbido por la atmoacutesfera mares y tierra para
mantener la temperatura ambiente y el restante 23 se usa para mantener la
conveccioacuten atmosfeacuterica y el ciclo hidroloacutegico (Rojas 2013)
La radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera tiene un valor constante de unos 1300 Wm
denominaacutendose constante solar Sin embargo toda esta energiacutea no puede ser
aprovechada debido a diferentes fenoacutemenos que se interponen en su camino desde
el Sol hasta la superficie terrestre Al atravesar la atmoacutesfera las nubes dispersan la
radiacioacuten separaacutendola en radiacioacuten directa y difusa Las sombras causadas por
objetos proacuteximos tambieacuten contribuyen a atenuar el valor de la radiacioacuten Finalmente
el hecho de que la direccioacuten del Sol y la superficie captadora no sea la misma
tambieacuten influye en la disminucioacuten de la constante solar Todos estos factores hacen
que la energiacutea que llega a la Tierra sea de unos 1000 Wm en un diacutea claro a las 12
horas del mediodiacutea solar y a nivel del mar Esta energiacutea no es suficiente para alcanzar
las temperaturas que se requieren por lo que se utilizan elementos concentradores
La energiacutea solar tiene muchas aplicaciones donde ser utilizada Estas actividades se
clasifican en tres grupos generacioacuten teacutermica generacioacuten de trabajo y generacioacuten de
friacuteo El primer grupo contiene la generacioacuten de calor para calefaccioacuten agua caliente
8
sanitaria (ACS) desecacioacuten y refrigeracioacuten Dentro de esta divisioacuten existen
diferencias seguacuten la temperatura alcanzada Podemos distinguir procesos de baja
temperatura que usan colectores planos para ACS hasta 60ordmC procesos de media
temperatura para calefaccioacuten y produccioacuten de friacuteo y procesos de alta temperatura en
la industria La generacioacuten teacutermica tambieacuten incluye la arquitectura bioclimaacutetica La
generacioacuten de trabajo se puede dar de forma teacutermica y de forma fotovoltaica Los
parques de heliostatos o concentradores ciliacutendrico-paraboacutelicos producen vapor que
se utiliza en ciclos de potencia mientras que los paneles fotovoltaicos convierten la
luz en electricidad por medio de semiconductores Por uacuteltimo la generacioacuten de friacuteo
se produce por medio de maacutequinas de absorcioacuten
Las tecnologiacuteas usadas para este tipo de energiacutea son colectores planos para
calefaccioacuten y ACS concentracioacuten en torre discos paraboacutelicos colectores ciliacutendricos
paraboacutelicos y colectores Fresnel para la produccioacuten de electricidad Maacutes adelante se
explicaraacuten con maacutes detalle todas estas tecnologiacuteas
La principal ventaja con la que cuenta la energiacutea solar es que se trata de un recurso
inagotable que estaacute al alcance de todos pero uno de los problemas de esta reside
que la demanda no coincide con la produccioacuten Para ajustar la demanda a la
produccioacuten se hace necesario el uso de sistemas de almacenamiento Otro problema
a tener en cuenta es la intermitencia del recurso solar A lo largo del antildeo hay
numerosos diacuteas en los que las nubes impiden el correcto aprovechamiento de la
energiacutea solar La solucioacuten a este problema es la instalacioacuten de un sistema de apoyo
consistente generalmente en una caldera auxiliar operada con un combustible foacutesil
De este modo se puede prescindir de los sistemas de almacenaje (Paredes 2012)
15 Sistemas teacutermicos solares El objetivo esencial de cualquier sistema teacutermico solar es captar la radiacioacuten que
proviene del sol para transformarla en energiacutea teacutermica de un fluido y transportarla de
la manera maacutes econoacutemica y eficaz posible a un usuario Las aplicaciones del
aprovechamiento solar pueden ser directas en forma de calor o bien indirectas
utilizando este calor para obtener trabajo mecaacutenico en un eje y finalmente
electricidad Entre las tecnologiacuteas existentes hay tres que destacan por su grado de
desarrollo los sistemas de colectores cilindro paraboacutelicos (CCP) los sistemas de
receptor central (SRC) o sistemas de torre central (STC) y los discos paraboacutelicos
(DP) o maacutes propiamente paraboloides de revolucioacuten Tambieacuten existen los sistemas
de concentradores lineales Fresnel (CLF) que a pesar de no estar ampliamente
desarrollados en cuanto a tecnologiacutea se refiere merecen una mencioacuten Aunque los
campos de aplicacioacuten de los Sistemas Termo-solares de Concentracioacuten (CSTS) son
diversos es en los campos de generacioacuten de electricidad vapor de proceso o de
ambos simultaacuteneamente donde estos sistemas han alcanzado su mayor grado de
desarrollo dando lugar a Centrales Energeacuteticas Termo-solares (CETS) Las CETS
son entre los sistemas basados en el aprovechamiento de las energiacuteas renovables
uno de los de mayor potencial de contribucioacuten a la satisfaccioacuten de la demanda
9
energeacutetica especialmente en las regiones situadas en el llamado ldquocinturoacuten solarrdquo
que son aquellas que se encuentran entre las latitudes 35o norte y 35o sur (Paredes
2012)
151 Sistemas de torre central (STC)
Este sistema se caracteriza porque el conjunto colector estaacute compuesto por un grupo
maacutes o menos numeroso de concentradores planos individuales llamados heliostatos
los cuales dirigen la radiacioacuten solar concentrada hacia un receptor central situado en
lo alto de una torre Por tanto la concentracioacuten de la radiacioacuten se produce en tres
dimensiones por lo que el valor de la razoacuten de concentracioacuten es muy elevado asiacute
como las temperaturas que se alcanzan pudiendo llegar eacutestas a los 1500 degC
Figura 3 Esquema de un STC Fuente Greenpeace
A parte de los componentes principales del sistema que se detallan maacutes adelante
para un correcto funcionamiento del sistema se requieren una serie de equipos y
sistemas auxiliares como el sistema de caracterizacioacuten de imaacutegenes blancos
lambertianos para evaluacioacuten de imaacutegenes ajustes de offsets etc
El sistema colector El heliostato es junto con el receptor uno de los componentes
que representa mayor importancia dentro del sistema llegando a suponer hasta un
60 del coste total de la parte solar Su funcioacuten es la de captar la radiacioacuten solar y
redirigirla hacia el receptor
Estaacute compuesto baacutesicamente por una superficie reflectante ndashespejos de vidrio como
los de los CCPs ademaacutes de una estructura soporte mecanismos de movimiento y
un sistema de control
En cuanto al tamantildeo existen de varias dimensiones desde 40 o 50 m2 hasta su
evolucioacuten a los 150 m2 Aunque actualmente se tiende a los heliostatos maacutes
10
pequentildeos pues suponen una simplificacioacuten y abaratamiento en los procesos de
transporte instalacioacuten y puesta en servicio El campo de heliostatos en relacioacuten al
receptor estaacute condicionado en gran parte por la orografiacutea del terreno por el tamantildeo
de la planta y por la disposicioacuten del receptor Las dos formas claacutesicas de colocar los
heliostatos son
Campo circundante heliostatos alrededor de la torre
Campo Norte-Sur heliostatos a un lado de la Torre La orientacioacuten dependeraacute de
en queacute latitud se encuentre el emplazamiento
No obstante existen otras disposiciones que tratan de aprovechar la orografiacutea del
terreno (por ejemplo una ladera orientada al Sur) o usan un concentrador secundario
para evitar los inconvenientes derivados de situar el receptor sobre una torre
La torre La funcioacuten de la torre es la de servir de soporte al receptor que
normalmente debe situarse a una cierta altura sobre el nivel del campo de helioacutestatos
para reducir las sombras y bloqueos entre eacutestos y a diversos elementos auxiliares
(blancos lambertianos sistemas de medida etc) Hasta hoy las torres construidas
han sido de estructuras metaacutelicas o de hormigoacuten
El receptor Es el dispositivo donde se produce la conversioacuten de la radiacioacuten solar
concentrada en energiacutea teacutermica
152 Disco Paraboacutelico (DP)
Los sistemas de discos paraboacutelicos se componen baacutesicamente en un reflector o en
un conjunto de reflectores que tienen forma de paraboloide de revolucioacuten Ademaacutes
poseen un receptor situado en el foco puntual de dicho paraboloide y de un sistema
de generacioacuten eleacutectrica compacto (un motor o una turbina maacutes un alternador) Por lo
general receptor y sistema de generacioacuten suelen formar parte de un mismo conjunto
El principio de funcionamiento es el mismo que para los CCPacutes es decir la radiacioacuten
concentrada por el paraboloide incide sobre el receptor donde se convierte en
energiacutea teacutermica (pudiendo alcanzar los 1500 oC que permite generar electricidad Los
elementos principales del colector Disco Paraboacutelico son los siguientes
Concentrador La forma de la superficie reflexiva en este tipo de sistema es la de
un paraboloide de revolucioacuten cuyo tamantildeo depende de la potencia nominal y de la
energiacutea que se desea generar en un determinado tiempo y bajo unas condiciones de
radiacioacuten determinadas
Receptor Es un sistema de discos paraboacutelicos que tienen dos funciones
fundamentales por un lado la de absorber la radiacioacuten solar reflejada por el
concentrador y por el otro transferir la energiacutea absorbida al fluido de trabajo de la
maacutequina asociada Hasta la fecha existen dos tipos de reflectores tubos
directamente iluminados por la reflexioacuten de los rayos y receptores de reflujo
11
Sistema de Seguimiento Con objeto de seguir la posicioacuten del sol en todo momento
los discos paraboacutelicos realizan un seguimiento de eacuteste en dos ejes Se realiza seguacuten
dos tipos de montaje
Seguimiento en acimut-elevacioacuten en el que el movimiento se realiza seguacuten dos
ejes el vertical y el horizontal
Seguimiento polar en el que el movimiento en un eje es muy lento pues solo se
debe seguir las variaciones estacionales del sol y el movimiento en el otro eje es a
velocidad constante
Actualmente el uso de discos paraboacutelicos para generar electricidad se encuentra en
fase de desarrollo en algunas plantas experimentales como la de Planta Solar de
Almeriacutea pero la falta de fiabilidad y su elevado coste constituyen los principales
obstaacuteculos para su introduccioacuten real en la generacioacuten eleacutectrica En cambio
atendiendo a la misma forma estructural y con el mismo principio de reflexioacuten en un
foco puntual del paraboloide de revolucioacuten es muy comuacuten encontrar a nivel
particular cocinas solares
Figura 4 Esquema de un Disco Paraboacutelico Fuente Greenpeace
12
153 Concentrador lineal Fresnel
Esta tecnologiacutea es la maacutes nueva de las cuatro que actualmente hay disponible para
los sistemas solares de concentracioacuten Son captadores de foco lineal en los que
largos reflectores que poseen ejes de giros independientes y paralelos reflejan la
radiacioacuten solar directa sobre un tubo receptor situado sobre ellos Es la tecnologiacutea
maacutes joven de las cuatro descritas por lo que existen actualmente solo dos plantas
comerciales en funcionamiento con una potencia eleacutectrica total de 64 MWe
Figura 5 Concentrador Lineal Fresnel
154 Colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Esta tecnologiacutea cilindro-paraboacutelica basa su funcionamiento en seguimiento solar y en
la concentracioacuten de los rayos solares en unos tubos receptores de alta eficiencia
teacutermica localizados en la liacutenea focal de los cilindros En estos tubos un fluido
transmisor de calor tal como aceite sinteacutetico es calentado aproximadamente a
400ordmC por los rayos solares concentrados El aceite es bombeado a traveacutes de una
serie de intercambiadores de calor para producir vapor sobrecalentado El calor
presente en este vapor se convierte en energiacutea eleacutectrica en una turbina de vapor
convencional Los colectores cilindro-paraboacutelicos se emplean maacutes a escala industrial
de 10 a 100 MW para la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica en un campo solar y en un
sistema de potencia En el campo solar la energiacutea de la radiacioacuten solar se transforma
en energiacutea teacutermica en una serie de filas paralelas de colectores cilindro-paraboacutelicos
cada uno de ellos con seguimiento solar La eficiencia durabilidad y costo de una
central con colectores cilindro-paraboacutelicos depende fuertemente de la estructura y
robustez del colector Un moacutedulo colector generalmente compuesto de elementos
de 12 m de largo conectados en serie puede tener hasta 150 m de longitud Sus
espejos paraboacutelicos reflejan la radiacioacuten solar y la concentran sobre un tubo
absorbente en su liacutenea focal (Sebastiaacuten 2011)
13
A principios del siglo pasado (1912) la primera planta de canal paraboacutelico fue
construida en Meadi Egipto para bombeo de agua Con 79 plantas 31425 MW
instalados esta tecnologiacutea es la maacutes madura de las tecnologiacuteas CSP (maacutes de 100
antildeos de experiencia en operacioacuten) (GESIME 2014)
Las primeras centrales con colectores cilindro-paraboacutelicos operan comercialmente en
California desde 1985 En este periodo de tiempo han generado maacutes de doce mil
millones de kilowatts hora de electricidad lo que es suficiente para suministrar
electricidad a aproximadamente doce millones de personas durante un antildeo Al igual
que en centrales teacutermicas con combustibles convencionales y tambieacuten en centrales
nucleares la corriente se genera en las centrales solares teacutermicas con una turbina a
vapor y un generador acoplado (Martiacuten 2017)
El Sistema de Generacioacuten de Energiacutea solar (en ingleacutes Solar Energy Generating
System SEGS) es un conjunto de nueve plantas con una capacidad total de 350 MW
Actualmente es el sistema solar operacional maacutes grande (tanto del tipo termal o no)
La planta Nevada Solar One tiene una capacidad de 64 MW Estaacuten en construccioacuten
las plantas Andasol 1 y 2 en Espantildea cada planta tiene una capacidad de 50 MW sin
embargo estas plantas son de un disentildeo que tiene un sistema de almacenamiento
de calor que requiere un terreno con colectores solares mayor en relacioacuten al tamantildeo
del que deberiacutea tener para su generacioacuten El almacenamiento de calor permite una
mejor utilizacioacuten de las turbinas de vapor Con una operacioacuten diurna y parcialmente
nocturna la turbina de vapor de Andasol 1 con una capacidad de punta de 50 MW
produce maacutes energiacutea que Nevada Solar One con una capacidad de punta de 64 MW
debido al sistema de almacenamiento de calor y un terreno de colectores maacutes grande
que posee la planta de Andasol 1(httpwwwwikipediaorg 2017)
Existiacutea la propuesta de instalar 553 MW adicionales en el Mojave Solar Park
California (David 2007) pero este proyecto fue cancelado en el antildeo 2011 Tambieacuten
IBERDROLA (2013) puso en marcha en Egipto la central de Kuraymat de 150
megavatios (MW) de potencia Se trata de una instalacioacuten pionera en el mundo dado
que incorpora una tecnologiacutea que utiliza de forma combinada el gas y la energiacutea solar
lo que contribuye a disminuir las emisiones de CO2 y a mejorar el rendimiento global
de la planta Tambieacuten se generan 25 MW de vapor como aporte para una planta de
gas en Hassi Rmel Argelia (wwwsolarbuzzcom 2016)
El gobierno de India ha comenzado a desarrollar una iniciativa llamada Jawaharlal
Nehru National Solar Mission (tambieacuten conocida como la misioacuten solar nacional) para
resolver el problema de abastecimiento de energiacutea eleacutectrica
(httpwwwwikipediaorg 2017)
14
Figura 6 Esquema de un CCP Fuente Greenpeace
En la figura 6 se pueden ver los elementos principales del conjunto del colector de
forma maacutes detallada se definen del siguiente modo
El Reflector Ciliacutendrico Paraboacutelico su misioacuten es la de reflejar y concentrar sobre el
Receptor la radiacioacuten solar directa incidente sobre la superficie A grandes rasgos es
un espejo curvo que forma en una de sus dimensiones una paraacutebola de forma que
concentra sobre su liacutenea focal toda la radiacioacuten reflejada Entre los materiales usados
para la reflexioacuten encontramos plaacutesticos recubiertos con peliacuteculas de plata o aluminio
chapas metaacutelicas o el maacutes usado vidrios sobre los que se depositan una capa de
plata junto con un protector de base de cobre y pintura epoxi
El tubo de absorcioacuten o Receptor El tubo absorbedor consta de dos tubos
conceacutentricos separados por un espacio de vaciacuteo El tubo interior por el que circula
el fluido calo-portador es metaacutelico y el exterior es de cristal
El tubo interior es tratado con un recubrimiento metaacutelico selectivo que puede consistir
en una fina capa de cromo niacutequel cobalto o alguacuten otro acabado logrado por
Sputtering o Deposicioacuten Fiacutesica de Vapor (PVD por sus siglas en ingleacutes) Dicho
recubrimiento otorga al tubo sus propiedades uacutetiles para eacuteste uso elevada
absortividad a lo largo de todo el espectro solar y una baja emisividad en el espectro
infrarrojo lo cual se traduce en un elevado rendimiento teacutermico El tubo exterior de
vidrio cumple dos propoacutesitos de igual importancia el primero es proteger el
recubrimiento selectivo del tubo interior y minimizar las perdidas teacutermicas por
conveccioacuten Para aumentar el rendimiento oacuteptico del captador es comuacuten la utilizacioacuten
de un tratamiento antireflexivo en ambas caras del tubo de vidrio que logra mejorar
15
la transmisividad Para lograr mantener el vaciacuteo necesario entre los dos tubos se suele
soldar cada tubo el de vidrio y el de metal por separado a un fuelle metaacutelico que
soporta las diferentes dilataciones de cada material al variar la temperatura Con esto
se logra flexibilizar la unioacuten entre los dos tubos evitando grietas por las que pudiera
ingresar aire al vaciacuteo Otro mecanismo que se utiliza para mantener el vaciacuteo son los
llamados getters en ingleacutes que son colocados en el vaciacuteo debido a su propiedad de
reaccionar quiacutemicamente o por absorcioacuten con cualquier moleacutecula de gas que pudiera
penetrar al espacio confinado atrapaacutendolo y asiacute manteniendo el espacio libre de
cualquier elemento
Figura 7 Esquema del tubo de absorcioacuten o Receptor
El Sistema de Seguimiento Solar El seguimiento del Sol se hace con el objetivo
de aprovechar la mayor parte de horas posibles de luz de forma que la radiacioacuten
solar llegue lo maacutes perpendicularmente posible al colector y se mantengan en el foco
lineal continuamente Los CCPacutes pueden tener seguimiento a dos ejes o a un uacutenico
eje Normalmente el seguimiento se realiza a un eje pues mecaacutenicamente es maacutes
sencillo esto implica menos costos y menores peacuterdidas teacutermicas por no haber
tuberiacuteas pasivas La orientacioacuten puede ser Norte-Sur o Este-Oeste Los mecanismos
de accionamiento que mueven al colector pueden ser eleacutectricos (apropiado para
equipos pequentildeos) hidraacuteulicos (para lazos de colectores) y mecaacutenicos (reloj de
pesas) (Paredes 2012)
16
Figura 8 Esquema del seguimiento solar a un eje de un CCP Fuente Greenpeace
Cimentacioacuten y estructura metaacutelica La cimentacioacuten soporta los colectores y los fija
al suelo de forma que el conjunto estructural soporte las cargas para las que fue
disentildeado La misioacuten de la estructura metaacutelica del colector es la de dar rigidez al
conjunto de elementos que lo componen a la vez que hacer de interface con la
cimentacioacuten del propio colector (Hidalgo 2012)
La tecnologiacutea cilindro paraboacutelica es una tecnologiacutea limpia madura y con un extenso
historial que demuestra estar preparada para la instalacioacuten a gran escala Esta
tecnologiacutea lleva siendo instalada a nivel comercial desde los antildeos 80 con un
excepcional comportamiento Desde entonces ha experimentado importantes
mejoras a nivel de costes y rendimientos Actualmente hay maacutes de 1 GWe en
operacioacuten maacutes de 800 MWe en construccioacuten y maacutes de 2 GWe en promocioacuten a nivel
mundial Por lo que es esta la tecnologiacutea maacutes segura a aplicar
16 Orientacioacuten del colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Los captadores cilindro paraboacutelicos suelen estar instalados en los campos solares de
tal manera que sus ejes de rotacioacuten queden orientados bien Norte-Sur o bien Este-
Oeste Con la configuracioacuten Este-Oeste las variaciones estacionales suelen ser
pequentildeas permitiendo tener un aporte teacutermico maacutes estable durante el antildeo a costa
de perder parte de la energiacutea anual disponible Con la configuracioacuten Norte-Sur esa
energiacutea anual suministrada es optimizada al maacuteximo con el punto en contra de tener
variaciones estacionales mucho mayores que con la configuracioacuten Este-Oeste que
en ocasiones y dependiendo de la latitud y de las condiciones atmosfeacutericas del
emplazamiento pueden suponer relaciones de 3 a 1 entre verano e invierno En el
caso de la planta Termo solar acoplada al economizador de la caldera para la
produccioacuten de electricidad de la UEB umlGeorge Washingtonuml se ha realizado el disentildeo
atendiendo al criterio de maximizacioacuten del aporte energeacutetico anual por lo que la
configuracioacuten elegida es la Norte-Sur
17
17 Peacuterdidas en un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Cuando la radiacioacuten solar alcanza la superficie de un colector paraboacutelico se pierde
una cantidad importante de ella debido a diferentes factores El total de las peacuterdidas
se puede dividir en tres grupos
171 Peacuterdidas geomeacutetricas Provocan la disminucioacuten del aacuterea efectiva de captacioacuten
solar de los colectores En un CCP se dividen en peacuterdidas debidas a la posicioacuten
relativa de los colectores entre siacute los cuales se pueden dar sombra unos a otros y
las peacuterdidas inherentes a cada colector que son motivo del aacutengulo de incidencia el
cual provoca que en los extremos del colector haya una peacuterdida de superficie reflexiva
uacutetil La existencia del aacutengulo de incidencia tambieacuten afecta a los valores de la
reflectividad absortividad y transmisividad ya que estos paraacutemetros presentan su
valor maacuteximo cuando el aacutengulo de incidencia es 0deg (Hidalgo 2012)
172 Peacuterdidas oacutepticas Se deben a imperfecciones en los materiales que componen
el colector la superficie del concentrador no es un reflector perfecto ni el vidrio del
tubo absorbedor es completamente transparente ni el recubrimiento selectivo del
tubo metaacutelico es un absorbedor perfecto Los cuatro paraacutemetros que intervienen en
las peacuterdidas oacutepticas de un canal paraboacutelico son la reflectividad de los espejos
paraboacutelicos la absortancia del tubo metaacutelico la transmitancia de la cubierta de vidrio
y el factor de interceptacioacuten (Hidalgo 2012)
Reflectancia ρ no toda la energiacutea incidente es reflejada hacia el tubo
absorbedor
Absortancia α cantidad de radiacioacuten que absorbe la superficie selectiva del
tubo metaacutelico
Transmitancia 120591 de aquella radiacioacuten que intercepta el tubo de vidrio solo
una parte consigue atravesarlo
Factor de interceptacioacuten γ no toda la radiacioacuten reflejada por los espejos
acaba incidiendo sobre el tubo absorbedor Las causas son diversas imperfecciones
en los espejos un mal posicionamiento de los colectores etc
173 Peacuterdidas teacutermicas Principalmente se encuentran asociadas a dos elementos
del sistema el tubo absorbedor y las tuberiacuteas de fluido teacutermico Las perdidas
asociadas estaacuten formadas por perdidas por conduccioacuten por conveccioacuten y por
radiacioacuten de los diferentes medios que conforman el conjunto del tubo absorbedor
es decir por el tubo metaacutelico la cubierta de cristal y la atmosfera De manera que
la potencia teacutermica disipada en el colector equivale a la suma de las peacuterdidas teacutermicas
en el receptor y las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas por donde circula el fluido
teacutermico (HTF) (Hidalgo 2012)
18
Peacuterdidas teacutermicas en el aceite teacutermico (HTF)
Las peacuterdidas teacutermicas asociadas al tubo absorbedor (119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905) se deben a la
diferencia de temperaturas entre eacuteste y el ambiente pudiendo ser por conduccioacuten
por radiacioacuten y por conveccioacuten desde el tubo absorbedor al ambiente Aunque cada
una de estas peacuterdidas podriacutea calcularse aplicando las ecuaciones que rigen los
mecanismos de transferencia de calor antes mencionados en la praacutectica las
peacuterdidas teacutermicas globales en un colector se cuantifican mediante ecuaciones
experimentales (Hidalgo 2012)
18 Rendimiento de un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Como consecuencia de todas las peacuterdidas oacutepticas geomeacutetricas y teacutermicas que
existen en un CCP la energiacutea teacutermica uacutetil que da un CCP es menor que la que dariacutea
en condiciones ideales cuando no existieran dichas peacuterdidas
En un CCP se suelen definir tres rendimientos diferentes y un paraacutemetro
I) Rendimiento oacuteptico con un aacutengulo de incidencia de 0ordm (rendimiento oacuteptico pico)
Tiene en cuenta todas las peacuterdidas oacutepticas que tienen lugar en el colector con un
aacutengulo de incidencia de 0ordm Su valor viene dado por el producto de estos cuatro
factores reflectividad de los espejos transmisividad del tubo de vidrio factor de
interceptacioacuten (que tiene en cuenta la parte de radiacioacuten reflejada que por cualquier
causa no alcanza el absorbente) y absortividad de la superficie selectiva que recubre
el tubo metaacutelico absorbente
II) Rendimiento teacutermico Considera todas las peacuterdidas teacutermicas que tienen lugar en
el colector
III) Rendimiento global Considera todas las peacuterdidas tanto oacutepticas como
geomeacutetricas y teacutermicas que tienen lugar en el colector
IV) Modificador por aacutengulo de incidencia Considera todas las peacuterdidas oacutepticas y
geomeacutetricas que tienen lugar en el colector para un aacutengulo de incidencia ϕ ne 0ordmy que
no se tienen en cuenta en rendimiento oacuteptico (peacuterdidas geomeacutetricas de final de
colector bloqueo de la radiacioacuten concentrada por parte de los soportes del tubo
absorbente e influencia del aacutengulo de incidencia en la absortividad y transmisividad
del tubo absorbente y en la reflectividad de los espejos) (Paredes 2012)
19 Disentildeos hiacutebridos
En general las formas de concentracioacuten de la energiacutea solar se pueden dividir en
tecnologiacuteas lineales y de enfoque puntual Los canales paraboacutelicos y los colectores
lineales Fresnel pertenecen a las tecnologiacuteas de enfoque lineal mientras que las
tecnologiacuteas de enfoque de puntos principales son el receptor central (torre solar) y el
reflector paraboacutelico (disco) Desde el punto de la disponibilidad del mercado y el
estado actual de desarrollo para el presente estudio de caso se han elegido las
siguientes tres opciones de tecnologiacutea Lineal Fresnel (LF) Ciliacutendrico Paraboacutelico
19
(CCP) y Torre Central (STC) Para todas las opciones de CSP nombradas hay
diferentes configuraciones de tecnologiacuteas posibles cuyo rango se muestra en la tabla
1 (E Burin 2016)
Tabla 1 Rangos para las 3 tecnologiacuteas posibles
Unidad LF CCP STC
Fluido teacutermico
(HTF)
- Aceite teacutermico
Agua
Sal
Aceite teacutermico
Agua
sal
Agua
Sal
Aire
Concentracioacuten - 25-100 70-80 300-1000
Rango de
temperatura
oC 380-600(ST) 380-600(ST) 565(ST)
Performance MWel 10-200 10-200 10-150
Capacidad de
corriente instalada
1 88 11
Proporcioacuten de las
obras (2012)
6 75 18
(ST) Steam Turbine
Fuente(Reuszlig 2012 Pitz-Paal 2013 REN 2013)
Debido a la diferente etapa de desarrollo teacutecnico de las tres tecnologiacuteas de CSP y
sus HTF para el estudio de caso se examinaron las siguientes combinaciones CCP
(aceite teacutermico) LF (agua vapor) y STC (agua vapor)
En cuanto a los disentildeos de integracioacuten de las tres tecnologiacuteas de CSP elegidas
desde el punto de vista termodinaacutemico es esforzarse por alcanzar un nivel de
temperatura lo maacutes alto posible para el calor solar agregado Por esa razoacuten el calor
solar agregado se usoacute aquiacute para proporcionar calor para el precalentamiento del agua
de alimentacioacuten a alta presioacuten asiacute como para la produccioacuten paralela de vapor
saturado y vapor vivo en paralelo con los generadores de vapor de bagazo Los
diagramas de flujo de proceso de los tres disentildeos de integracioacuten se muestran en la
siguiente figura
20
Figura 9 Diagramas de flujo de proceso de los tres disentildeos de integracioacuten posibles
En el disentildeo 1 el calor solar reemplaza completamente la extraccioacuten a alta presioacuten
de la turbina CEST Para este propoacutesito el campo solar proporciona en el punto de
disentildeo un rendimiento teacutermico equivalente a la demanda de calor requerida para el
calentador de agua de alimentacioacuten de alta presioacuten Debido al modo de operacioacuten de
ahorro de combustible este reemplazo y la cantidad reducida de bagazo quemado
afecta el rendimiento de la turbina CEST asiacute como la liacutenea de calentamiento del agua
de alimentacioacuten Debido a que no se realiza la extraccioacuten de vapor de alta presioacuten en
el tiempo en que el campo este trabajando se seleccionoacute las tecnologiacuteas CCP y LF
Cabe sentildealar que no es posible una operacioacuten de solo solar
El disentildeo de integracioacuten 2 permite una produccioacuten paralela de vapor saturado con
calor solar para reducir el consumo de bagazo Por lo tanto parte del flujo de masa
de agua de alimentacioacuten principal que va a los generadores de vapor se desviacutea Este
flujo maacutesico secundario pasa en el caso de CCP a traveacutes de un generador de vapor
solar tiacutepico mientras que en el caso de la LF se alimenta directamente al campo
solar En ambos casos se produce vapor saturado a 67 bar que luego se une al flujo
de masa principal dentro de los generadores de vapor para el sobrecalentamiento
En consecuencia el disentildeo de integracioacuten 2 solo afecta el rendimiento de los
21
generadores de vapor mientras que las condiciones de vapor vivo permanecen
iguales Al mantener el estudio de caso cerca de la viabilidad teacutecnica deben
respetarse las condiciones teacutecnicas de contorno de los generadores de vapor Con
el fin de evitar fuertes desequilibrios en estos componentes se asumioacute que se permite
reducir la carga del generador de vapor a un nivel miacutenimo del 85 Del mismo modo
este disentildeo no permite una operacioacuten solo solar
En el disentildeo de integracioacuten 3 el calor solar desplaza al generador de vapor de
carga teacutermica Una parte del agua de alimentacioacuten se deriva de los generadores de
vapor A medida que pasa a traveacutes del sistema de torre solar se produce vapor
sobrecalentado a 520 deg C y 67 bar Esta integracioacuten afecta solo el rendimiento teacutermico
de los generadores de vapor mientras que el ciclo agua vapor se opera en modo
normal En comparacioacuten con el disentildeo de integracioacuten 2 la operacioacuten de los
generadores de vapor se simplifica Eso significa que los generadores de vapor
funcionan aquiacute con una carga parcial normal de 100 a 65 de carga Con respecto
a eso al permitir una carga miacutenima del generador de vapor del 65 en el punto de
disentildeo solar la torre solar fue disentildeada para proporcionar todo el calor restante
necesario Cabe sentildealar que para el disentildeo de integracioacuten 3 es posible una
operacioacuten solo solar cuando la instalacioacuten de cantildea de azuacutecar estaacute fuera de servicio
Tabla 2 Muacuteltiplo solar simulado seguacuten la tecnologiacutea de CSP
Disentildeo Tecnologiacutea Muacuteltiplo solar
simulado
Disentildeo 1 CCP
LF
09 - 14
08 - 14
Disentildeo 2 CCP
LF
09 - 13
08 - 14
Disentildeo 3 STC 08 - 40
Seleccioacuten del Disentildeo y la tecnologiacutea
Luego del anaacutelisis acerca del disentildeo y la tecnologiacutea a emplear en este proyecto se
decidioacute elegir la tecnologiacutea de colectores ciliacutendricos paraboacutelicos (CCP) y el disentildeo
nuacutemero 1 Los colectores de canal paraboacutelico son los maacutes empleados en el mundo
actualmente y lleva siendo instalada a nivel comercial desde los antildeos 80 con un
excepcional comportamiento Desde entonces ha experimentado importantes
mejoras a nivel de costes y rendimientos Hoy diacutea hay maacutes de 1 GWe en operacioacuten
maacutes de 800 MWe en construccioacuten y maacutes de 2 GWe en promocioacuten a nivel mundial
22
Para las condiciones de nuestro paiacutes esta tecnologiacutea pudiera ser la maacutes factible y
segura tambieacuten contamos en Cuba con industrias que poseen capacidad
maquinaria y herramientas para llegar a construir gran parte del equipo como las
bases y estructuras metaacutelicas teniendo que importarse solamente el tubo
absolvedor Reduciendo esto los costos en gran medida ejemplo de esto es la faacutebrica
de antena de Santa Clara que ya han construido maquetas de un equipo de esta
tecnologiacutea y se encuentran en condiciones de comenzar una produccioacuten a mayor
escala
110 Influencia de la industria azucarera en Cuba
La escasez de recursos energeacuteticos primarios junto con la afectacioacuten ambiental
resultante de la utilizacioacuten irracional de la energiacutea asociada a la actividad humana
obliga a la buacutesqueda de fuentes alternativas en especial fuentes renovables de
energiacutea La biomasa ha sido fuente de energiacutea desde tiempos inmemoriales fue de
hecho el primer combustible que empleoacute el hombre pero no obstante sus milenios
de utilizacioacuten la biomasa continuacutea ocupando un lugar importante en la matriz
energeacutetica a nivel mundial y continuaraacute sieacutendolo La biomasa es un combustible
renovable se encuentra ampliamente distribuida a nivel mundial y resulta en muchas
ocasiones un subproducto de ciertos procesos productivos (agriacutecolas e industriales)
En Cuba existen diferentes tipos de biomasa con posibilidades econoacutemicas de
empleo entre las maacutes importantes estaacuten el bagazo y los residuos agriacutecolas de la
cantildea de azuacutecar la lentildea y el raleo de los bosques el marabuacute la cascara de arroz y
los residuos del cafeacute En la proyeccioacuten estrateacutegica de la generacioacuten de electricidad en
Cuba para el 2030 se considera que las fuentes renovables de energiacutea alcanzaran
el 24 del total (en la actualidad representan el 43 ) y la biomasa representaraacute el
14 del total por lo que ella representaraacute el 58 de la electricidad obtenida con
fuentes renovables Este proceso de generacioacuten de electricidad con biomasa se
centraraacute casi totalmente en la industria azucarera lo que conlleva a un problema
fundamental que consiste en que la zafra se realiza en tan solo 5 meses
aproximadamente y se necesita que la generacioacuten sea durante todo el antildeo En la
actualidad existen tecnologiacuteas disponibles y posibilidades para su empleo que
permiten valorar diferentes alternativas para incrementar sustantivamente el
potencial de generacioacuten eleacutectrica de los centrales azucareros como son las
bioeleacutectricas las cuales se plantea la instalacioacuten de alrededor de 25 en toda Cuba lo
que requiere de un suministro adicional de combustible para el resto del antildeo en que
no hay zafra Para esto planteamos en este trabajo la hibridacioacuten con un campo termo
solar que permita el ahorro de combustible y su posterior uso en los meses en que
no hay zafra
En nuestro paiacutes se sigue una poliacutetica de desarrollo sostenible y se ha comenzado
una serie de proyectos en la industria azucarera buscando modificaciones que
permitan un aumento en la energiacutea generada por toneladas de cantildea molida Para
23
esto se valoran aspectos como la variacioacuten de los paraacutemetros de explotacioacuten (presioacuten
y temperatura) de las plantas generadoras y las que consumen vapor mejorar el
secado del bagazo que se quema en las calderas hibridar los generadores de vapor
con energiacutea solar y aumentar la entrega al SEN haciendo un uso eficiente de la
electricidad que se consume asiacute como evitar las paradas imprevistas
Las Bioeleacutectricas suscitan hoy creciente intereacutes en el mundo y en Cuba ante la
necesidad de produccioacuten de energiacutea compatible con el medio ambiente Actualmente
una decena de naciones son paradigmas en el uso de esas instalaciones Isla
Reunioacuten India Isla Mauricio Australia Isla Guadalupe Belice Guatemala Estados
Unidos Costa Rica China y particularmente Brasil que posee 160 de 188 existentes
en el orbe Globalmente estas unidades tienen un potencia instalada de maacutes 2800
megavatios y de esa cifra al menos dos mil corresponden a Brasil secundado en
cuanto a cantidad de Bioeleacutectricas por India (14) Isla Mauricio (3) Isla Reunioacuten (2)
mientras que los restantes paiacuteses mencionados poseen una individualmente
(Salomoacuten 2016)
111 Propuesta para la hibridacioacuten de la bioeleacutectrica con energiacutea renovable
En el paiacutes se lucha hoy por un acercamiento hacia las tecnologiacuteas de energiacutea
renovables Con el propoacutesito de convertir todos los sistemas de generacioacuten de
energiacutea eleacutectrica en sistemas maacutes compatibles con el medio ambiente La hibridacioacuten
de la caldera del central George Washington consiste en disentildear un campo de
Colectores Ciliacutendricos Paraboacutelicos prototipo (EUROTrough-150) Con el fin de elevar
la temperatura del agua proveniente del proceso hasta los 260 oC e inyectarla al
economizador de la caldera para ahorrar bagazo que pudiera ser utilizado en los
restantes meses del antildeo cuando no hay zafra para la produccioacuten de energiacutea eleacutectrica
y su entrega al sistema energeacutetico nacional En el siguiente esquema se muestra la
propuesta planteada para la hibridacioacuten
24
Figura 10 Esquema de la hibridacion con colectores solares
25
Seguacuten un documento sobre eficiencia energeacutetica emitido por el Instituto Cubano de
Investigaciones Azucareras (ICINAZ) a todos los centrales del paiacutes se hace relacioacuten
en cuanto a la temperatura del agua de alimentacioacuten de la caldera y cuanto incide
esto en la eficiencia de dicha caldera Quedando que por cada 5 ordmC que se
incrementa la temperatura del agua de alimentacioacuten se incrementa 1 la eficiencia
de la caldera Siendo esto una justificacioacuten razonable para la propuesta planteada
que eleva la temperatura del agua de alimentacioacuten de 166 ordmC a 260 ordmC Alterando
la temperatura unos 94 ordmC influyendo esto en el aumento de la eficiencia en 18
puntos porcentuales
Conclusiones parciales
En este capiacutetulo se realizoacute una amplia revisioacuten bibliograacutefica que abordoacute el estado
del arte y avances tecnoloacutegicos maacutes importantes para los temas relacionados con
esta investigacioacuten que fueron el de energiacutea solar teacutermica y todo lo relacionado con
las bioeleacutectricas a nivel mundial y en nuestro paiacutes Tambieacuten se realizoacute un anaacutelisis
exhaustivo para la determinacioacuten de la tecnologiacutea de sistemas de concentracioacuten
solar lo que resulto que el sistema de Colectores Ciliacutendricos Paraboacutelicos prototipo
EUROTrough-150 es el maacutes factible para su instalacioacuten en Cuba y posteriormente
pudiera ser fabricado por industrias nacionales El disentildeo de incorporacioacuten del
campo al esquema termodinaacutemico de la bioeleacutectrica resulto ser maacutes factible y de
menores transformaciones tecnoloacutegicas en la estructura del central el de
incorporarlo antes de la caldera y que este inyecte el agua calentada directamente
al economizador realizando el salto teacutermico del agua en un intercambiador de calor
existente en la interseccioacuten del campo con la tuberiacutea del agua proveniente de las
bombas
26
Capiacutetulo 2 Materiales y Meacutetodos En este capiacutetulo se describen los programas y foacutermulas utilizadas para el caacutelculo de los objetivos planteados
La presente investigacioacuten se realizoacute desde enero hasta mayo del 2018 Para la realizacioacuten de los caacutelculos se utilizaron los softwares Engineering Equation Solver (EES) (2004) Matlab (2010) y Excel (2016)
Tabla 3 Condiciones de frontera para la bioeleacutectrica
21 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB uml George Washington uml
En este apartado se realizaraacute la evaluacioacuten del recurso solar disponible en el emplazamiento analizado El estudio del potencial solar en el emplazamiento consiste en el anaacutelisis de los datos de radiacioacuten disponibles el tratamiento de los mismos la estimacioacuten de las variabilidades asociadas y el caacutelculo de la produccioacuten una vez consideradas todas las peacuterdidas A la hora de evaluar el recurso solar y a falta de una medida precisa y especiacutefica en el propio emplazamiento se ha recurrido a diversas fuentes para la obtencioacuten de datos de radiacioacuten con el fin de realizar un ajuste estadiacutestico de los mismos y minimizar los errores asociados a ellos
Para el caacutelculo del potencial solar en la zona del central umlGeorge Washingtonuml fue necesario calcular la radiacioacuten solar directa (DNI) que incide en ese lugar y la duracioacuten diurna del diacutea
211 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa
Para el caacutelculo de la radiacioacuten solar directa en la zona de la UEB uml George Washington uml se tomaron como coordenadas de referencia la latitud y la longitud Lat 22587 Long -80244
Para ello se utilizaron modelos estadiacutesticos que permitieron obtener varios valores de radiacioacuten solar directa (DNI) teniendo en cuenta la posicioacuten geograacutefica del lugar y el diacutea del antildeo que se analiza dicha radiacioacuten En este caso se usoacute la foacutermula para condiciones normales
DNI = 1230 ∙ e^ (minus1
38∙cos∙(120579120579120579minus16)) (1)
27
Doacutende
Aacutengulo de incidencia solar θs El valor del aacutengulo de incidencia (θs) sobre la normal a una superficie plana estaacute dado por la siguiente foacutermulaθs
120579119904 = cosminus1(sin 119889 ∙ sin 119871 ∙ cos 119904 minus sin 119889 ∙ cos 119871 ∙ sin 119904 ∙ cos 119892 + cos 119889 cos 119871 ∙ cos 119904 ∙ cos 119908 +cos 119889 ∙ sin 119871 ∙ sin 119904 ∙ cos 119908 ∙ cos 119892 + cos 119892 ∙ sin 119904 ∙ sin 119892 ∙ sin 119908) (2)
Doacutende
d- Aacutengulo de declinacioacuten L- Latitud geograacutefica s- Inclinacioacuten del colector g- Orientacioacuten del colector w- Aacutengulo horario
212 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea (nuacutemero de horas en que el sol estaacute
sobre el horizonte)
119915 = 120784 ∙119934119930
120783120787 (3)
Doacutende
119830119826 = 119836119848119852minus120783(minus 119853119834119847 119923 ∙ 119853119834119847 119941) (4)
L-Latitud geograacutefica
d-Declinacioacuten
Se compararon los resultados de DNI por la metodologiacutea utilizada en este trabajo con la base de datos de la NASA (httpeosweblarcnasagovsse 2017)
Aun asiacute los lugares para desarrollar aplicaciones de energiacutea solar teacutermica por concentracioacuten deben cumplir con unos estaacutendares de acuerdo a la radiacioacuten solar perpendicular a la superficie incidente sobre un metro cuadrado para que sea eficiente dicha instalacioacuten lo cual se valora de la siguiente manera
Se tuvieron en cuenta los valores de radiacioacuten solar directa (kWm2diacutea) (GESIME 2014)
No idoacuteneos Hasta 1700 kWhmsup2antildeo (47 kWhmsup2diacutea)
Idoacuteneos Entre 1700 y 2700 kWhmsup2antildeo (47 y 74 kWhmsup2diacutea)
Oacuteptimos Maacutes de 2700 kWhmsup2antildeo (74 kWhmsup2diacutea)
28
213 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
El colector ciliacutendrico paraboacutelico que se propuso fue el (Eurotrough-150) cuyas caracteriacutesticas se observaran en la tabla4 y figura 11
Tabla 4 Caracteriacutesticas del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico Eurotrough-150 (ET-150)
Figura 11 Prototipo EUROTrough en la Plataforma Solar de Almeriacutea Espantildea
Para el caacutelculo del rendimiento global de un Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico hay que realizar un balance energeacutetico teniendo en cuenta las peacuterdidas que suceden en el mismo
Caracteriacutesticas um
Ancho de apertura 577 m
Longitud total de cada colector 150 m
Aacuterea de apertura del colector 8175 m2
Longitud focal 171 m
Longitud del absorbedor 41 m
Radio exterior del absorbedor 0035 m
Radio interior del absorbedor 00325 m
Distancia entre filas de colectores 17 m
Rendimiento Oacuteptico pico 78
Factor de ensuciamiento 95
Disponibilidad 97
29
214 Peacuterdidas geomeacutetricas
La geometriacutea del canal paraboacutelico lleva asociada una disminucioacuten del aacuterea efectiva de captacioacuten Estas peacuterdidas se dividen en dos grupos Peacuterdidas debidas a la posicioacuten relativa de los colectores los cuales se pueden dar sombra unos a otros Peacuterdidas inherentes a cada colector son las debidas al aacutengulo de incidencia de
la radiacioacuten solar (g) respecto a la normal del plano de apertura del colector (figura
12)
Figura 12 Aacutengulo de incidencia en un Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
Como consecuencia de este aacutengulo existe una peacuterdida de superficie reflexiva uacutetil en los extremos del colector Por tanto el aacutengulo de incidencia tiene gran importancia sobre el comportamiento teacutermico del colector puesto que limita la cantidad de radiacioacuten solar que se puede aprovechar Se hizo una comparacioacuten del aacutengulo de incidencia en cuanto a la orientacioacuten y el seguimiento solar del colector ciliacutendrico paraboacutelico
Si la orientacioacuten (g) es de Norte-Sur con seguimiento solar Este-Oeste g = 0ordm
Si la orientacioacuten (g) es de Este-Oeste con seguimiento solar Norte-Sur g = 90ordm
Declinacioacuten seguacuten foacutermula de Cooper (Ribot J 2001)
119889 = 2345 ∙ 119904119890119899 [360 ∙(284+119899)
365] (5)
Siendo ldquonrdquo el nuacutemero de diacutea natural para el 1 de enero n=1 y para el 31 de diciembre
n=365
El aacutengulo horario se calcula seguacuten la foacutermula
30
120591 = 15deg ∙ (ℎ119904 minus 12) (6)
Siendo ldquohsrdquo las horas de reloj El valor es negativo por la mantildeana y positivo tras el mediodiacutea y cero al mediodiacutea solar
Se consideroacute el aacutengulo horario 0ordm por ser el mediodiacutea solar donde maacutes radiacioacuten incide sobre la tierra con el objetivo de simplificar los caacutelculos
Se consideroacute el aacutengulo de inclinacioacuten igual a 0ordm (disposicioacuten horizontal) por ser maacutes eficiente
La latitud del lugar en estudio (UEB uml George Washington uml) Santo Domingo es de 22587ordm
Las peacuterdidas asociadas al aacutengulo de incidencia son miacutenimas cuando el aacutengulo es
0ordm cos 120579119904 = 1 y maacuteximas cuando es 90ordm Por tanto cuanto menor sea el aacutengulo de incidencia mayor es la energiacutea solar incidente sobre el colector y mayor es el rendimiento del mismo
215 Peacuterdidas oacutepticas
Caacutelculo del rendimiento oacuteptico pico del colector 120578119900119901119905119874119900 que es aquel que tiene en
cuenta todas las peacuterdidas oacutepticas que tienen lugar en el captador con un aacutengulo de incidencia de 0ordm 120578119900119901119905119874119900 = 120588 ∙ 120574 ∙ 120591 ∙ 120572 (7)
Donde
120588 Reflectancia no toda la energiacutea incidente es reflejada hacia el tubo absorbedor
120574 Factor de interceptacioacuten no toda la radiacioacuten reflejada por los espejos acaba incidiendo sobre el tubo absorbedor Las causas son diversas imperfecciones en los espejos un mal posicionamiento de los colectores etc
120591 Transmitancia de aquella radiacioacuten que intercepta el tubo de vidrio solo una parte consigue atravesarlo
α Absortancia cantidad de radiacioacuten que absorbe la superficie selectiva del tubo metaacutelico
Ademaacutes de las peacuterdidas debidas al aacutengulo de incidencia existen otras peacuterdidas que se asocian a dicho aacutengulo El efecto del aacutengulo de incidencia en el rendimiento del CCP se cuantifica mediante el modificador por aacutengulo de incidencia 119870(120579119904) Eacuteste considera todas las peacuterdidas oacutepticas y geomeacutetricas que tienen lugar en el captador
para un aacutengulo de incidencia 120579119904 ne 0ordm y que no se tienen en cuenta en el rendimiento oacuteptico pico
31
El modificador por el aacutengulo de incidencia depende directamente del aacutengulo de
incidencia siendo 119870(120579119904) = 1 para 120579119904 = 0deg y siendo 119870(120579119904) =0 para 120579119904 = 90deg y se
obtiene como funcioacuten de eacuteste seguacuten la expresioacuten
119870(120579119904) = 1 minus 223073 ∙ 10minus4 ∙ (120579119904) minus 11 ∙ 10minus4 ∙ (1205791199042) + 318596 ∙ 10minus6 ∙ (120579119904
3) minus 485509 ∙
10minus9 ∙ (1205791199044) (8)
216 Peacuterdidas teacutermicas
Las peacuterdidas teacutermicas que tiene lugar en un CCP dan como consecuencia que la energiacutea teacutermica uacutetil sea menor que la energiacutea solar absorbida por el colector Teniendo en cuenta esto la potencia teacutermica uacutetil por colector seraacute igual la diferencia entre los calores absorbido y perdido
119906119905119894119897 = 119886119887119904 minus 119901119890119903119889 (9)
Doacutende
119906119905119894119897 ∶ 119875119900119905119890119899119888119894119886 119905eacute119903119898119894119888119886 uacute119905119894119897 119901119900119903 119888119900119897119890119888119905119900119903 (119882)
119886119887119904 119862119886119897119900119903 119886119887119904119900119903119887119894119889119900 119901119900119903 119890119897 119891119897119906119894119889119900 119889119890 119905119903119886119899119904119891119890119903119890119899119888119894119886 119889119890 119888119886119897119900119903 (119867119879119865) (119882)
119901119890119903119889 119875eacute119903119889119894119889119886119904 119905eacute119903119898119894119888119886119904 119889119890119897 119867119879119865 119886119897 119886119898119887119894119890119899119905119890 (119882)
Peacuterdidas teacutermicas en el aceite teacutermico (HTF) Las peacuterdidas teacutermicas se producen a lo largo del circuito por donde se mueve el fluido teacutermico principalmente en dos lugares en el tubo absorbedor y en las tuberiacuteas del campo de colectores De manera que la potencia teacutermica disipada en el colector equivale a la suma de las peacuterdidas teacutermicas en el receptor y las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas por donde circula el fluido teacutermico (HTF)
119876119901119890119903119889 = 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 + 119875119890119903119889119905119906119887119890119903 (10)
Las peacuterdidas teacutermicas asociadas al tubo absorbedor 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 se deben a la diferencia de temperaturas entre eacuteste y el ambiente pudiendo ser por conduccioacuten por radiacioacuten y por conveccioacuten desde el tubo absobedor al ambiente Aunque cada una de estas peacuterdidas podriacutea calcularse aplicando las ecuaciones que rigen los mecanismos de transferencia de calor antes mencionados en la praacutectica las peacuterdidas teacutermicas globales en un colector se cuantifican mediante ecuaciones experimentales Asiacute las peacuterdidas teacutermicas en el tubo absorbedor por metro longitudinal de colector vienen dadas por la ecuacioacuten
119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 =1198751198901199031198891+1198751198901199031198892+1198751198901199031198893+1198751198901199031198894
119879119904minus119879119890 (11)
32
Doacutende
1198751198901199031198891 = (1198600 + 1198605 ∙ radic119907) ∙ (119879119904 minus 119879119890) (12)
1198751198901199031198892 = (1198601 + 1198606 ∙ radic119907) ∙ (119879119904
2minus1198791198902
2minus 119879119886119898119887 ∙ (119879119904 minus 119879119890)) (13)
1198751198901199031198893 = (1198602+1198604∙119863119873119868∙119870(120579119904)∙cos(120579119904)
3∙ (119879119904
3 minus 1198791198903)) (14)
1198751198901199031198894 =1198603
4∙ (119879119904
4 minus 1198791198904) (15)
Siendo
119879119904 Temperatura del HTF a la salida del campo solar
119879119890 Temperaturas del HTF a la entrada del campo solar
119879119886119898119887 Temperatura ambiente
119907 Velocidad del viento (ms)
Los coeficientes empleados en las foacutermulas se recogen en la tabla 5
Tabla 5 Coeficientes de peacuterdidas teacutermicas
A0 405
A1 0247
A2 -000146
A3 565E-06
A4 762E-08
A5 -17
A6 00125
En general las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas (119875119890119903119889119905119906119887119890119903 ) del campo de colectores son pequentildeas del orden de 8 Wm2 Finalmente la potencia teacutermica disipada por el aceite teacutermico a su paso por un colector es
33
119901119890119903119889 = 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 ∙ 119871119888119900119897119890119888119905119900119903 + 119875119890119903119889119905119906119887119890119903 ∙ 119878119888 (16)
Doacutende
119878119888 Aacuterea de apertura del colector (Ver tabla 1)
Un colector como todos los sistemas de concentracioacuten de la energiacutea solar solo puede aprovechar la radiacioacuten solar que incide normal a su plano de apertura De esta forma la energiacutea solar por unidad de tiempo y en el punto de disentildeo que incide sobre la superficie de apertura de un CCP viene dada por la ecuacioacuten
119904119900119897 = 119863119873119868 ∙ cos(120579119904) ∙ 119878119888 (17)
La potencia absorbida por el colector 119886119887119904 va a ser menor que la 119904119900119897 ya que eacutesta uacuteltima no tiene en cuenta las peacuterdidas oacutepticas y geomeacutetricas en el colector ni la limpieza de los espejos ni la disponibilidad del campo solar La radiacioacuten solar absorbida en un colector CCP viene dada por la ecuacioacuten
119886119887119904 = 119863119873119868 ∙ cos(120579119904) ∙ 119878119888 ∙ 119870 ∙ (120579119904) ∙ Ƞ1199001199011199050ordm ∙ 119865119888 ∙ 119865119889119894119904119901 (18)
Siendo
119865119888 Factor de ensuciamiento de los espejos (95 )Tiene en cuenta que aunque los espejos se limpien no recuperan su estado inicial 119865119889119894119904119901 Factor de disponibilidad (97 ) Fraccioacuten del campo solar que estaacute en
operacioacuten y captando la energiacutea solar El rendimiento global de un CCP viene dado por el cociente entre el aumento de entalpia en el HTF a su paso por el colector y la energiacutea solar incidente sobre el captador
Ƞ119888119900119897119890119888 =119876119906119905119894119897
119876119904119900119897 (19)
22 Dimensionamiento del campo solar de la zona de la UEB uml George
Washington uml
El dimensionamiento del campo solar consiste en determinar el nuacutemero de CCPs (o nuacutemero de lazos) necesarios para aportar la energiacutea que demanda este en el punto de disentildeo (Hidalgo 2012)
Para dimensionar el campo solar es necesario evaluar las condiciones del terreno
donde se va a realizar el montaje de los colectores y hacer un balance energeacutetico
del generador de vapor solar
34
221 Caracterizacioacuten del terrero
Se tuvo en cuenta el relieve y el tamantildeo del terreno cercano al central lo que resulto favorable para abaratar la inversioacuten en cuanto a movimientos de tierra y compra de terrenos Los recursos hiacutedricos ya tienen una infraestructura creada puesto que son necesarios para el proceso que realiza la faacutebrica actualmente Esto se basa en posos que bombean el agua hasta los filtros donde se realiza el tratamiento externo al agua y van luego al proceso todo este sistema ya se encuentra instalado y en buenas condiciones lo que resulta de gran ayuda para el proyecto futuro de Bioeleacutectrica
222 Balance energeacutetico en el generador de vapor solar (GVS)
Para calcular el nuacutemero de lazos necesarios en el campo solar es preciso conocer primero la potencia teacutermica que puede aportar el campo solar en el punto de disentildeo esto se determina mediante la foacutermula
119888119886119898119901119900 =119882119890119897119890119888119905
120578119905119906119903119887 (20)
Doacutende
119888119886119898119901119900 Potencia teacutermica del campo solar
119882119890119897119890119888119905 Potencia eleacutectrica de la turbina
120578119905119906119903119887 Eficiencia termo-mecaacutenica de la turbina (Se asumioacute de 68)
Seguidamente hay que establecer el balance de masas y energiacutea en el Generador de vapor solar (GVS) El GVS se disentildea para recuperar la energiacutea del fluido teacutermico procedente del campo solar Para el intercambiador de calor (GVS) se cumple que la cantidad de calor transferido por unidad de tiempo permanece constante o lo que es lo mismo la energiacutea total es la misma antes y despueacutes de cada transformacioacuten El balance energeacutetico en un intercambiador de calor se resuelve mediante la ecuacioacuten
119886119892119906119886 ∙ ∆119867119886119892119906119886 = 119886119888119890119894119905119890 ∙ ∆119867119886119888119890119894119905119890 (21)
Ademaacutes para cada fluido de forma individual se cumple que
= 119886119888119890119894119905119890 ∙ 119862119901119886119888119890119894119905119890∙ ∆119879 = 119898119886119888119890119894119905119890 ∙ (ℎ119904 minus ℎ119890) (22)
Doacutende
∆H Diferencia de entalpiacuteas a la entrada y a la salida del intercambiador (kJkg)
Q Potencia teacutermica intercambiada (kW)
35
m Caudal maacutesico (kgs) Cp Calor especiacutefico (kJkg ordmC)
∆T Diferencia de temperaturas a la entrada y la salida del intercambiador (ordmC) hs he Entalpiacuteas a la entrada y a la salida respectivamente (kJKg) Y seguacuten el teorema de conservacioacuten de la masa se tiene que
119890119899119905119903119886 = 119904119886119897119890
223 Caacutelculo del nuacutemero de lazos
Los caacutelculos que se han desarrollado en los acaacutepites anteriores constituyen los datos de partida para el caacutelculo del nuacutemero de colectores requeridos en el campo solar para poder alcanzar la potencia teacutermica demandada al campo solar
Caracteriacutesticas del aceite teacutermico (HTF)
El aceite teacutermico que se ha empleado como fluido calo-portador es Therminol VP-1 cuyo rango de temperatura de trabajo se encuentra entre 12-400ordmC La temperatura a la salida del campo solar no debe excederse de los 400ordmC ya que para temperaturas superiores el aceite se degrada y pierde sus propiedades teacutermicas A continuacioacuten se presentan las graacuteficas correspondientes a variacioacuten de densidad y entalpiacutea del aceite teacutermico Therminol VP-1 con la temperatura figuras 13 y 14 respectivamente y que han sido elaboradas a partir de datos del fabricante
Figura 13 Therminol VP-1 Entalpiacutea vs Temperatura
36
Figura 14 Therminol VP-1 Densidad vs Temperatura(Hidalgo 2012)
Para determinar el nuacutemero de lazos necesarios en el campo solar se ha seguido la siguiente metodologiacutea de caacutelculo
Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF
Incremento de temperatura del HTF en un colector
Nuacutemero de colectores necesarios por lazo Nuacutemero de lazos en el campo solar
224 Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF por cada lazo
El caudal de aceite estaacute controlado por la temperatura de salida del campo Cuando la radiacioacuten solar es baja el flujo se reduce con el objetivo de mantener la temperatura de salida del campo y por el contrario cuando la radiacioacuten solar es superior a la del punto de disentildeo los colectores se desenfocan para evitar que el aceite exceda los 393ordmC La velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor se calcula a partir de la expresioacuten del nuacutemero de Reynolds
119877119890 =119907∙119863∙120588
120583 (23)
Doacutende
119907 Velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor (ms) (Se asumioacute una
velocidad de 3 ms la cual es una velocidad econoacutemica)
119877119890 Nuacutemero de Reynolds (-)
120583 Viscosidad dinaacutemica del HTF a la temperatura media de trabajo (Pas)
119863 Diaacutemetro interior del tubo absorbedor (m)
120588 Densidad del HTF a la temperatura media de trabajo (kgm3)
37
Para cumplir con los requisitos de flujo turbulento el caudal miacutenimo de aceite que circula por un lazo en el punto de disentildeo es
= 119907 ∙ 119878 ∙ 120588 (24)
Siendo S en m2 la seccioacuten transversal interior del tubo absorbedor
225 Incremento de temperatura del HTF en un colector
La potencia teacutermica uacutetil del colector se invierte en aumentar la temperatura del aceite De esta forma el incremento de temperatura que sufre el aceite teacutermico a su paso por un colector es decir desde que entra en el colector y hasta que sale del mismo es
∆119879119888119900119897119890119888 = 119879119904 minus 119879119888 =uacute119905119894119897
∙119862119901 (25)
∆119879119888119900119897119890119888 Incremento de temperatura del aceite teacutermico en el colector (ordmC)
119879119888 119879119904 Temperatura del HTF a la entrada y a la salida del colector respectivamente
(ordmC)
119906119905119894119897 Potencia teacutermica uacutetil por colector (W)
Caudal maacutesico de aceite teacutermico por colector (kgs)
119862119901 Calor especiacutefico del aceite teacutermico a la temperatura media de trabajo (kJkg ordmC)
226 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
El incremento total de temperatura del HTF por lazo ΔT lazo es igual a la diferencia entre las temperaturas a la salida y a la entrada del campo solar Por tanto el nuacutemero teoacuterico de colectores en serie por lazo seraacute igual a
119873119888119900119897119890119888 =∆119879119897119886119911119900
∆119879119888119900119897119890119888 (26)
119873119888119900119897119890119888 Nuacutemero teoacuterico de colectores por lazo
∆119879119897119886119911119900 Incremento de temperatura por lazo (ordmC)
Esto implica el salto teacutermico y caudal maacutesico por lazo que es necesario tener el aceite para asiacute poder alcanzar la temperatura de entrada del agua en el economizador
227 Nuacutemero de lazos en el campo solar
A diferencia del nuacutemero de colectores que viene fijado por el salto de temperatura del aceite teacutermico en el campo el nuacutemero de lazos paralelos que conforman el campo solar depende de la potencia teacutermica demanda por el campo El nuacutemero de lazos es igual al cociente entre la potencia teacutermica del campo solar y la potencia teacutermica uacutetil por colector
38
119925119949119938119963119952 =119940119938119950119953119952
uacute119957119946119949 119935119949119938119963119952 (27)
Doacutende
119925119949119938119963119952 Nuacutemero de lazos
119940119938119950119953119952 Potencia teacutermica del campo solar (kW)
uacute119957119946119949 Potencia teacutermica uacutetil por lazo (kW)
23 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un
antildeo)
Para el caacutelculo de las toneladas de CO2 dejadas de emitir se utilizaraacute el iacutendice de
generacioacuten de una planta convencional de combustible foacutesil que para Cuba es de
270 gkWh Con este iacutendice y el aumento de la produccioacuten de energiacutea eleacutectrica con
la incorporacioacuten del campo solar se calcularaacute el ahorro de combustible foacutesil y a este
valor de combustible sustituido y el uso de los factores de emisioacuten de CO2 mostrados
en la siguiente (tabla 6) se podraacute determinar cuaacutentas toneladas de CO2 es capaz de
evitar la instalacioacuten del campo solar
Tabla 6 Factores de emisioacuten de especies especificadas
Tecnologiacutea CO (gkgf) SO2 (gkgf) NO2eq (gkgf) PM10
(gkgf)
CO2
(kgkgf)
CIE-HFO 24 27 128 528 306
CIE-DO 12 4 84 195 313
Fuente (EPA 2004)
24 Factibilidad econoacutemica del proyecto
Para el caacutelculo de la rentabilidad econoacutemica se optimizoacute la dimensioacuten del campo solar que fuera maacutes rentable para este trabajo donde se tuvo en cuenta el nuacutemero de lazos necesarios del campo y la tasa interna de retorno
241 Valor actual neto (VAN)
El VAN permite calcular el valor presente de un determinado nuacutemero de flujos de caja futuros originados por una inversioacuten teniendo en cuenta la peacuterdida de valor del dinero en el tiempo a traveacutes de una tasa de descuento (Martiacutenez 2017) y se calcula mediante la siguiente ecuacioacuten
39
(28)
Donde
119868119900 Costo inicial de la inversioacuten FC Flujo de caja n El tiempo para el cual se requiere calcular el VAN i La tasa de descuento Meacutetodo de caacutelculo mediante el Excel Para calcular el VAN es necesario conocer el flujo de caja teniendo en cuenta los ingresos y los gastos Ingresos El ingreso es debido a la venta de energiacutea eleacutectrica a la red para ello se utilizoacute un precio de 021 (USDkWh) Ingresos por ventas
119868119899119892119903119890119904119900=119875119903119890119888119894119900 (119880119878119863119896119882ℎ)lowast119864119899119890119903119892iacute119886 (29) Gastos Costo fijo de operacioacuten y mantenimiento Se calcula primero la inversioacuten total mediante la ecuacioacuten siguiente
119894119899119907119890119903119904119894oacute119899 119905119900119905119886119897=119862119900119904119905119900 119906119899119894119905119886119903119894119900 119889119890 119894119899119907119890119903119904119894oacuten (119880119878119863119896119882119890)lowast119875119900119905119890119899119888119894119886 (kWe) (30) Entonces se calcula el costo fijo de operacioacuten y mantenimiento
119862119891=119894119899119907119890119903119904119894oacute119899 119905119900119905119886119897lowast02 (31) Donde
119862119891 Costo fijo de operacioacuten y mantenimiento
Costo variable de operacioacuten y mantenimiento
119862119907=119864119899119903119892iacute119886 (119896119882ℎ)lowast002(119880119878119863119896119882ℎ) (32)
Donde
119862119907 Es el costo variable de operacioacuten y mantenimiento A continuacioacuten se calcula la utilidad antes de impuesto que es la diferencia entre los ingresos y los costos de operacioacuten fijo y variable 119880119879119860=119894119899119892119903119890119904119900minus(119862119891+119862119907) (33)
Donde
119880119879119860 Es la utilidad antes de impuesto o neta Entonces el impuesto en Cuba es del 35 de la utilidad neta
40
119868119898119901119906119890119904119905119900=035lowast(119880119878119863) (34)
El flujo de caja quedariacutea como
119865119888=119880119879119860 (119880119878119863)minus119868119898119901119906119890119904119905119900 (119880119878119863) (35)
Teniendo el flujo de caja se puede calcular el VAN aplicando la tasa de descuento
del 10
Si VAN gt 0 El proyecto es rentable
Si VAN = 0 El proyecto es postergado
Si VAN lt 0 El proyecto no es rentable
242 Tasa interna de retorno (TIR)
Se define como la tasa de descuento que iguala el VAN a cero
Si TIR gt tasa de descuento (r) El proyecto es aceptable
Si TIR = tasa de descuento (r) El proyecto es postergado
Si TIR lt tasa de descuento (r) El proyecto no es aceptable La TIR es aquella tasa de descuento que iguala el valor actual de la corriente de cobros con el valor actual de la corriente de pagos por lo que es la tasa de descuento que hace al VAN igual a cero y puede utilizarse como indicador de la rentabilidad de un proyecto se utiliza como uno de los criterios para decidir sobre la aceptacioacuten o rechazo de un proyecto de inversioacuten (Martiacutenez 2017) y se puede expresar de la siguiente forma
(36) Para simplificacioacuten de los caacutelculos se utilizoacute el software Microsoft Excel que de forma iterativa busca este valor se utilizoacute la estimacioacuten de los flujos de caja para 25 antildeos al igual que para el caacutelculo del VAN
243 Periacuteodo de recuperacioacuten de la inversioacuten
El periacuteodo de recuperacioacuten se cumple cuando la suma de los flujos de caja consecutivos desde el primer antildeo da como resultado el valor de la inversioacuten pero teniendo en cuenta el efecto del tiempo sobre el dinero Calculado de esta manera se conoce como periacuteodo de recuperacioacuten de la inversioacuten descontado Para obtenerlo se hallaron todos los flujos de caja para 25 antildeos consecutivos que es el tiempo de estudio del proyecto entonces se le restoacute el descuento correspondiente a cada antildeo y se graficoacute el resultado quedando como una curva
41
Conclusiones parciales
En este capiacutetulo se realizoacute un estudio de la metodologiacutea de caacutelculo para la
realizacioacuten del dimensionamiento del campo solar para la tecnologiacutea de colectores
cilindro paraboacutelico para esto se escogioacute la metodologiacutea planteada por (Hidalgo
2012) Siendo fundamental el estudio de la radiacioacuten solar de la zona en que estaacute
situada la instalacioacuten Tambieacuten se tuvo en cuenta el acceso a los recursos hiacutedricos
y la cercaniacutea a la red eleacutectrica nacional lo cual no tuvo ninguna dificultad puesto
que donde se pretende ubicar el campo ya existe una instalacioacuten con todas estas
necesidades cubiertas que es el central al cual se pretende convertir en
bioeleacutectrica Luego de estos anaacutelisis y una vez dimensionado el campo solar se
realizoacute el caacutelculo de la rentabilidad econoacutemica seguacuten lo planteado por (Martiacutenez
2017) planteaacutendose como principales indicadores econoacutemicos el costo nivelado de
la energiacutea generada costo de inversioacuten VAN y TIR El impacto ambiental se tuvo
en cuenta mediante el caacutelculo de las emisiones de CO2 dejadas de emitir si la
energiacutea generada con el excedente de bagazo ahorrado por la insercioacuten del campo
hubiera sido generada por una planta teacutermica convencional
42
Capiacutetulo 3 Resultados y Discusioacuten
En este capiacutetulo se exponen los resultados de los caacutelculos efectuados y a la vez se
interpreta el porqueacute de estos asiacute como la discusioacuten de las bibliografiacuteas consultadas
31 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB umlGeorge Washington uml
311 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa
Para el caacutelculo de la radiacioacuten solar directa (DNI) primeramente se halloacute el aacutengulo
de declinacioacuten de cada mes Dicho aacutengulo se anuloacute para el 22 de Marzo y el 23 de
Septiembre puesto que ocurren los equinoccios momento del antildeo en que el sol estaacute
situado en el plano del ecuador terrestre y alcanzoacute el valor maacuteximo positivo el 22 de
Junio y el valor maacuteximo negativo el 22 de diciembre diacuteas en que ocurren los
solsticios que son los momentos del antildeo en los que el sol alcanza su mayor o menor
altura aparente en el cielo y la duracioacuten del diacutea o de la noche son las maacuteximas del
antildeo respectivamente (figura 15)
Figura 15 Aacutengulo de declinacioacuten para los diferentes meses del antildeo
Los valores de DNI que inciden en la zona de la UEB umlGeorge Washingtonuml se
mantuvieron como promedio por encima de 10 kWhm2diacutea seguacuten la metodologiacutea
de caacutelculo empleada siendo oacuteptimos para la instalacioacuten de este tipo de tecnologiacutea
Esto pudiera ser debido a que por la metodologiacutea de caacutelculo solo se tuvo en cuenta
la latitud geograacutefica y el diacutea del antildeo en que se analizoacute dicha radiacioacuten por esta
razoacuten se observoacute que sus valores fueron mayores que los valores de radiacioacuten solar
-30
-20
-10
0
10
20
30
Gra
dos s
exagesim
ale
s
Aacutengulo de declinacioacuten
43
directa que aporta la base de datos de la NASA (httpeosweblarcnasagovsse
2017) como promedio 506 kWhm2diacutea y los aportados por el Instituto de
Meteorologiacutea cubano para esta zona (como promedio 582 kWhm2diacutea) idoacuteneo para
este tipo de tecnologiacutea de los datos de radiacioacuten analizados se utilizoacute para los
caacutelculos siguientes de dimensionamiento del campo los aportados por el instituto de
meteorologiacutea cubano por ser los maacutes especiacuteficos y detallados de todas las fuentes
consultadas Algunos meses como noviembre y diciembre no alcanzan el valor
idoacuteneo de 47 kWhm2-diacutea sin embargo (La Rosa 2014) planteoacute que Cuba se
localiza en una zona geograacutefica de alta radiacioacuten solar y que se caracteriza por la
gran cantidad de diacuteas soleados en el antildeo
Figura 16 Comparacioacuten entre el DNI calculado por la metodologiacutea el aportado por la NASA
y el obtenido por el Instituto de Meteorologiacutea cubano
En cada metro cuadrado del territorio cubano se recibe diariamente una cantidad de
energiacutea solar equivalente a medio kilogramo de petroacuteleo combustible valor
promedio praacutecticamente invariable durante todo el antildeo Otra de las caracteriacutesticas
de la radiacioacuten solar en Cuba es que su valor es casi igual en todo el paiacutes ya que
la diferencia en latitud desde el lugar maacutes bajo hasta el maacutes alto es de soacutelo 3 grados
Por lo tanto la radiacioacuten solar en Cuba es utilizable en todo el territorio y durante
todo el antildeo con un valor medio de maacutes de 5 kWhm2diacutea tanto en su forma de
bioenergiacutea o biomasa energiacutea hidraacuteulica energiacutea eoacutelica o directamente convertida
en calor o electricidad (Beacuterriz 2000)
0
2
4
6
8
10
12
14
DN
I (k
Whm
2-d
iacutea)
meses
Radiacioacuten solar
Calculado NASA Meteorologiacutea cubana
44
312 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea
Luego de haber calculado la semiduracioacuten diurna en grados sexagesimales (WS)
para cada diacutea del antildeo en la zona de la UEB umlGeorge Washingtonuml se calcularon las
horas de luz solar durante el diacutea lo cual se muestra promediado en la tabla 7 donde
se ve que esta es mayor que 10 horas asiacute como tambieacuten se observa que son maacutes
largos los diacuteas en los meses de verano (Abril-Agosto)
Tabla 7 promedio de horas de sol al diacutea por meses del antildeo
32 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
Se realizoacute el balance energeacutetico del CCP teniendo en cuenta las peacuterdidas que
sucedieron en el mismo debido a su fabricacioacuten y a su posicioacuten
321 Peacuterdidas geomeacutetricas
Peacuterdidas debidas a la posicioacuten relativa de los colectores
En este trabajo no se tuvo en cuenta las peacuterdidas por sombras ya que se asumioacute
que la construccioacuten de estos colectores iba a estar lo suficientemente separados
para que no se pudieran dar sombra unos a otros
Peacuterdidas inherentes a cada colector
Se comparoacute el aacutengulo de incidencia en cuanto a la orientacioacuten y el seguimiento solar
del colector ciliacutendrico paraboacutelico Se seleccionoacute la orientacioacuten N-S con seguimiento
solar E-O por lo que se seleccionoacute para el caacutelculo del resto de las variables (g = 0)
Para la inclinacioacuten del colector se tomoacute con eje horizontal (s = 0) Se consideroacute el
aacutengulo horario 0ordm por ser el mediodiacutea solar donde maacutes radiacioacuten incide sobre la
tierra con el objetivo de simplificar los caacutelculos
Con los datos calculados anteriormente se halloacute el aacutengulo de incidencia (figura 17)
En este caso se observa que a diferencia de la radiacioacuten solar directa el aacutengulo de
incidencia es menor para los meses de verano reafirmando que a menor aacutengulo de
incidencia mayor la radiacioacuten que va a captar el colector
enero febrero marzo abril mayo junio julio agosto septiembre octubre noviembre diciembre
108 112 119 125 131 134 132 127 121 114 109 106
45
Figura 17 Aacutengulo de incidencia por meses para una orientacioacuten N-S con seguimiento solar
E-O
322 Peacuterdidas oacutepticas
Las caracteriacutesticas oacutepticas del colector ET-150 se reflejaron en la tabla 8 y con estas
se calculoacute el rendimiento oacuteptico
Tabla 8 Caacutelculo del rendimiento oacuteptico
Rendimiento oacuteptico
ntilde Reflectividad superficie reflectora 090
ocirc Transmisividad del cristal absorbedor 095
aacute Absortividad del tubo del absorbedor 096
ɣ Factor de interceptacioacuten 095
Ƞopt0ordm= 078
Cuanto mayor es el valor del rendimiento oacuteptico mayor seraacute el rendimiento del
captador Asiacute cuanto mayor sea el valor de las variables que lo definen mejor seraacute
el rendimiento de los captadores (Rojas 2013)
Ademaacutes de las peacuterdidas debidas al aacutengulo de incidencia existen otras peacuterdidas que
se asocian a dicho aacutengulo El efecto del aacutengulo de incidencia en el rendimiento del
CCP se cuantifica mediante el modificador por aacutengulo de incidencia 119870(120579119904)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Gra
do
s se
xage
sim
ale
s
Aacutengulo de incidencia
46
323 Peacuterdidas teacutermicas
Se calculoacute la potencia teacutermica uacutetil la potencia teacutermica absorbida y la potencia
teacutermica perdida La energiacutea teacutermica uacutetil fue menor que la energiacutea teacutermica absorbida
Esto es debido a las peacuterdidas teacutermicas que se presentan en este tipo de tecnologiacutea
Durante los meses de verano existioacute un descenso de las diferentes potencias
calculadas a causa de las condiciones de nubosidad (lluvia) para esta eacutepoca del
antildeo (figura 18) Para los meses de invierno las potencias decrecieron debido a la
disminucioacuten de la radiacioacuten solar tiacutepico en esta eacutepoca del antildeo
Figura 18 Energiacutea solar por unidad de tiempo radiacioacuten solar absorbida en un colector
peacuterdidas teacutermicas y potencia teacutermica uacutetil para todos los meses del antildeo
Estas peacuterdidas teacutermicas influyeron negativamente en el rendimiento global del
colector CCP ET-150 que tuvo un valor aproximado al 70 Para los meses de
verano hubo un mayor rendimiento aunque este se vio afectado por la nubosidad
El funcionamiento teacutermico de cualquier captador solar estaacute determinado por el
llamado rendimiento global definido como la relacioacuten entre la potencia teacutermica que
es capaz de proporcionar o potencia teacutermica uacutetil y la potencia procedente del Sol
que se tome como referencia No toda la potencia solar puede ser absorbida por el
receptor Existen una serie de peacuterdidas de energiacutea debidas tanto a la geometriacutea y
oacuteptica del captador como a las propiedades de los materiales del propio receptor
que hay que tener en cuenta (Rojas 2013)
16
161
162
163
164
165
166
167
168
169
17
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Qp
er(
kW
h)
Qso
lu
til(
kW
h)
meses
Peacuterdidas teacutermicas
Qsol Qutil Qperd
47
33 Dimensionamiento del campo solar
331 Caracterizacioacuten del terrero
El terreno del central George Washington es llano desprovisto de grandes
obstaacuteculos que puedan crear dificultades en la construccioacuten del campo y crear
sombras que entorpezcan la radiacioacuten del sol en los espejos reflectores Estaacute
cercano a la carretera y consta con posos que facilita el acceso a los recursos
hiacutedricos en el emplazamiento Estaacute solucionado el problema de la conectividad a la
red eleacutectrica nacional puesto que el central ya contaba con esta infraestructura Por
lo tanto posee las condiciones idoacuteneas para la instalacioacuten de un campo solar
332 Balance energeacutetico en el intercambiador de calor
A partir de la temperatura que se quiere elevar el agua de alimentacioacuten de la caldera
(260 oC) y el flujo de esta (255 kgs) se determina una cantidad de energiacutea teacutermica
que debe suministrar el campo para suplir esta demanda Dicha energiacutea teacutermica se
logra a traveacutes de la radiacioacuten solar captada por los colectores la cual es transferida
en forma de calor a un fluido portador en este caso aceite HTF Este necesita un
determinado flujo para absorber toda esa energiacutea y luego transferirla al agua Los
caudales necesarios para la captacioacuten de este calor se encuentran en la (tabla 9)
Tabla 9 Paraacutemetros termodinaacutemicos en el intercambiador de calor
Datos Agua de
alimentacioacuten Aceite teacutermico
Caudal(kgs) 255 462
Temperatura(ordmC) 166 300
Presioacuten (bar) 67 25
Entalpiacutea (kJkg) 6974 490
Con estos datos se concluye que para calentar un flujo de agua de 255 kgs (a
temperatura de 166ordmC y presioacuten de 67 bar) hasta alcanzar una temperatura de
260ordmC se necesita un flujo de energiacutea teacutermica de 106225 kW lo cual es
proporcionada por 462 kgs de aceite teacutermico proveniente del campo solar que estaacute
a una temperatura de 300ordmC y presioacuten de 25 bar
48
333 Caacutelculo del nuacutemero de lazos
3331 Caacutelculo del caudal miacutenimo de circulacioacuten del fluido de transferencia de
calor (HTF) por cada lazo
Para que exista un flujo turbulento por el interior del tubo absorbedor a una velocidad
del fluido econoacutemica de 3 ms el caudal miacutenimo de circulacioacuten debe ser de 86 kgs
(tabla 10)
Tabla 10 Caudal miacutenimo de circulacioacuten del fluido de transferencia de calor (HTF) por
cada lazo
Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF por cada lazo 86 kgs
Nuacutemero de Reynolds 874E+5
Velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor 3 ms
Viscosidad dinaacutemica del HTF a la temperatura media de
trabajo 194E-04 kgmmiddots
Densidad del HTF a la temperatura media de trabajo 870 Kgm3
3332 Incremento de la temperatura del HTF en un colector
Para calentar el flujo de aceite de 200 a 300ordmC lo cual equivale a un salto teacutermico
por lazo de 100ordmC es necesario 4 colectores por lazo Por tanto el salto de
temperatura promedio del HTF a su paso por un colector es aproximadamente de
283ordmC (tabla 11)
Tabla 11 Salto de temperatura promedio del HTF a su paso por un colector
meses ∆119931119949119938119963119952() ∆119827119836119848119845119838119836() 119821119845119834119859119848119852
Enero 100 248 40
Febrero 100 263 38
Marzo 100 301 33
Abril 100 343 29
Mayo 100 333 30
Junio 100 318 31
Julio 100 325 31
Agosto 100 330 30
Septiembre 100 286 35
Octubre 100 262 38
Noviembre 100 202 50
Diciembre 100 186 54
49
3333 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
El nuacutemero de colectores necesarios por lazo para cada mes se refleja en la (tabla
12) Con este resultado se concluye que la cantidad de colectores totales que debe
tener cada lazo del campo solar es aproximadamente de 4
Tabla 12 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo para cada mes del antildeo
Meses Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
Enero 40
Febrero 38
Marzo 33
Abril 29
Mayo 30
Junio 31
Julio 31
Agosto 30
Septiembre 35
Octubre 38
Noviembre 50
Diciembre 54
3334 Nuacutemero de lazos en el campo solar
Al ser la potencia teacutermica del campo solar 106225 kW y ser la potencia teacutermica uacutetil
promedio por lazo aproximadamente de 26556 kW el nuacutemero de lazos necesarios
por campo solar debe ser aproximadamente de 4
Para generar 106 MW teacutermico con una radiacioacuten promedio de 5355 Wm2 para todo
un antildeo la dimensioacuten del campo solar debe ser de 44448 m2 Esto se logra con un
total de 4 lazos con 4 colectores cada uno
334 Caacutelculo del ahorro de bagazo propiciado por el campo
Una de las ideas fundamentales de este proyecto es el ahorro de bagazo para su
uso fuera de temporada y asiacute no parar la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica por la
ausencia de combustible Para esto se halloacute el iacutendice de generacioacuten con el campo
(tabla 13) quedando un ahorro de maacutes de 25 mil toneladas de bagazo Pudiendo
dar un margen de 30 diacuteas maacutes de generacioacuten de electricidad lo que equivale a maacutes
de 14 mil MWe
50
Tabla 13 Generacioacuten en el periacuteodo de zafra y ahorro de bagazo propiciados por el campo
solar
Generacioacuten eleacutectrica total 111063 MWh
Iacutendice de generacioacuten sin campo 500 kWhtb
Iacutendice de generacioacuten con campo 575 kWhtb
Ahorro de bagazo 251586 TonZafra
Porciento de bagazo ahorrado 14
Generacioacuten con el excedente de Bagazo 14463 MWh
Seguacuten los datos de la tabla 13 y suponiendo que la zafra sea de 120 diacuteas sin contar
las paradas este resultado extenderiacutea la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica a 232 diacuteas
aproximadamente maacutes de la mitad del antildeo y solo se necesitariacutea para los restantes
133 diacuteas del antildeo abastecerse por medio de otra fuente como pudiera ser bagazo
aportado por centrales cercanos que funcionaran como tributarios o utilizar otro
combustible complementario como los residuos agriacutecolas cantildeero lentildea o carboacuten de
marabuacute
34 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un
antildeo)
Para el caacutelculo se halloacute el ahorro de combustible foacutesil con la incorporacioacuten del campo
solar De la (tabla 14) mostrada en el capiacutetulo anterior se tomoacute el valor para las
emisiones de CO2 que fue de 306 kgkgf lo que reflejoacute los siguientes resultados
Tabla 14 Ahorro de combustible y emisiones de CO2 dejadas de emitir propiciado por el campo
Iacutendice de generacioacuten de una planta
teacutermica convencional en Cuba 270 gkWh
Ahorro de combustible Foacutesil 3888 TCC
CO2 dejado de emitir 11897 Ton
35 Factibilidad econoacutemica del proyecto
Para los caacutelculos de factibilidad econoacutemica en este proyecto se ha tomado los
siguientes valores (tabla 15)
51
Tabla 15 Valores necesarios para el caacutelculo de la factibilidad econoacutemica
Precio de la electricidad 021 $kWh
Impuestos 30
Tasa de descuento 10
Vida uacutetil 25 antildeos
Tambieacuten se tuvieron en cuenta los costos de inversioacuten del campo solar (tabla 16)
Tabla 16 Costos de Inversioacuten del campo solar Fuente (IDEA 2013)
Captacioacuten y concentracioacuten de
energiacutea solar
Campo solar(CCP)
espejos 35 Eur m2
apertura
130800 m2
457800
euros
estructuras
metaacutelicas
72 Eur m2
apertura
13080
m2
941760
euros
sistemas de
posicionamiento
6600 Eurunid
16
unidades
108585
euros
movimiento de
tierras
21 Eur m2
apertura
13080
m2 27468000 euros
cimentacioacuten 37 Eur m2
apertura
13080
m2 48396000 euros
montaje 43 Eur m2
apertura
13080
m2 56244000 euros
nave de montaje 545 Eur m2
apertura
13080
m2 7128600 euros
costo total
2900511
euros
Sistema de conversioacuten solar teacutermico
aceite teacutermico 283 Eurkg
100
Kg 283 euros
tubos
absorbedores
892 Eurtubo
16
tubos
14675
euros
juntas rotativas 190 Eur unid 33 unidades 625187 euros
tuverias valvulas y
accesorios
13400 Eurlazo 4 lazos 4915834 euros
sistTrasiego
aceites
87000 Eurlazo 4 lazos 31916236 euros
sistPurificacioacuten
de aceite
380000 Eur unid 1 unidades 380000 euros
ProteccContra
incendios
11400 Eurlazo 1 lazos 11400 euros
sistInertizacioacuten 5900 Eurlazo 1 lazos 5900 euros
52
Intercambiador
aceite-vapor
240 EurkW 10623 kWe 2549400 euros
calderas GV 53 EurkWt - 0 euros
costo total 33362310 euros
TOTAL DEL COSTO DE INVERSIOacuteN
9137253
euros
9959606
doacutelares
Tabla 17 Costos de operacioacuten y mantenimiento (OampM) del campo solar en millones de
euros (MEUR MWantildeo) Fuente (IDEA 2013)
Personal 001 MEUR MWantildeo
Mantenimiento 004 MEUR MWantildeo
Otros 002 MEUR MWantildeo
total 007 MEUR MWantildeo
Tabla 18 Costos de operacioacuten y mantenimiento (OampM) del campo solar en MEUR Fuente
(IDEA 2013)
Potencia del
campo solar
11 MW
Personal 011
Mantenimiento 042
Otros 021
total 074
Esto equivale a un costo fijo de 1772000 doacutelares en operacioacuten y mantenimiento
Paraacutemetros operativos
Venta de electricidad 21 centkWh
Produccioacuten de electricidad solar 144626 MWhantildeo
Costos OampM campo solar 289252 USD antildeo
Costo nivelado de la energiacutea generada
Este costo se determinoacute al sumar los costos variables el de inversioacuten total y los
costos de operacioacuten y mantenimiento luego se dividioacute entre la generacioacuten total de
la planta en los 25 antildeos de vida uacutetil de esta tecnologiacutea quedando de 0032$kWh
351 Tasa interna de retorno (TIR)
Con un campo de 16 colectores y para las condiciones de este proyecto se obtuvo
una TIR de
TIR= 30
La TIR calculada fue mayor que la tasa de descuento por tanto el proyecto es
aceptable
53
352 Valor actual neto (VAN)
El valor actual neto es positivo con un valor que asciende a $ 34116545 por lo que
se cumple la condicioacuten de VAN mayor que cero por lo que el proyecto es rentable
353 Periacuteodo de recuperacioacuten (PR)
El tiempo en que se recupera esta inversioacuten es de aproximadamente 9 antildeos (figura
18)
Los costos de inversioacuten incluyen costes de Ingenieriacutea obtencioacuten de los permisos
necesarios y autorizaciones administrativas obra civil y equipo electromecaacutenico
Los beneficios corresponden a las ventas anuales de electricidad una vez
deducidos los gastos de operacioacuten y mantenimiento En general se estima en el
sector que para que una inversioacuten sea interesante el periacuteodo de recuperacioacuten no
debe exceder de 7 antildeos (Penche 1998) Este proyecto excede en dos antildeos lo
planteado por (Penche 1998) aunque sigue siendo factible e interesante para las
condiciones del paiacutes ya que como plantea el problema de investigacioacuten el principal
intereacutes de este trabajo es aumentar los diacuteas de generacioacuten de electricidad Debido
al problema que presenta Cuba con los iacutendices de generacioacuten se hace necesario
una mejora en este sector a toda costa priorizando esto quedando asiacute los periodos
de recuperacioacuten por detraacutes de este intereacutes primordial
Figura 19 Periacuteodo de recuperacioacuten en antildeos
Teniendo en cuenta estos tres iacutendices econoacutemicos calculados que se tuvieron en
cuenta para la rentabilidad econoacutemica de este proyecto se obtiene como resultado
que dicho proyecto es econoacutemicamente factible
-15000000
-10000000
-5000000
0
5000000
10000000
15000000
20000000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Doacutela
res
Antildeos
Periacuteodo de recuperacioacuten de la invercioacuten
54
Conclusiones
La tecnologiacutea de plantas hibridas solar-biomasa para el caso de Cuba es
potencialmente factible a partir de los valores encontrados de radiacioacuten solar
directa en todo el territorio alcanzando estos maacutes de 5 kWhm2-dia durante
todo el antildeo siendo favorable para la implementacioacuten de esta tecnologiacutea
El rendimiento global de cada colector tiene un valor aproximado del 70
debido a las peacuterdidas geomeacutetricas oacutepticas teacutermicas y por las condiciones
meteoroloacutegicas del lugar puesto que al ser Cuba una isla rodeada de mar
hay ocurrencia de un gran nuacutemero de precipitaciones y cielos nublados al
antildeo que afectan considerablemente el factor de disponibilidad del campo
solar
El campo solar tendraacute 4 colectores por lazo y 4 lazos por campo con una
potencia teacutermica de 106 MW lo que representa un aacuterea de casi 45 ha
aumentaacutendose el iacutendice de generacioacuten de electricidad de la planta con su
conversioacuten en planta hibrida (solar-biomasa) de 500 kWhtb a 575 kWhtb
Con la implementacioacuten del proyecto propuesto (hibridacioacuten biomasa-energiacutea
solar) se puede lograr un ahorro de 251586 toneladas de bagazo por zafra
lo que equivale a 30 diacuteas adicionales de generacioacuten eleacutectrica de la planta lo
que extenderiacutea la generacioacuten en la bioeleacutectrica a unos 230 diacuteas acercaacutendose
cada vez maacutes a lo previsto por la poliacutetica existente en el paiacutes de conversioacuten
de centrales en bioeleacutectricas de llegar a los 300 diacuteas Pudieacutendose saldar los
70 diacuteas faltantes con combustibles alternativos como el RAC y el marabuacute con
gran abundancia en nuestros campos
La implementacioacuten en la UEB George Washington de la hibridacioacuten permitiriacutea
anualmente con el excedente de bagazo obtenido una generacioacuten de
electricidad adicional de 145 GWh con una disminucioacuten de 11897 toneladas
de emisiones de CO2 funcionando como una fuente de empleo considerable
para los habitantes de este lugar
El estudio de la hibridacioacuten solar-biomasa en la UEB George Washington
indica que un proyecto de este tipo es factible con una inversioacuten de casi 10
millones de doacutelares logra como resultados maacutes importantes un VAN de maacutes
de 34 millones una TIR de 30 un PRD de aproximadamente 9 antildeos y un
costo nivelado de la electricidad de 0032 $kWh valor de gran motivacioacuten
para la implementacioacuten de esta tecnologiacutea
55
Recomendaciones
Extender el estudio de factibilidad de plantas de energiacutea hiacutebridas biomasa
solar a otros centrales azucareros del paiacutes que se prevean convertir en
bioeleacutectricas
Incluir en la metodologiacutea de anaacutelisis empleada en este trabajo para futuros
estudios otro tipo de tecnologiacuteas de concentracioacuten como pudiera ser la de
colector lineal Fresnel cuya aplicacioacuten ha venido en aumento en los uacuteltimos
antildeos a nivel mundial
Profundizar en el estudio de factibilidad de este proyecto analizando la
influencia de la variacioacuten de paraacutemetros como el salto entaacutelpico en el
intercambiador de calor del campo solar para la optimizacioacuten del disentildeo del
campo solar
56
Bibliografiacutea
BEacuteRRIZ L MADRUGA E 2000 Cuba y las fuentes renovables de energiacutea CUBASOLAR pp 29
CENGEL Y 2012 Termodinaacutemica Meacutexico DF
DAVID A 2007 Business and Finance Israeli Company to build largest solar park in world in US [Online] Available (httpwwwynetnewscom) [Accessed 10 febrero 2018]
E BURIN T V S MULTHAUPT A THELEN G OELJEKLAUS K GOumlRNER E BAZZO 2016 Thermodynamic and economic evaluation of a solar aided sugarcane bagasse cogeneration power plant THE 28TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON EFFICIENCY COST OPTIMIZATION SIMULATION AND ENVIRONMENTAL IMPACT OF ENERGY SYSTEMS
EPA Factor Information REtrieval (FIRE) Software Technology Transfer Network Clearinghouse for Inventories amp Emissions Factors 2004
GACETA 2007 Estrategia Ambiental Nacional Ministerio de Justicia 30 ed Gaceta Oficial Republica de Cuba
GESIME 2014 Conceptualizacioacuten del programa de desarrollo de la energiacutea solar teacutermica en Cuba 2014-2020 MINEM Desarrollado por grupo de desarrollo de la energiacutea solar teacutermica Grupo Empresarial de la Industria Sidero-Mecaacutenica 36
GUTIEacuteRREZ E 2013 ldquoEl azuacutecar cubano adquiere protagonismo energeacuteticordquo Diarios latinoamericanos de Tierrameacuterica
HERRERA I 2016 Poligeneration Workshop KTH Universidad Central Marta Abreu de Las Villas
HIDALGO L 2012 Estudio Teacutecnico-econoacutemico de una central hiacutebrida solar-ciclo combinado Proyecto final de carrera para optar por el tiacutetulo ingeniero teacutecnico de minas Departamento de sistemas energeacuteticos 79
HTTPEOSWEBLARCNASAGOVSSE 2017 Surface Meteorology and Solar Energy [Online] [Accessed 22 noviembre]
HTTPWWWWIKIPEDIAORG 2017 Energiacutea solar teacutermica [Online] [Accessed 17 diciembre 2017]
IDEA 2013 Plan de Energiacuteas (PER) 2011-2020 Instituto para la Diversificacioacuten y Ahorro de la Energiacutea
LA ROSA D 2014 Recuperacioacuten de la disponibilidad de generacioacuten en el ciclo combinado de Energas Varadero con aporte termosolar httpwwwcubasolarcu
MARTIacuteN S 2017 Colector ciliacutendrico paraboacutelico Available from httpwwwtecnoblogsanmartinwordpresscom]
57
MARTIacuteNEZ L 2017 Conjunto de alternativas tecnoloacutegicas para la ingenieriacutea conceptual del estudio de oportunidad de la conversioacuten en bioeleacutectrica del central George Washington Trabajo de diploma Universidad Central ldquoMarta Abreurdquo de Las Villas
MAXWELL E L RENNE DS 1994 Measures of Renewable Energy National Renewable Energy Laboratory
PAREDES C 2012 Disentildeo de captador solar ciliacutendrico paraboacutelico para aplicaciones rurales en Paraguay Proyecto final de carrera para optar por el tiacutetulo de ingeniero teacutecnico de minas Especialidad en recursos energeacuteticos combustibles y explosivos 57
PENCHE C 1998 Manual de pequentildea hidroeleacutectrica D I R E C C I Oacute N G E N E R A L D
E E N E R G I A ( D G X V I I ) 259
PETROLEUM B 2006 BP Statistical Review of World Energy June 2006 Quantifying Energy
PETROLEUM B 2018 Statistical Review of World Energy [Online] Available httpwwwbpcomenergyoutlook [Accessed 12 febrero de 2018]
PITZ-PAAL 2013 Solar thermal power plants BINE-Themeninfo FIZ Karlsruhe GmbH
REN 2013 Global Status Report Paris
REUszlig N 2012 Modern Gas- amp Steam Turbines in Solarthermic Applications 14th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery Honolulu
RIBOT J E A ROVIRA P ROVIRA A BAROacuteN JL 2001 Curso de Energiacutea Solar Centro de Tecnologiacutea Educativa CTE Barcelona Espantildea Obra completa 4ta edicioacuten Leccioacuten 3 El potencial real de la energiacutea solar
RODRIacuteGUEZ J 2015 Metodologiacutea para la caracterizacioacuten termoeconoacutemica de plantas hiacutebridas de generacioacuten de electricidad Tesis Doctoral Universidad Politeacutecnica de Madrid
ROJAS E 2013 Energiacutea Solar Teacutermica Observatorio de energiacutea renovable para Ameacuterica Latina y Caribe Programa de capacitacioacuten de energiacuteas renovables ONUDI 68
SALOMOacuteN R 2016 ldquoBioeleacutectricas despiertan creciente intereacutes mundialrdquo
SALOMOacuteN R 2018 Biomasa fuente de electricidad inagotable para Cuba Diaacutelogos del Sur Prensa Latina de La Habana
SEBASTIAacuteN E 2011 Sistemas de colector ciliacutendrico paraboacutelico para generar energiacutea httpeliseosebastiancom
SHILLING Z NORMAN 2003 IGCC Clean Power Generation Alternative For Solid Fuels Product Line Leader
58
WWWSOLARBUZZCOM H 2016 Abener Signs Contract for Solar Thermal Electric-Combined Cycle Hybrid Plant [Online] [Accessed 16 diciembre 2017]
1
Introduccioacuten
Las tendencias en el aumento de las temperaturas medias y el consecuente
calentamiento global son ya una amenaza para la vida existen en el presente
evidencias de sus impactos y Cuba no se encuentra exenta ejemplo de ello son
Degradacioacuten de los suelos (erosioacuten drenaje salinidad acidez compactacioacuten entre
otros) Estos afectan grandes extensiones de superficie agriacutecola del paiacutes (Gaceta
2007) Tambieacuten se ha visto maacutes recientemente el aumento de la intensidad de los
ciclones y la cantidad de estos que se forman anualmente Un ejemplo de esto fue el
huracaacuten Irma que azotoacute la isla a finales del antildeo 2017 siendo este de categoriacutea 5
afectando a casi todo el territorio nacional causando grandes dantildeos materiales Papel
protagoacutenico en este resquebrajamiento de la salud del planeta lo tiene el uso
indiscriminado de los combustibles foacutesiles Actualmente la mayor parte de la
generacioacuten de energiacutea teacutermica en el mundo estaacute basada en hidrocarburos
provenientes del petroacuteleo y gas natural cuyas reservas probadas permitiraacuten satisfacer
la demanda soacutelo para algunos antildeos maacutes ya que se cuenta con estudios que
demuestran que las reservas de petroacuteleo mundial solo constan con aproximadamente
15 mil millones de barriles lo necesario para satisfacer las necesidades de la
poblacioacuten mundial por tan solo 506 antildeos (Petroleum 2018) Aun cuando hubiese
suficientes recursos foacutesiles para cubrir la creciente demanda el problema estaacute
relacionado con la contaminacioacuten especiacuteficamente con las altas emisiones de CO2 y
muchos otros que afectan seriamente el ecosistema
Se han realizados esfuerzos importantes por parte de la comunidad internacional
para la proteccioacuten del medio ambiente como son el protocolo de Montreal el protocolo
de Kioto y el tratado de Paris Bajo estos acuerdos internacionales es donde la
tecnologiacutea relacionada con el aprovechamiento de la radiacioacuten solar se reconoce
como una solucioacuten apropiada para la generacioacuten de energiacutea teacutermica y eleacutectrica Se
debe recordar que la transformacioacuten de la radiacioacuten solar es la fuente primordial de
las tecnologiacuteas renovables ya que el viento olas hidroeleacutectrica e incluso biomasa
son resultado de la potencia proveniente del Sol (Maxwell 1994 Shilling 2003)
Si bien las fuentes renovables de energiacutea tienen gran potencial econoacutemico sin olvidar
desde luego su bajo impacto ambiental hasta la fecha no han sido ampliamente
explotadas y comercializadas Lo anterior se debe principalmente al costo de
inversioacuten relativamente alto para desarrollar estas tecnologiacuteas Ademaacutes estos
sistemas no han tenido un mayor despliegue debido a la intermitencia y
requerimientos de almacenamiento de energiacutea por lo que es comuacuten que se opte por
fuentes convencionales Sin embargo en los sistemas con fuentes renovables
ademaacutes de su bajo impacto ambiental un punto que se debe considerar es el costo
2
de operacioacuten ya que estas tecnologiacuteas no presentan consumo de combustible para
su operacioacuten Asiacute la amortizacioacuten de los sistemas con fuentes renovables ocurre por
el ahorro de los costos asociados al consumo de combustible Dado que la energiacutea
solar en su forma primaria es gratuita el reto es disentildear sistemas de captacioacuten y
aprovechamiento que transformen esta energiacutea con sistemas que sean econoacutemicos
y faacutecilmente operables Sin embargo para el aprovechamiento de la energiacutea solar se
tiene como primera limitante su baja densidad de potencia comparada con los
combustibles foacutesiles por lo que se busca sistemas con elevada eficiencia de
conversioacuten Otra limitante es su intermitencia ya sea por el ciclo diacutea-noche o bien por
condiciones atmosfeacutericas adversas como lluvia o nublados y por la estacionalidad
En Cuba las energiacuteas renovables solo representan 46 por ciento de la generacioacuten
eleacutectrica y el resto lo aportan los combustibles foacutesiles de esto la industria azucarera
aporta el 35 por ciento Existe en Cuba un programa nacional de fuentes renovables
de energiacutea y eficiencia energeacutetica El plan para elevar la eficiencia energeacutetica
contempla que para 2030 un total de 25 ingenios generen un excedente de 872 MW
conectados a la red del Sistema Eleacutectrico Nacional Para alcanzar este objetivo se
modernizan los ingenios para transformarlos en modernas plantas bioeleacutectricas Las
inversiones estimadas estaacuten en el orden de los 1290 millones de doacutelares que se
pretenden obtener de diversas formas (Gutieacuterrez 2013)
Este trabajo tiene como propoacutesito estudiar la integracioacuten de energiacutea solar teacutermica con
biomasa para la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica y teacutermica en los esquemas
energeacuteticos de las bioeleacutectricas en Cuba Se tomaraacute como caso de estudio la Unidad
Empresarial de Base uml George Washington uml donde se evaluaraacute incorporar al
economizador de la caldera de vapor agua calentada por un campo solar compuesto
por colectores ciliacutendrico paraboacutelico prototipo EUROTrough-150 Se espera con la
introduccioacuten de esta tecnologiacutea ahorrar bagazo para que sea utilizado en la eacutepoca
pos zafra por la bioeleacutectrica que se preveacute instalar alliacute La caldera del Central basa su
funcionamiento en utilizar como combustible el bagazo residual del proceso de la
elaboracioacuten de azuacutecar
Problema
La insuficiente biomasa cantildeera para que las bioeleacutectricas alcancen al menos 300 diacuteas
de generacioacuten de energiacutea al antildeo causa que los periacuteodos de recuperacioacuten de la
inversioacuten en esta tecnologiacutea sean muy prolongados siendo una posible solucioacuten la
hibridacioacuten de biomasa cantildeera con energiacutea solar teacutermica de concentracioacuten
Se planteoacute la siguiente hipoacutetesis
Si se realiza un estudio de factibilidad de combinar la energiacutea solar teacutermica con la
biomasa cantildeera en las condiciones de Cuba se lograraacute economizar biomasa cantildeera
3
para que las bioeleacutectricas alcancen al menos 300 diacuteas de generacioacuten de energiacutea al
antildeo y a la vez lograr que se reduzcan los periacuteodos de recuperacioacuten de las inversiones
de las bioeleacutectricas en el paiacutes
Por todo lo antes expuesto y para la realizacioacuten de este trabajo de ingenieriacutea se
definioacute el siguiente objetivo general
Estudiar la factibilidad de combinar la energiacutea solar teacutermica de concentracioacuten con
biomasa cantildeera para aumentar la generacioacuten de electricidad al menos 300 diacuteas al
antildeo en las bioeleacutectricas en Cuba
Y como objetivos especiacuteficos
Determinar el potencial solar en la zona central del paiacutes para seleccionar la
tecnologiacutea de concentracioacuten solar y el esquema maacutes factible de hibridacioacuten en la
bioeleacutectrica para las condiciones de Cuba
Realizar el dimensionamiento oacuteptimo del campo solar teacutermico de concentracioacuten para
inyectar energiacutea al ciclo de las bioeleacutectricas proyectadas
Analizar la factibilidad de una propuesta de bioeleacutectrica hiacutebrida biomasa-solar
mediante el uso de indicadores econoacutemicos como el costo nivelado de la energiacutea
generada costo de inversioacuten VAN y TIR asiacute como el impacto ambiental causado
por esta para el caso de estudio UEB umlGeorge Washingtonuml
4
Capiacutetulo 1 Revisioacuten Bibliograacutefica
En este capiacutetulo se realizoacute una recopilacioacuten seleccioacuten y anaacutelisis de la literatura
consultada que constituye el marco teoacuterico del trabajo Se reconocieron las
contribuciones de otros autores buscaacutendose una loacutegica entre los propoacutesitos
investigativos y el conocimiento que existe acerca del problema que se abordoacute
11 Ciclo termodinaacutemico de la industria azucarera
En la industria azucarera cubana al igual que en todo el mundo se emplea un ciclo
de potencia de vapor especiacuteficamente un ciclo Rankine con algunas desviaciones
Se consideran ciclos de potencia de vapor en los que el fluido de trabajo se evapora
y condensa alternadamente Asimismo se analiza la generacioacuten de potencia
acoplada con un proceso de calentamiento llamada cogeneracioacuten La constante
demanda de eficiencias teacutermicas maacutes altas ha producido algunas modificaciones
innovadoras en el ciclo baacutesico de potencia de vapor Entre eacutestos se estudian ciclos
con recalentamiento y regenerativo asiacute como ciclos combinados de potencia de gas
y vapor El vapor de agua es el fluido de trabajo usado para estos ciclos de potencia
de vapor en la industria azucarera debido a sus muchas y atractivas caracteriacutesticas
como bajo costo disponibilidad y alta entalpiacutea de vaporizacioacuten(Cengel 2012)
El ciclo Rankine ideal simple consta de cuatro procesos que son los siguientes
1-2 Compresioacuten isentroacutepica en una bomba
2-3 Adicioacuten de calor a presioacuten constante en una caldera
3-4 Expansioacuten isentroacutepica en una turbina
4-1 Rechazo de calor a presioacuten constante en un condensador
Figura 1 Ciclo Rankine ideal simple
5
En la industria azucarera este ciclo de potencia no se encuentra asiacute del todo puesto
que se le realizan algunas modificaciones ya que el proceso es el que funciona como
condensador del ciclo y en otros casos como es el de las bioeleacutectricas que se
pretenden instalar se realiza un recalentamiento a la salida de la turbina de alta para
luego ser insertado en una turbina de baja Tambieacuten se colocan calentadores
regenerativos con el fin de calentar el agua a la entrada de la caldera o como se
plantea en este trabajo se puede hibridar con un campo termosolar que funcione
como calentador del agua que entra a la caldera todas estas medidas con el fin de
aumentar la eficiencia del ciclo
Al existir una generacioacuten de potencia en forma de energiacutea eleacutectrica y una demanda
de calor necesaria para el proceso de fabricacioacuten de azuacutecar el ciclo termodinaacutemico
pasa a ser un esquema de cogeneracioacuten (Herrera 2016) el cual se muestra en la
figura siguiente
Lo centrales azucareros convencionales no presentan condensador la funcioacuten de
este la realiza netamente el proceso Por lo que existe una equivalencia entre los
flujos de vapor utilizados para la generacioacuten y los que se usan en el proceso sin
poder realizar un aumento considerable de estos limitando asiacute la generacioacuten de
potencia eleacutectrica En el caso de la bioeleacutectrica no ocurre asiacute puesto que aumentan
los paraacutemetros del ciclo y con este los flujos de la sustancia termoportadora Siendo
necesaria la presencia de un condensador ya que con el proceso no basta para
Figura 2 Ciclo de cogeneracioacuten
6
condensar las enormes cantidades de vapor y que luego puedan ser transportadas
por las bombas asiacutea la caldera
12 Concepto de bioeleacutectrica
Una bioeleacutectrica es una planta de cogeneracioacuten que se construye en un aacuterea aledantildea
al central lo que facilita no detener las zafras durante el periacuteodo de construccioacuten y
montaje Su funcionamiento consiste en un ciclo Rankin con mejoras que consta de
una caldera de alta presioacuten para el proceso de adiccioacuten de calor posteriormente se
expande en una turbina de vapor y se realiza una extraccioacuten para el proceso luego
se condensa el vapor de escape de la turbina y se bombea nuevamente a la caldera
Cuando se realiza su puesta en marcha opera abastecieacutendose de todo el bagazo
producido residuos agriacutecolas y del condensado de vapor puro procedente de los
equipos de calentamiento evaporacioacuten y tachos provenientes de la faacutebrica de azuacutecar
a la que a su vez suministra el vapor de escape de los turbogeneradores para el
proceso de fabricacioacuten del endulzante asiacute como la electricidad que necesita El
excedente eleacutectrico del proceso fabril del azuacutecar se vende al Sistema Eleacutectrico
Nacional (SEN)(Salomoacuten 2018)
13 Planta hiacutebrida
Una planta hiacutebrida se define como una planta que utiliza dos o maacutes recursos
energeacuteticos en este caso solar y biomasa aprovechando las ventajas de cada uno y
disminuyendo sus desventajas como por ejemplo
Se mejora la eficiencia solar eleacutectrica
Se eliminan los arranques y paradas de la turbina que limitan su eficiencia y
encarecen su mantenimiento
Se garantiza un suministro eleacutectrico independientemente del recurso solar Ya no
es necesario el uso de sistemas de almacenamiento para satisfacer la curva de
demanda
Los costes de inversioacuten se reducen se reducen los riesgos de inversioacuten al estar
garantizada la generacioacuten de electricidad Adicionalmente se pueden aprovechar las
instalaciones ya existentes La reduccioacuten en los costes permite operar en lugares con
menor radiacioacuten solar
Sin embargo las plantas hibridas presentan incertidumbre sobre su comportamiento
a lo largo del tiempo debido a la variabilidad temporal del recurso solar de la
demanda eleacutectrica y del solapamiento de ambos Es necesario establecer coacutemo se
van a comportar las instalaciones a lo largo d un antildeo y de este modo poder determinar
su idoneidad bajo unas condiciones de radiacioacuten y de demanda eleacutectrica
dependientes del tiempo(Rodriacuteguez 2015)
7
Los principales componentes que forman parte de una planta hiacutebrida solar-biomasa
se distinguen como el bloque solar el bloque de potencia y la hibridacioacuten
Bloque solar Es donde la energiacutea del sol es convertida en energiacutea teacutermica La
tecnologiacutea solar empleada depende del rango de temperaturas de operacioacuten de la
planta hibrida Es necesario que sean compatibles con las del bloque de potencia
Bloque de potencia es el ciclo termodinaacutemico que convierte la energiacutea teacutermica en
eleacutectrica
Hibridacioacuten es el modo en que el bloque de potencia y el bloque solar son
conectados
14 La energiacutea solar
El Sol es un enorme reactor de fusioacuten nuclear formado por una esfera de materia
gaseosa caliente de 139 millones de kiloacutemetros de diaacutemetro que constituye la
principal fuente de energiacutea para la Tierra situada a una distancia media de 149106
km Debido a la radiacioacuten solar la temperatura en la superficie terrestre es alrededor
de 250ordmC superior a la temperatura que habriacutea en la superficie si eacutesta dependiera
solo del calor interno El Sol radia continuamente una potencia de 38middot1023 kW de
los cuales la Tierra intercepta 17middot1014 kW La energiacutea solar recibida en la atmoacutesfera
exterior de la Tierra en un antildeo se conoce con el nombre de SERPY (Solar Energy
Received Per Year) y corresponde a 155middot1015 MWh cantidad que equivale
aproximadamente a 12000 veces la energiacutea consumida en el mundo si se tienen en
cuenta los datos publicados de produccioacuten y consumo energeacutetico mundial durante el
antildeo 2005 (Petroleum 2006) De la radiacioacuten recibida en la superficie exterior el 30
se refleja al espacio el 47 es absorbido por la atmoacutesfera mares y tierra para
mantener la temperatura ambiente y el restante 23 se usa para mantener la
conveccioacuten atmosfeacuterica y el ciclo hidroloacutegico (Rojas 2013)
La radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera tiene un valor constante de unos 1300 Wm
denominaacutendose constante solar Sin embargo toda esta energiacutea no puede ser
aprovechada debido a diferentes fenoacutemenos que se interponen en su camino desde
el Sol hasta la superficie terrestre Al atravesar la atmoacutesfera las nubes dispersan la
radiacioacuten separaacutendola en radiacioacuten directa y difusa Las sombras causadas por
objetos proacuteximos tambieacuten contribuyen a atenuar el valor de la radiacioacuten Finalmente
el hecho de que la direccioacuten del Sol y la superficie captadora no sea la misma
tambieacuten influye en la disminucioacuten de la constante solar Todos estos factores hacen
que la energiacutea que llega a la Tierra sea de unos 1000 Wm en un diacutea claro a las 12
horas del mediodiacutea solar y a nivel del mar Esta energiacutea no es suficiente para alcanzar
las temperaturas que se requieren por lo que se utilizan elementos concentradores
La energiacutea solar tiene muchas aplicaciones donde ser utilizada Estas actividades se
clasifican en tres grupos generacioacuten teacutermica generacioacuten de trabajo y generacioacuten de
friacuteo El primer grupo contiene la generacioacuten de calor para calefaccioacuten agua caliente
8
sanitaria (ACS) desecacioacuten y refrigeracioacuten Dentro de esta divisioacuten existen
diferencias seguacuten la temperatura alcanzada Podemos distinguir procesos de baja
temperatura que usan colectores planos para ACS hasta 60ordmC procesos de media
temperatura para calefaccioacuten y produccioacuten de friacuteo y procesos de alta temperatura en
la industria La generacioacuten teacutermica tambieacuten incluye la arquitectura bioclimaacutetica La
generacioacuten de trabajo se puede dar de forma teacutermica y de forma fotovoltaica Los
parques de heliostatos o concentradores ciliacutendrico-paraboacutelicos producen vapor que
se utiliza en ciclos de potencia mientras que los paneles fotovoltaicos convierten la
luz en electricidad por medio de semiconductores Por uacuteltimo la generacioacuten de friacuteo
se produce por medio de maacutequinas de absorcioacuten
Las tecnologiacuteas usadas para este tipo de energiacutea son colectores planos para
calefaccioacuten y ACS concentracioacuten en torre discos paraboacutelicos colectores ciliacutendricos
paraboacutelicos y colectores Fresnel para la produccioacuten de electricidad Maacutes adelante se
explicaraacuten con maacutes detalle todas estas tecnologiacuteas
La principal ventaja con la que cuenta la energiacutea solar es que se trata de un recurso
inagotable que estaacute al alcance de todos pero uno de los problemas de esta reside
que la demanda no coincide con la produccioacuten Para ajustar la demanda a la
produccioacuten se hace necesario el uso de sistemas de almacenamiento Otro problema
a tener en cuenta es la intermitencia del recurso solar A lo largo del antildeo hay
numerosos diacuteas en los que las nubes impiden el correcto aprovechamiento de la
energiacutea solar La solucioacuten a este problema es la instalacioacuten de un sistema de apoyo
consistente generalmente en una caldera auxiliar operada con un combustible foacutesil
De este modo se puede prescindir de los sistemas de almacenaje (Paredes 2012)
15 Sistemas teacutermicos solares El objetivo esencial de cualquier sistema teacutermico solar es captar la radiacioacuten que
proviene del sol para transformarla en energiacutea teacutermica de un fluido y transportarla de
la manera maacutes econoacutemica y eficaz posible a un usuario Las aplicaciones del
aprovechamiento solar pueden ser directas en forma de calor o bien indirectas
utilizando este calor para obtener trabajo mecaacutenico en un eje y finalmente
electricidad Entre las tecnologiacuteas existentes hay tres que destacan por su grado de
desarrollo los sistemas de colectores cilindro paraboacutelicos (CCP) los sistemas de
receptor central (SRC) o sistemas de torre central (STC) y los discos paraboacutelicos
(DP) o maacutes propiamente paraboloides de revolucioacuten Tambieacuten existen los sistemas
de concentradores lineales Fresnel (CLF) que a pesar de no estar ampliamente
desarrollados en cuanto a tecnologiacutea se refiere merecen una mencioacuten Aunque los
campos de aplicacioacuten de los Sistemas Termo-solares de Concentracioacuten (CSTS) son
diversos es en los campos de generacioacuten de electricidad vapor de proceso o de
ambos simultaacuteneamente donde estos sistemas han alcanzado su mayor grado de
desarrollo dando lugar a Centrales Energeacuteticas Termo-solares (CETS) Las CETS
son entre los sistemas basados en el aprovechamiento de las energiacuteas renovables
uno de los de mayor potencial de contribucioacuten a la satisfaccioacuten de la demanda
9
energeacutetica especialmente en las regiones situadas en el llamado ldquocinturoacuten solarrdquo
que son aquellas que se encuentran entre las latitudes 35o norte y 35o sur (Paredes
2012)
151 Sistemas de torre central (STC)
Este sistema se caracteriza porque el conjunto colector estaacute compuesto por un grupo
maacutes o menos numeroso de concentradores planos individuales llamados heliostatos
los cuales dirigen la radiacioacuten solar concentrada hacia un receptor central situado en
lo alto de una torre Por tanto la concentracioacuten de la radiacioacuten se produce en tres
dimensiones por lo que el valor de la razoacuten de concentracioacuten es muy elevado asiacute
como las temperaturas que se alcanzan pudiendo llegar eacutestas a los 1500 degC
Figura 3 Esquema de un STC Fuente Greenpeace
A parte de los componentes principales del sistema que se detallan maacutes adelante
para un correcto funcionamiento del sistema se requieren una serie de equipos y
sistemas auxiliares como el sistema de caracterizacioacuten de imaacutegenes blancos
lambertianos para evaluacioacuten de imaacutegenes ajustes de offsets etc
El sistema colector El heliostato es junto con el receptor uno de los componentes
que representa mayor importancia dentro del sistema llegando a suponer hasta un
60 del coste total de la parte solar Su funcioacuten es la de captar la radiacioacuten solar y
redirigirla hacia el receptor
Estaacute compuesto baacutesicamente por una superficie reflectante ndashespejos de vidrio como
los de los CCPs ademaacutes de una estructura soporte mecanismos de movimiento y
un sistema de control
En cuanto al tamantildeo existen de varias dimensiones desde 40 o 50 m2 hasta su
evolucioacuten a los 150 m2 Aunque actualmente se tiende a los heliostatos maacutes
10
pequentildeos pues suponen una simplificacioacuten y abaratamiento en los procesos de
transporte instalacioacuten y puesta en servicio El campo de heliostatos en relacioacuten al
receptor estaacute condicionado en gran parte por la orografiacutea del terreno por el tamantildeo
de la planta y por la disposicioacuten del receptor Las dos formas claacutesicas de colocar los
heliostatos son
Campo circundante heliostatos alrededor de la torre
Campo Norte-Sur heliostatos a un lado de la Torre La orientacioacuten dependeraacute de
en queacute latitud se encuentre el emplazamiento
No obstante existen otras disposiciones que tratan de aprovechar la orografiacutea del
terreno (por ejemplo una ladera orientada al Sur) o usan un concentrador secundario
para evitar los inconvenientes derivados de situar el receptor sobre una torre
La torre La funcioacuten de la torre es la de servir de soporte al receptor que
normalmente debe situarse a una cierta altura sobre el nivel del campo de helioacutestatos
para reducir las sombras y bloqueos entre eacutestos y a diversos elementos auxiliares
(blancos lambertianos sistemas de medida etc) Hasta hoy las torres construidas
han sido de estructuras metaacutelicas o de hormigoacuten
El receptor Es el dispositivo donde se produce la conversioacuten de la radiacioacuten solar
concentrada en energiacutea teacutermica
152 Disco Paraboacutelico (DP)
Los sistemas de discos paraboacutelicos se componen baacutesicamente en un reflector o en
un conjunto de reflectores que tienen forma de paraboloide de revolucioacuten Ademaacutes
poseen un receptor situado en el foco puntual de dicho paraboloide y de un sistema
de generacioacuten eleacutectrica compacto (un motor o una turbina maacutes un alternador) Por lo
general receptor y sistema de generacioacuten suelen formar parte de un mismo conjunto
El principio de funcionamiento es el mismo que para los CCPacutes es decir la radiacioacuten
concentrada por el paraboloide incide sobre el receptor donde se convierte en
energiacutea teacutermica (pudiendo alcanzar los 1500 oC que permite generar electricidad Los
elementos principales del colector Disco Paraboacutelico son los siguientes
Concentrador La forma de la superficie reflexiva en este tipo de sistema es la de
un paraboloide de revolucioacuten cuyo tamantildeo depende de la potencia nominal y de la
energiacutea que se desea generar en un determinado tiempo y bajo unas condiciones de
radiacioacuten determinadas
Receptor Es un sistema de discos paraboacutelicos que tienen dos funciones
fundamentales por un lado la de absorber la radiacioacuten solar reflejada por el
concentrador y por el otro transferir la energiacutea absorbida al fluido de trabajo de la
maacutequina asociada Hasta la fecha existen dos tipos de reflectores tubos
directamente iluminados por la reflexioacuten de los rayos y receptores de reflujo
11
Sistema de Seguimiento Con objeto de seguir la posicioacuten del sol en todo momento
los discos paraboacutelicos realizan un seguimiento de eacuteste en dos ejes Se realiza seguacuten
dos tipos de montaje
Seguimiento en acimut-elevacioacuten en el que el movimiento se realiza seguacuten dos
ejes el vertical y el horizontal
Seguimiento polar en el que el movimiento en un eje es muy lento pues solo se
debe seguir las variaciones estacionales del sol y el movimiento en el otro eje es a
velocidad constante
Actualmente el uso de discos paraboacutelicos para generar electricidad se encuentra en
fase de desarrollo en algunas plantas experimentales como la de Planta Solar de
Almeriacutea pero la falta de fiabilidad y su elevado coste constituyen los principales
obstaacuteculos para su introduccioacuten real en la generacioacuten eleacutectrica En cambio
atendiendo a la misma forma estructural y con el mismo principio de reflexioacuten en un
foco puntual del paraboloide de revolucioacuten es muy comuacuten encontrar a nivel
particular cocinas solares
Figura 4 Esquema de un Disco Paraboacutelico Fuente Greenpeace
12
153 Concentrador lineal Fresnel
Esta tecnologiacutea es la maacutes nueva de las cuatro que actualmente hay disponible para
los sistemas solares de concentracioacuten Son captadores de foco lineal en los que
largos reflectores que poseen ejes de giros independientes y paralelos reflejan la
radiacioacuten solar directa sobre un tubo receptor situado sobre ellos Es la tecnologiacutea
maacutes joven de las cuatro descritas por lo que existen actualmente solo dos plantas
comerciales en funcionamiento con una potencia eleacutectrica total de 64 MWe
Figura 5 Concentrador Lineal Fresnel
154 Colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Esta tecnologiacutea cilindro-paraboacutelica basa su funcionamiento en seguimiento solar y en
la concentracioacuten de los rayos solares en unos tubos receptores de alta eficiencia
teacutermica localizados en la liacutenea focal de los cilindros En estos tubos un fluido
transmisor de calor tal como aceite sinteacutetico es calentado aproximadamente a
400ordmC por los rayos solares concentrados El aceite es bombeado a traveacutes de una
serie de intercambiadores de calor para producir vapor sobrecalentado El calor
presente en este vapor se convierte en energiacutea eleacutectrica en una turbina de vapor
convencional Los colectores cilindro-paraboacutelicos se emplean maacutes a escala industrial
de 10 a 100 MW para la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica en un campo solar y en un
sistema de potencia En el campo solar la energiacutea de la radiacioacuten solar se transforma
en energiacutea teacutermica en una serie de filas paralelas de colectores cilindro-paraboacutelicos
cada uno de ellos con seguimiento solar La eficiencia durabilidad y costo de una
central con colectores cilindro-paraboacutelicos depende fuertemente de la estructura y
robustez del colector Un moacutedulo colector generalmente compuesto de elementos
de 12 m de largo conectados en serie puede tener hasta 150 m de longitud Sus
espejos paraboacutelicos reflejan la radiacioacuten solar y la concentran sobre un tubo
absorbente en su liacutenea focal (Sebastiaacuten 2011)
13
A principios del siglo pasado (1912) la primera planta de canal paraboacutelico fue
construida en Meadi Egipto para bombeo de agua Con 79 plantas 31425 MW
instalados esta tecnologiacutea es la maacutes madura de las tecnologiacuteas CSP (maacutes de 100
antildeos de experiencia en operacioacuten) (GESIME 2014)
Las primeras centrales con colectores cilindro-paraboacutelicos operan comercialmente en
California desde 1985 En este periodo de tiempo han generado maacutes de doce mil
millones de kilowatts hora de electricidad lo que es suficiente para suministrar
electricidad a aproximadamente doce millones de personas durante un antildeo Al igual
que en centrales teacutermicas con combustibles convencionales y tambieacuten en centrales
nucleares la corriente se genera en las centrales solares teacutermicas con una turbina a
vapor y un generador acoplado (Martiacuten 2017)
El Sistema de Generacioacuten de Energiacutea solar (en ingleacutes Solar Energy Generating
System SEGS) es un conjunto de nueve plantas con una capacidad total de 350 MW
Actualmente es el sistema solar operacional maacutes grande (tanto del tipo termal o no)
La planta Nevada Solar One tiene una capacidad de 64 MW Estaacuten en construccioacuten
las plantas Andasol 1 y 2 en Espantildea cada planta tiene una capacidad de 50 MW sin
embargo estas plantas son de un disentildeo que tiene un sistema de almacenamiento
de calor que requiere un terreno con colectores solares mayor en relacioacuten al tamantildeo
del que deberiacutea tener para su generacioacuten El almacenamiento de calor permite una
mejor utilizacioacuten de las turbinas de vapor Con una operacioacuten diurna y parcialmente
nocturna la turbina de vapor de Andasol 1 con una capacidad de punta de 50 MW
produce maacutes energiacutea que Nevada Solar One con una capacidad de punta de 64 MW
debido al sistema de almacenamiento de calor y un terreno de colectores maacutes grande
que posee la planta de Andasol 1(httpwwwwikipediaorg 2017)
Existiacutea la propuesta de instalar 553 MW adicionales en el Mojave Solar Park
California (David 2007) pero este proyecto fue cancelado en el antildeo 2011 Tambieacuten
IBERDROLA (2013) puso en marcha en Egipto la central de Kuraymat de 150
megavatios (MW) de potencia Se trata de una instalacioacuten pionera en el mundo dado
que incorpora una tecnologiacutea que utiliza de forma combinada el gas y la energiacutea solar
lo que contribuye a disminuir las emisiones de CO2 y a mejorar el rendimiento global
de la planta Tambieacuten se generan 25 MW de vapor como aporte para una planta de
gas en Hassi Rmel Argelia (wwwsolarbuzzcom 2016)
El gobierno de India ha comenzado a desarrollar una iniciativa llamada Jawaharlal
Nehru National Solar Mission (tambieacuten conocida como la misioacuten solar nacional) para
resolver el problema de abastecimiento de energiacutea eleacutectrica
(httpwwwwikipediaorg 2017)
14
Figura 6 Esquema de un CCP Fuente Greenpeace
En la figura 6 se pueden ver los elementos principales del conjunto del colector de
forma maacutes detallada se definen del siguiente modo
El Reflector Ciliacutendrico Paraboacutelico su misioacuten es la de reflejar y concentrar sobre el
Receptor la radiacioacuten solar directa incidente sobre la superficie A grandes rasgos es
un espejo curvo que forma en una de sus dimensiones una paraacutebola de forma que
concentra sobre su liacutenea focal toda la radiacioacuten reflejada Entre los materiales usados
para la reflexioacuten encontramos plaacutesticos recubiertos con peliacuteculas de plata o aluminio
chapas metaacutelicas o el maacutes usado vidrios sobre los que se depositan una capa de
plata junto con un protector de base de cobre y pintura epoxi
El tubo de absorcioacuten o Receptor El tubo absorbedor consta de dos tubos
conceacutentricos separados por un espacio de vaciacuteo El tubo interior por el que circula
el fluido calo-portador es metaacutelico y el exterior es de cristal
El tubo interior es tratado con un recubrimiento metaacutelico selectivo que puede consistir
en una fina capa de cromo niacutequel cobalto o alguacuten otro acabado logrado por
Sputtering o Deposicioacuten Fiacutesica de Vapor (PVD por sus siglas en ingleacutes) Dicho
recubrimiento otorga al tubo sus propiedades uacutetiles para eacuteste uso elevada
absortividad a lo largo de todo el espectro solar y una baja emisividad en el espectro
infrarrojo lo cual se traduce en un elevado rendimiento teacutermico El tubo exterior de
vidrio cumple dos propoacutesitos de igual importancia el primero es proteger el
recubrimiento selectivo del tubo interior y minimizar las perdidas teacutermicas por
conveccioacuten Para aumentar el rendimiento oacuteptico del captador es comuacuten la utilizacioacuten
de un tratamiento antireflexivo en ambas caras del tubo de vidrio que logra mejorar
15
la transmisividad Para lograr mantener el vaciacuteo necesario entre los dos tubos se suele
soldar cada tubo el de vidrio y el de metal por separado a un fuelle metaacutelico que
soporta las diferentes dilataciones de cada material al variar la temperatura Con esto
se logra flexibilizar la unioacuten entre los dos tubos evitando grietas por las que pudiera
ingresar aire al vaciacuteo Otro mecanismo que se utiliza para mantener el vaciacuteo son los
llamados getters en ingleacutes que son colocados en el vaciacuteo debido a su propiedad de
reaccionar quiacutemicamente o por absorcioacuten con cualquier moleacutecula de gas que pudiera
penetrar al espacio confinado atrapaacutendolo y asiacute manteniendo el espacio libre de
cualquier elemento
Figura 7 Esquema del tubo de absorcioacuten o Receptor
El Sistema de Seguimiento Solar El seguimiento del Sol se hace con el objetivo
de aprovechar la mayor parte de horas posibles de luz de forma que la radiacioacuten
solar llegue lo maacutes perpendicularmente posible al colector y se mantengan en el foco
lineal continuamente Los CCPacutes pueden tener seguimiento a dos ejes o a un uacutenico
eje Normalmente el seguimiento se realiza a un eje pues mecaacutenicamente es maacutes
sencillo esto implica menos costos y menores peacuterdidas teacutermicas por no haber
tuberiacuteas pasivas La orientacioacuten puede ser Norte-Sur o Este-Oeste Los mecanismos
de accionamiento que mueven al colector pueden ser eleacutectricos (apropiado para
equipos pequentildeos) hidraacuteulicos (para lazos de colectores) y mecaacutenicos (reloj de
pesas) (Paredes 2012)
16
Figura 8 Esquema del seguimiento solar a un eje de un CCP Fuente Greenpeace
Cimentacioacuten y estructura metaacutelica La cimentacioacuten soporta los colectores y los fija
al suelo de forma que el conjunto estructural soporte las cargas para las que fue
disentildeado La misioacuten de la estructura metaacutelica del colector es la de dar rigidez al
conjunto de elementos que lo componen a la vez que hacer de interface con la
cimentacioacuten del propio colector (Hidalgo 2012)
La tecnologiacutea cilindro paraboacutelica es una tecnologiacutea limpia madura y con un extenso
historial que demuestra estar preparada para la instalacioacuten a gran escala Esta
tecnologiacutea lleva siendo instalada a nivel comercial desde los antildeos 80 con un
excepcional comportamiento Desde entonces ha experimentado importantes
mejoras a nivel de costes y rendimientos Actualmente hay maacutes de 1 GWe en
operacioacuten maacutes de 800 MWe en construccioacuten y maacutes de 2 GWe en promocioacuten a nivel
mundial Por lo que es esta la tecnologiacutea maacutes segura a aplicar
16 Orientacioacuten del colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Los captadores cilindro paraboacutelicos suelen estar instalados en los campos solares de
tal manera que sus ejes de rotacioacuten queden orientados bien Norte-Sur o bien Este-
Oeste Con la configuracioacuten Este-Oeste las variaciones estacionales suelen ser
pequentildeas permitiendo tener un aporte teacutermico maacutes estable durante el antildeo a costa
de perder parte de la energiacutea anual disponible Con la configuracioacuten Norte-Sur esa
energiacutea anual suministrada es optimizada al maacuteximo con el punto en contra de tener
variaciones estacionales mucho mayores que con la configuracioacuten Este-Oeste que
en ocasiones y dependiendo de la latitud y de las condiciones atmosfeacutericas del
emplazamiento pueden suponer relaciones de 3 a 1 entre verano e invierno En el
caso de la planta Termo solar acoplada al economizador de la caldera para la
produccioacuten de electricidad de la UEB umlGeorge Washingtonuml se ha realizado el disentildeo
atendiendo al criterio de maximizacioacuten del aporte energeacutetico anual por lo que la
configuracioacuten elegida es la Norte-Sur
17
17 Peacuterdidas en un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Cuando la radiacioacuten solar alcanza la superficie de un colector paraboacutelico se pierde
una cantidad importante de ella debido a diferentes factores El total de las peacuterdidas
se puede dividir en tres grupos
171 Peacuterdidas geomeacutetricas Provocan la disminucioacuten del aacuterea efectiva de captacioacuten
solar de los colectores En un CCP se dividen en peacuterdidas debidas a la posicioacuten
relativa de los colectores entre siacute los cuales se pueden dar sombra unos a otros y
las peacuterdidas inherentes a cada colector que son motivo del aacutengulo de incidencia el
cual provoca que en los extremos del colector haya una peacuterdida de superficie reflexiva
uacutetil La existencia del aacutengulo de incidencia tambieacuten afecta a los valores de la
reflectividad absortividad y transmisividad ya que estos paraacutemetros presentan su
valor maacuteximo cuando el aacutengulo de incidencia es 0deg (Hidalgo 2012)
172 Peacuterdidas oacutepticas Se deben a imperfecciones en los materiales que componen
el colector la superficie del concentrador no es un reflector perfecto ni el vidrio del
tubo absorbedor es completamente transparente ni el recubrimiento selectivo del
tubo metaacutelico es un absorbedor perfecto Los cuatro paraacutemetros que intervienen en
las peacuterdidas oacutepticas de un canal paraboacutelico son la reflectividad de los espejos
paraboacutelicos la absortancia del tubo metaacutelico la transmitancia de la cubierta de vidrio
y el factor de interceptacioacuten (Hidalgo 2012)
Reflectancia ρ no toda la energiacutea incidente es reflejada hacia el tubo
absorbedor
Absortancia α cantidad de radiacioacuten que absorbe la superficie selectiva del
tubo metaacutelico
Transmitancia 120591 de aquella radiacioacuten que intercepta el tubo de vidrio solo
una parte consigue atravesarlo
Factor de interceptacioacuten γ no toda la radiacioacuten reflejada por los espejos
acaba incidiendo sobre el tubo absorbedor Las causas son diversas imperfecciones
en los espejos un mal posicionamiento de los colectores etc
173 Peacuterdidas teacutermicas Principalmente se encuentran asociadas a dos elementos
del sistema el tubo absorbedor y las tuberiacuteas de fluido teacutermico Las perdidas
asociadas estaacuten formadas por perdidas por conduccioacuten por conveccioacuten y por
radiacioacuten de los diferentes medios que conforman el conjunto del tubo absorbedor
es decir por el tubo metaacutelico la cubierta de cristal y la atmosfera De manera que
la potencia teacutermica disipada en el colector equivale a la suma de las peacuterdidas teacutermicas
en el receptor y las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas por donde circula el fluido
teacutermico (HTF) (Hidalgo 2012)
18
Peacuterdidas teacutermicas en el aceite teacutermico (HTF)
Las peacuterdidas teacutermicas asociadas al tubo absorbedor (119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905) se deben a la
diferencia de temperaturas entre eacuteste y el ambiente pudiendo ser por conduccioacuten
por radiacioacuten y por conveccioacuten desde el tubo absorbedor al ambiente Aunque cada
una de estas peacuterdidas podriacutea calcularse aplicando las ecuaciones que rigen los
mecanismos de transferencia de calor antes mencionados en la praacutectica las
peacuterdidas teacutermicas globales en un colector se cuantifican mediante ecuaciones
experimentales (Hidalgo 2012)
18 Rendimiento de un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Como consecuencia de todas las peacuterdidas oacutepticas geomeacutetricas y teacutermicas que
existen en un CCP la energiacutea teacutermica uacutetil que da un CCP es menor que la que dariacutea
en condiciones ideales cuando no existieran dichas peacuterdidas
En un CCP se suelen definir tres rendimientos diferentes y un paraacutemetro
I) Rendimiento oacuteptico con un aacutengulo de incidencia de 0ordm (rendimiento oacuteptico pico)
Tiene en cuenta todas las peacuterdidas oacutepticas que tienen lugar en el colector con un
aacutengulo de incidencia de 0ordm Su valor viene dado por el producto de estos cuatro
factores reflectividad de los espejos transmisividad del tubo de vidrio factor de
interceptacioacuten (que tiene en cuenta la parte de radiacioacuten reflejada que por cualquier
causa no alcanza el absorbente) y absortividad de la superficie selectiva que recubre
el tubo metaacutelico absorbente
II) Rendimiento teacutermico Considera todas las peacuterdidas teacutermicas que tienen lugar en
el colector
III) Rendimiento global Considera todas las peacuterdidas tanto oacutepticas como
geomeacutetricas y teacutermicas que tienen lugar en el colector
IV) Modificador por aacutengulo de incidencia Considera todas las peacuterdidas oacutepticas y
geomeacutetricas que tienen lugar en el colector para un aacutengulo de incidencia ϕ ne 0ordmy que
no se tienen en cuenta en rendimiento oacuteptico (peacuterdidas geomeacutetricas de final de
colector bloqueo de la radiacioacuten concentrada por parte de los soportes del tubo
absorbente e influencia del aacutengulo de incidencia en la absortividad y transmisividad
del tubo absorbente y en la reflectividad de los espejos) (Paredes 2012)
19 Disentildeos hiacutebridos
En general las formas de concentracioacuten de la energiacutea solar se pueden dividir en
tecnologiacuteas lineales y de enfoque puntual Los canales paraboacutelicos y los colectores
lineales Fresnel pertenecen a las tecnologiacuteas de enfoque lineal mientras que las
tecnologiacuteas de enfoque de puntos principales son el receptor central (torre solar) y el
reflector paraboacutelico (disco) Desde el punto de la disponibilidad del mercado y el
estado actual de desarrollo para el presente estudio de caso se han elegido las
siguientes tres opciones de tecnologiacutea Lineal Fresnel (LF) Ciliacutendrico Paraboacutelico
19
(CCP) y Torre Central (STC) Para todas las opciones de CSP nombradas hay
diferentes configuraciones de tecnologiacuteas posibles cuyo rango se muestra en la tabla
1 (E Burin 2016)
Tabla 1 Rangos para las 3 tecnologiacuteas posibles
Unidad LF CCP STC
Fluido teacutermico
(HTF)
- Aceite teacutermico
Agua
Sal
Aceite teacutermico
Agua
sal
Agua
Sal
Aire
Concentracioacuten - 25-100 70-80 300-1000
Rango de
temperatura
oC 380-600(ST) 380-600(ST) 565(ST)
Performance MWel 10-200 10-200 10-150
Capacidad de
corriente instalada
1 88 11
Proporcioacuten de las
obras (2012)
6 75 18
(ST) Steam Turbine
Fuente(Reuszlig 2012 Pitz-Paal 2013 REN 2013)
Debido a la diferente etapa de desarrollo teacutecnico de las tres tecnologiacuteas de CSP y
sus HTF para el estudio de caso se examinaron las siguientes combinaciones CCP
(aceite teacutermico) LF (agua vapor) y STC (agua vapor)
En cuanto a los disentildeos de integracioacuten de las tres tecnologiacuteas de CSP elegidas
desde el punto de vista termodinaacutemico es esforzarse por alcanzar un nivel de
temperatura lo maacutes alto posible para el calor solar agregado Por esa razoacuten el calor
solar agregado se usoacute aquiacute para proporcionar calor para el precalentamiento del agua
de alimentacioacuten a alta presioacuten asiacute como para la produccioacuten paralela de vapor
saturado y vapor vivo en paralelo con los generadores de vapor de bagazo Los
diagramas de flujo de proceso de los tres disentildeos de integracioacuten se muestran en la
siguiente figura
20
Figura 9 Diagramas de flujo de proceso de los tres disentildeos de integracioacuten posibles
En el disentildeo 1 el calor solar reemplaza completamente la extraccioacuten a alta presioacuten
de la turbina CEST Para este propoacutesito el campo solar proporciona en el punto de
disentildeo un rendimiento teacutermico equivalente a la demanda de calor requerida para el
calentador de agua de alimentacioacuten de alta presioacuten Debido al modo de operacioacuten de
ahorro de combustible este reemplazo y la cantidad reducida de bagazo quemado
afecta el rendimiento de la turbina CEST asiacute como la liacutenea de calentamiento del agua
de alimentacioacuten Debido a que no se realiza la extraccioacuten de vapor de alta presioacuten en
el tiempo en que el campo este trabajando se seleccionoacute las tecnologiacuteas CCP y LF
Cabe sentildealar que no es posible una operacioacuten de solo solar
El disentildeo de integracioacuten 2 permite una produccioacuten paralela de vapor saturado con
calor solar para reducir el consumo de bagazo Por lo tanto parte del flujo de masa
de agua de alimentacioacuten principal que va a los generadores de vapor se desviacutea Este
flujo maacutesico secundario pasa en el caso de CCP a traveacutes de un generador de vapor
solar tiacutepico mientras que en el caso de la LF se alimenta directamente al campo
solar En ambos casos se produce vapor saturado a 67 bar que luego se une al flujo
de masa principal dentro de los generadores de vapor para el sobrecalentamiento
En consecuencia el disentildeo de integracioacuten 2 solo afecta el rendimiento de los
21
generadores de vapor mientras que las condiciones de vapor vivo permanecen
iguales Al mantener el estudio de caso cerca de la viabilidad teacutecnica deben
respetarse las condiciones teacutecnicas de contorno de los generadores de vapor Con
el fin de evitar fuertes desequilibrios en estos componentes se asumioacute que se permite
reducir la carga del generador de vapor a un nivel miacutenimo del 85 Del mismo modo
este disentildeo no permite una operacioacuten solo solar
En el disentildeo de integracioacuten 3 el calor solar desplaza al generador de vapor de
carga teacutermica Una parte del agua de alimentacioacuten se deriva de los generadores de
vapor A medida que pasa a traveacutes del sistema de torre solar se produce vapor
sobrecalentado a 520 deg C y 67 bar Esta integracioacuten afecta solo el rendimiento teacutermico
de los generadores de vapor mientras que el ciclo agua vapor se opera en modo
normal En comparacioacuten con el disentildeo de integracioacuten 2 la operacioacuten de los
generadores de vapor se simplifica Eso significa que los generadores de vapor
funcionan aquiacute con una carga parcial normal de 100 a 65 de carga Con respecto
a eso al permitir una carga miacutenima del generador de vapor del 65 en el punto de
disentildeo solar la torre solar fue disentildeada para proporcionar todo el calor restante
necesario Cabe sentildealar que para el disentildeo de integracioacuten 3 es posible una
operacioacuten solo solar cuando la instalacioacuten de cantildea de azuacutecar estaacute fuera de servicio
Tabla 2 Muacuteltiplo solar simulado seguacuten la tecnologiacutea de CSP
Disentildeo Tecnologiacutea Muacuteltiplo solar
simulado
Disentildeo 1 CCP
LF
09 - 14
08 - 14
Disentildeo 2 CCP
LF
09 - 13
08 - 14
Disentildeo 3 STC 08 - 40
Seleccioacuten del Disentildeo y la tecnologiacutea
Luego del anaacutelisis acerca del disentildeo y la tecnologiacutea a emplear en este proyecto se
decidioacute elegir la tecnologiacutea de colectores ciliacutendricos paraboacutelicos (CCP) y el disentildeo
nuacutemero 1 Los colectores de canal paraboacutelico son los maacutes empleados en el mundo
actualmente y lleva siendo instalada a nivel comercial desde los antildeos 80 con un
excepcional comportamiento Desde entonces ha experimentado importantes
mejoras a nivel de costes y rendimientos Hoy diacutea hay maacutes de 1 GWe en operacioacuten
maacutes de 800 MWe en construccioacuten y maacutes de 2 GWe en promocioacuten a nivel mundial
22
Para las condiciones de nuestro paiacutes esta tecnologiacutea pudiera ser la maacutes factible y
segura tambieacuten contamos en Cuba con industrias que poseen capacidad
maquinaria y herramientas para llegar a construir gran parte del equipo como las
bases y estructuras metaacutelicas teniendo que importarse solamente el tubo
absolvedor Reduciendo esto los costos en gran medida ejemplo de esto es la faacutebrica
de antena de Santa Clara que ya han construido maquetas de un equipo de esta
tecnologiacutea y se encuentran en condiciones de comenzar una produccioacuten a mayor
escala
110 Influencia de la industria azucarera en Cuba
La escasez de recursos energeacuteticos primarios junto con la afectacioacuten ambiental
resultante de la utilizacioacuten irracional de la energiacutea asociada a la actividad humana
obliga a la buacutesqueda de fuentes alternativas en especial fuentes renovables de
energiacutea La biomasa ha sido fuente de energiacutea desde tiempos inmemoriales fue de
hecho el primer combustible que empleoacute el hombre pero no obstante sus milenios
de utilizacioacuten la biomasa continuacutea ocupando un lugar importante en la matriz
energeacutetica a nivel mundial y continuaraacute sieacutendolo La biomasa es un combustible
renovable se encuentra ampliamente distribuida a nivel mundial y resulta en muchas
ocasiones un subproducto de ciertos procesos productivos (agriacutecolas e industriales)
En Cuba existen diferentes tipos de biomasa con posibilidades econoacutemicas de
empleo entre las maacutes importantes estaacuten el bagazo y los residuos agriacutecolas de la
cantildea de azuacutecar la lentildea y el raleo de los bosques el marabuacute la cascara de arroz y
los residuos del cafeacute En la proyeccioacuten estrateacutegica de la generacioacuten de electricidad en
Cuba para el 2030 se considera que las fuentes renovables de energiacutea alcanzaran
el 24 del total (en la actualidad representan el 43 ) y la biomasa representaraacute el
14 del total por lo que ella representaraacute el 58 de la electricidad obtenida con
fuentes renovables Este proceso de generacioacuten de electricidad con biomasa se
centraraacute casi totalmente en la industria azucarera lo que conlleva a un problema
fundamental que consiste en que la zafra se realiza en tan solo 5 meses
aproximadamente y se necesita que la generacioacuten sea durante todo el antildeo En la
actualidad existen tecnologiacuteas disponibles y posibilidades para su empleo que
permiten valorar diferentes alternativas para incrementar sustantivamente el
potencial de generacioacuten eleacutectrica de los centrales azucareros como son las
bioeleacutectricas las cuales se plantea la instalacioacuten de alrededor de 25 en toda Cuba lo
que requiere de un suministro adicional de combustible para el resto del antildeo en que
no hay zafra Para esto planteamos en este trabajo la hibridacioacuten con un campo termo
solar que permita el ahorro de combustible y su posterior uso en los meses en que
no hay zafra
En nuestro paiacutes se sigue una poliacutetica de desarrollo sostenible y se ha comenzado
una serie de proyectos en la industria azucarera buscando modificaciones que
permitan un aumento en la energiacutea generada por toneladas de cantildea molida Para
23
esto se valoran aspectos como la variacioacuten de los paraacutemetros de explotacioacuten (presioacuten
y temperatura) de las plantas generadoras y las que consumen vapor mejorar el
secado del bagazo que se quema en las calderas hibridar los generadores de vapor
con energiacutea solar y aumentar la entrega al SEN haciendo un uso eficiente de la
electricidad que se consume asiacute como evitar las paradas imprevistas
Las Bioeleacutectricas suscitan hoy creciente intereacutes en el mundo y en Cuba ante la
necesidad de produccioacuten de energiacutea compatible con el medio ambiente Actualmente
una decena de naciones son paradigmas en el uso de esas instalaciones Isla
Reunioacuten India Isla Mauricio Australia Isla Guadalupe Belice Guatemala Estados
Unidos Costa Rica China y particularmente Brasil que posee 160 de 188 existentes
en el orbe Globalmente estas unidades tienen un potencia instalada de maacutes 2800
megavatios y de esa cifra al menos dos mil corresponden a Brasil secundado en
cuanto a cantidad de Bioeleacutectricas por India (14) Isla Mauricio (3) Isla Reunioacuten (2)
mientras que los restantes paiacuteses mencionados poseen una individualmente
(Salomoacuten 2016)
111 Propuesta para la hibridacioacuten de la bioeleacutectrica con energiacutea renovable
En el paiacutes se lucha hoy por un acercamiento hacia las tecnologiacuteas de energiacutea
renovables Con el propoacutesito de convertir todos los sistemas de generacioacuten de
energiacutea eleacutectrica en sistemas maacutes compatibles con el medio ambiente La hibridacioacuten
de la caldera del central George Washington consiste en disentildear un campo de
Colectores Ciliacutendricos Paraboacutelicos prototipo (EUROTrough-150) Con el fin de elevar
la temperatura del agua proveniente del proceso hasta los 260 oC e inyectarla al
economizador de la caldera para ahorrar bagazo que pudiera ser utilizado en los
restantes meses del antildeo cuando no hay zafra para la produccioacuten de energiacutea eleacutectrica
y su entrega al sistema energeacutetico nacional En el siguiente esquema se muestra la
propuesta planteada para la hibridacioacuten
24
Figura 10 Esquema de la hibridacion con colectores solares
25
Seguacuten un documento sobre eficiencia energeacutetica emitido por el Instituto Cubano de
Investigaciones Azucareras (ICINAZ) a todos los centrales del paiacutes se hace relacioacuten
en cuanto a la temperatura del agua de alimentacioacuten de la caldera y cuanto incide
esto en la eficiencia de dicha caldera Quedando que por cada 5 ordmC que se
incrementa la temperatura del agua de alimentacioacuten se incrementa 1 la eficiencia
de la caldera Siendo esto una justificacioacuten razonable para la propuesta planteada
que eleva la temperatura del agua de alimentacioacuten de 166 ordmC a 260 ordmC Alterando
la temperatura unos 94 ordmC influyendo esto en el aumento de la eficiencia en 18
puntos porcentuales
Conclusiones parciales
En este capiacutetulo se realizoacute una amplia revisioacuten bibliograacutefica que abordoacute el estado
del arte y avances tecnoloacutegicos maacutes importantes para los temas relacionados con
esta investigacioacuten que fueron el de energiacutea solar teacutermica y todo lo relacionado con
las bioeleacutectricas a nivel mundial y en nuestro paiacutes Tambieacuten se realizoacute un anaacutelisis
exhaustivo para la determinacioacuten de la tecnologiacutea de sistemas de concentracioacuten
solar lo que resulto que el sistema de Colectores Ciliacutendricos Paraboacutelicos prototipo
EUROTrough-150 es el maacutes factible para su instalacioacuten en Cuba y posteriormente
pudiera ser fabricado por industrias nacionales El disentildeo de incorporacioacuten del
campo al esquema termodinaacutemico de la bioeleacutectrica resulto ser maacutes factible y de
menores transformaciones tecnoloacutegicas en la estructura del central el de
incorporarlo antes de la caldera y que este inyecte el agua calentada directamente
al economizador realizando el salto teacutermico del agua en un intercambiador de calor
existente en la interseccioacuten del campo con la tuberiacutea del agua proveniente de las
bombas
26
Capiacutetulo 2 Materiales y Meacutetodos En este capiacutetulo se describen los programas y foacutermulas utilizadas para el caacutelculo de los objetivos planteados
La presente investigacioacuten se realizoacute desde enero hasta mayo del 2018 Para la realizacioacuten de los caacutelculos se utilizaron los softwares Engineering Equation Solver (EES) (2004) Matlab (2010) y Excel (2016)
Tabla 3 Condiciones de frontera para la bioeleacutectrica
21 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB uml George Washington uml
En este apartado se realizaraacute la evaluacioacuten del recurso solar disponible en el emplazamiento analizado El estudio del potencial solar en el emplazamiento consiste en el anaacutelisis de los datos de radiacioacuten disponibles el tratamiento de los mismos la estimacioacuten de las variabilidades asociadas y el caacutelculo de la produccioacuten una vez consideradas todas las peacuterdidas A la hora de evaluar el recurso solar y a falta de una medida precisa y especiacutefica en el propio emplazamiento se ha recurrido a diversas fuentes para la obtencioacuten de datos de radiacioacuten con el fin de realizar un ajuste estadiacutestico de los mismos y minimizar los errores asociados a ellos
Para el caacutelculo del potencial solar en la zona del central umlGeorge Washingtonuml fue necesario calcular la radiacioacuten solar directa (DNI) que incide en ese lugar y la duracioacuten diurna del diacutea
211 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa
Para el caacutelculo de la radiacioacuten solar directa en la zona de la UEB uml George Washington uml se tomaron como coordenadas de referencia la latitud y la longitud Lat 22587 Long -80244
Para ello se utilizaron modelos estadiacutesticos que permitieron obtener varios valores de radiacioacuten solar directa (DNI) teniendo en cuenta la posicioacuten geograacutefica del lugar y el diacutea del antildeo que se analiza dicha radiacioacuten En este caso se usoacute la foacutermula para condiciones normales
DNI = 1230 ∙ e^ (minus1
38∙cos∙(120579120579120579minus16)) (1)
27
Doacutende
Aacutengulo de incidencia solar θs El valor del aacutengulo de incidencia (θs) sobre la normal a una superficie plana estaacute dado por la siguiente foacutermulaθs
120579119904 = cosminus1(sin 119889 ∙ sin 119871 ∙ cos 119904 minus sin 119889 ∙ cos 119871 ∙ sin 119904 ∙ cos 119892 + cos 119889 cos 119871 ∙ cos 119904 ∙ cos 119908 +cos 119889 ∙ sin 119871 ∙ sin 119904 ∙ cos 119908 ∙ cos 119892 + cos 119892 ∙ sin 119904 ∙ sin 119892 ∙ sin 119908) (2)
Doacutende
d- Aacutengulo de declinacioacuten L- Latitud geograacutefica s- Inclinacioacuten del colector g- Orientacioacuten del colector w- Aacutengulo horario
212 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea (nuacutemero de horas en que el sol estaacute
sobre el horizonte)
119915 = 120784 ∙119934119930
120783120787 (3)
Doacutende
119830119826 = 119836119848119852minus120783(minus 119853119834119847 119923 ∙ 119853119834119847 119941) (4)
L-Latitud geograacutefica
d-Declinacioacuten
Se compararon los resultados de DNI por la metodologiacutea utilizada en este trabajo con la base de datos de la NASA (httpeosweblarcnasagovsse 2017)
Aun asiacute los lugares para desarrollar aplicaciones de energiacutea solar teacutermica por concentracioacuten deben cumplir con unos estaacutendares de acuerdo a la radiacioacuten solar perpendicular a la superficie incidente sobre un metro cuadrado para que sea eficiente dicha instalacioacuten lo cual se valora de la siguiente manera
Se tuvieron en cuenta los valores de radiacioacuten solar directa (kWm2diacutea) (GESIME 2014)
No idoacuteneos Hasta 1700 kWhmsup2antildeo (47 kWhmsup2diacutea)
Idoacuteneos Entre 1700 y 2700 kWhmsup2antildeo (47 y 74 kWhmsup2diacutea)
Oacuteptimos Maacutes de 2700 kWhmsup2antildeo (74 kWhmsup2diacutea)
28
213 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
El colector ciliacutendrico paraboacutelico que se propuso fue el (Eurotrough-150) cuyas caracteriacutesticas se observaran en la tabla4 y figura 11
Tabla 4 Caracteriacutesticas del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico Eurotrough-150 (ET-150)
Figura 11 Prototipo EUROTrough en la Plataforma Solar de Almeriacutea Espantildea
Para el caacutelculo del rendimiento global de un Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico hay que realizar un balance energeacutetico teniendo en cuenta las peacuterdidas que suceden en el mismo
Caracteriacutesticas um
Ancho de apertura 577 m
Longitud total de cada colector 150 m
Aacuterea de apertura del colector 8175 m2
Longitud focal 171 m
Longitud del absorbedor 41 m
Radio exterior del absorbedor 0035 m
Radio interior del absorbedor 00325 m
Distancia entre filas de colectores 17 m
Rendimiento Oacuteptico pico 78
Factor de ensuciamiento 95
Disponibilidad 97
29
214 Peacuterdidas geomeacutetricas
La geometriacutea del canal paraboacutelico lleva asociada una disminucioacuten del aacuterea efectiva de captacioacuten Estas peacuterdidas se dividen en dos grupos Peacuterdidas debidas a la posicioacuten relativa de los colectores los cuales se pueden dar sombra unos a otros Peacuterdidas inherentes a cada colector son las debidas al aacutengulo de incidencia de
la radiacioacuten solar (g) respecto a la normal del plano de apertura del colector (figura
12)
Figura 12 Aacutengulo de incidencia en un Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
Como consecuencia de este aacutengulo existe una peacuterdida de superficie reflexiva uacutetil en los extremos del colector Por tanto el aacutengulo de incidencia tiene gran importancia sobre el comportamiento teacutermico del colector puesto que limita la cantidad de radiacioacuten solar que se puede aprovechar Se hizo una comparacioacuten del aacutengulo de incidencia en cuanto a la orientacioacuten y el seguimiento solar del colector ciliacutendrico paraboacutelico
Si la orientacioacuten (g) es de Norte-Sur con seguimiento solar Este-Oeste g = 0ordm
Si la orientacioacuten (g) es de Este-Oeste con seguimiento solar Norte-Sur g = 90ordm
Declinacioacuten seguacuten foacutermula de Cooper (Ribot J 2001)
119889 = 2345 ∙ 119904119890119899 [360 ∙(284+119899)
365] (5)
Siendo ldquonrdquo el nuacutemero de diacutea natural para el 1 de enero n=1 y para el 31 de diciembre
n=365
El aacutengulo horario se calcula seguacuten la foacutermula
30
120591 = 15deg ∙ (ℎ119904 minus 12) (6)
Siendo ldquohsrdquo las horas de reloj El valor es negativo por la mantildeana y positivo tras el mediodiacutea y cero al mediodiacutea solar
Se consideroacute el aacutengulo horario 0ordm por ser el mediodiacutea solar donde maacutes radiacioacuten incide sobre la tierra con el objetivo de simplificar los caacutelculos
Se consideroacute el aacutengulo de inclinacioacuten igual a 0ordm (disposicioacuten horizontal) por ser maacutes eficiente
La latitud del lugar en estudio (UEB uml George Washington uml) Santo Domingo es de 22587ordm
Las peacuterdidas asociadas al aacutengulo de incidencia son miacutenimas cuando el aacutengulo es
0ordm cos 120579119904 = 1 y maacuteximas cuando es 90ordm Por tanto cuanto menor sea el aacutengulo de incidencia mayor es la energiacutea solar incidente sobre el colector y mayor es el rendimiento del mismo
215 Peacuterdidas oacutepticas
Caacutelculo del rendimiento oacuteptico pico del colector 120578119900119901119905119874119900 que es aquel que tiene en
cuenta todas las peacuterdidas oacutepticas que tienen lugar en el captador con un aacutengulo de incidencia de 0ordm 120578119900119901119905119874119900 = 120588 ∙ 120574 ∙ 120591 ∙ 120572 (7)
Donde
120588 Reflectancia no toda la energiacutea incidente es reflejada hacia el tubo absorbedor
120574 Factor de interceptacioacuten no toda la radiacioacuten reflejada por los espejos acaba incidiendo sobre el tubo absorbedor Las causas son diversas imperfecciones en los espejos un mal posicionamiento de los colectores etc
120591 Transmitancia de aquella radiacioacuten que intercepta el tubo de vidrio solo una parte consigue atravesarlo
α Absortancia cantidad de radiacioacuten que absorbe la superficie selectiva del tubo metaacutelico
Ademaacutes de las peacuterdidas debidas al aacutengulo de incidencia existen otras peacuterdidas que se asocian a dicho aacutengulo El efecto del aacutengulo de incidencia en el rendimiento del CCP se cuantifica mediante el modificador por aacutengulo de incidencia 119870(120579119904) Eacuteste considera todas las peacuterdidas oacutepticas y geomeacutetricas que tienen lugar en el captador
para un aacutengulo de incidencia 120579119904 ne 0ordm y que no se tienen en cuenta en el rendimiento oacuteptico pico
31
El modificador por el aacutengulo de incidencia depende directamente del aacutengulo de
incidencia siendo 119870(120579119904) = 1 para 120579119904 = 0deg y siendo 119870(120579119904) =0 para 120579119904 = 90deg y se
obtiene como funcioacuten de eacuteste seguacuten la expresioacuten
119870(120579119904) = 1 minus 223073 ∙ 10minus4 ∙ (120579119904) minus 11 ∙ 10minus4 ∙ (1205791199042) + 318596 ∙ 10minus6 ∙ (120579119904
3) minus 485509 ∙
10minus9 ∙ (1205791199044) (8)
216 Peacuterdidas teacutermicas
Las peacuterdidas teacutermicas que tiene lugar en un CCP dan como consecuencia que la energiacutea teacutermica uacutetil sea menor que la energiacutea solar absorbida por el colector Teniendo en cuenta esto la potencia teacutermica uacutetil por colector seraacute igual la diferencia entre los calores absorbido y perdido
119906119905119894119897 = 119886119887119904 minus 119901119890119903119889 (9)
Doacutende
119906119905119894119897 ∶ 119875119900119905119890119899119888119894119886 119905eacute119903119898119894119888119886 uacute119905119894119897 119901119900119903 119888119900119897119890119888119905119900119903 (119882)
119886119887119904 119862119886119897119900119903 119886119887119904119900119903119887119894119889119900 119901119900119903 119890119897 119891119897119906119894119889119900 119889119890 119905119903119886119899119904119891119890119903119890119899119888119894119886 119889119890 119888119886119897119900119903 (119867119879119865) (119882)
119901119890119903119889 119875eacute119903119889119894119889119886119904 119905eacute119903119898119894119888119886119904 119889119890119897 119867119879119865 119886119897 119886119898119887119894119890119899119905119890 (119882)
Peacuterdidas teacutermicas en el aceite teacutermico (HTF) Las peacuterdidas teacutermicas se producen a lo largo del circuito por donde se mueve el fluido teacutermico principalmente en dos lugares en el tubo absorbedor y en las tuberiacuteas del campo de colectores De manera que la potencia teacutermica disipada en el colector equivale a la suma de las peacuterdidas teacutermicas en el receptor y las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas por donde circula el fluido teacutermico (HTF)
119876119901119890119903119889 = 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 + 119875119890119903119889119905119906119887119890119903 (10)
Las peacuterdidas teacutermicas asociadas al tubo absorbedor 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 se deben a la diferencia de temperaturas entre eacuteste y el ambiente pudiendo ser por conduccioacuten por radiacioacuten y por conveccioacuten desde el tubo absobedor al ambiente Aunque cada una de estas peacuterdidas podriacutea calcularse aplicando las ecuaciones que rigen los mecanismos de transferencia de calor antes mencionados en la praacutectica las peacuterdidas teacutermicas globales en un colector se cuantifican mediante ecuaciones experimentales Asiacute las peacuterdidas teacutermicas en el tubo absorbedor por metro longitudinal de colector vienen dadas por la ecuacioacuten
119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 =1198751198901199031198891+1198751198901199031198892+1198751198901199031198893+1198751198901199031198894
119879119904minus119879119890 (11)
32
Doacutende
1198751198901199031198891 = (1198600 + 1198605 ∙ radic119907) ∙ (119879119904 minus 119879119890) (12)
1198751198901199031198892 = (1198601 + 1198606 ∙ radic119907) ∙ (119879119904
2minus1198791198902
2minus 119879119886119898119887 ∙ (119879119904 minus 119879119890)) (13)
1198751198901199031198893 = (1198602+1198604∙119863119873119868∙119870(120579119904)∙cos(120579119904)
3∙ (119879119904
3 minus 1198791198903)) (14)
1198751198901199031198894 =1198603
4∙ (119879119904
4 minus 1198791198904) (15)
Siendo
119879119904 Temperatura del HTF a la salida del campo solar
119879119890 Temperaturas del HTF a la entrada del campo solar
119879119886119898119887 Temperatura ambiente
119907 Velocidad del viento (ms)
Los coeficientes empleados en las foacutermulas se recogen en la tabla 5
Tabla 5 Coeficientes de peacuterdidas teacutermicas
A0 405
A1 0247
A2 -000146
A3 565E-06
A4 762E-08
A5 -17
A6 00125
En general las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas (119875119890119903119889119905119906119887119890119903 ) del campo de colectores son pequentildeas del orden de 8 Wm2 Finalmente la potencia teacutermica disipada por el aceite teacutermico a su paso por un colector es
33
119901119890119903119889 = 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 ∙ 119871119888119900119897119890119888119905119900119903 + 119875119890119903119889119905119906119887119890119903 ∙ 119878119888 (16)
Doacutende
119878119888 Aacuterea de apertura del colector (Ver tabla 1)
Un colector como todos los sistemas de concentracioacuten de la energiacutea solar solo puede aprovechar la radiacioacuten solar que incide normal a su plano de apertura De esta forma la energiacutea solar por unidad de tiempo y en el punto de disentildeo que incide sobre la superficie de apertura de un CCP viene dada por la ecuacioacuten
119904119900119897 = 119863119873119868 ∙ cos(120579119904) ∙ 119878119888 (17)
La potencia absorbida por el colector 119886119887119904 va a ser menor que la 119904119900119897 ya que eacutesta uacuteltima no tiene en cuenta las peacuterdidas oacutepticas y geomeacutetricas en el colector ni la limpieza de los espejos ni la disponibilidad del campo solar La radiacioacuten solar absorbida en un colector CCP viene dada por la ecuacioacuten
119886119887119904 = 119863119873119868 ∙ cos(120579119904) ∙ 119878119888 ∙ 119870 ∙ (120579119904) ∙ Ƞ1199001199011199050ordm ∙ 119865119888 ∙ 119865119889119894119904119901 (18)
Siendo
119865119888 Factor de ensuciamiento de los espejos (95 )Tiene en cuenta que aunque los espejos se limpien no recuperan su estado inicial 119865119889119894119904119901 Factor de disponibilidad (97 ) Fraccioacuten del campo solar que estaacute en
operacioacuten y captando la energiacutea solar El rendimiento global de un CCP viene dado por el cociente entre el aumento de entalpia en el HTF a su paso por el colector y la energiacutea solar incidente sobre el captador
Ƞ119888119900119897119890119888 =119876119906119905119894119897
119876119904119900119897 (19)
22 Dimensionamiento del campo solar de la zona de la UEB uml George
Washington uml
El dimensionamiento del campo solar consiste en determinar el nuacutemero de CCPs (o nuacutemero de lazos) necesarios para aportar la energiacutea que demanda este en el punto de disentildeo (Hidalgo 2012)
Para dimensionar el campo solar es necesario evaluar las condiciones del terreno
donde se va a realizar el montaje de los colectores y hacer un balance energeacutetico
del generador de vapor solar
34
221 Caracterizacioacuten del terrero
Se tuvo en cuenta el relieve y el tamantildeo del terreno cercano al central lo que resulto favorable para abaratar la inversioacuten en cuanto a movimientos de tierra y compra de terrenos Los recursos hiacutedricos ya tienen una infraestructura creada puesto que son necesarios para el proceso que realiza la faacutebrica actualmente Esto se basa en posos que bombean el agua hasta los filtros donde se realiza el tratamiento externo al agua y van luego al proceso todo este sistema ya se encuentra instalado y en buenas condiciones lo que resulta de gran ayuda para el proyecto futuro de Bioeleacutectrica
222 Balance energeacutetico en el generador de vapor solar (GVS)
Para calcular el nuacutemero de lazos necesarios en el campo solar es preciso conocer primero la potencia teacutermica que puede aportar el campo solar en el punto de disentildeo esto se determina mediante la foacutermula
119888119886119898119901119900 =119882119890119897119890119888119905
120578119905119906119903119887 (20)
Doacutende
119888119886119898119901119900 Potencia teacutermica del campo solar
119882119890119897119890119888119905 Potencia eleacutectrica de la turbina
120578119905119906119903119887 Eficiencia termo-mecaacutenica de la turbina (Se asumioacute de 68)
Seguidamente hay que establecer el balance de masas y energiacutea en el Generador de vapor solar (GVS) El GVS se disentildea para recuperar la energiacutea del fluido teacutermico procedente del campo solar Para el intercambiador de calor (GVS) se cumple que la cantidad de calor transferido por unidad de tiempo permanece constante o lo que es lo mismo la energiacutea total es la misma antes y despueacutes de cada transformacioacuten El balance energeacutetico en un intercambiador de calor se resuelve mediante la ecuacioacuten
119886119892119906119886 ∙ ∆119867119886119892119906119886 = 119886119888119890119894119905119890 ∙ ∆119867119886119888119890119894119905119890 (21)
Ademaacutes para cada fluido de forma individual se cumple que
= 119886119888119890119894119905119890 ∙ 119862119901119886119888119890119894119905119890∙ ∆119879 = 119898119886119888119890119894119905119890 ∙ (ℎ119904 minus ℎ119890) (22)
Doacutende
∆H Diferencia de entalpiacuteas a la entrada y a la salida del intercambiador (kJkg)
Q Potencia teacutermica intercambiada (kW)
35
m Caudal maacutesico (kgs) Cp Calor especiacutefico (kJkg ordmC)
∆T Diferencia de temperaturas a la entrada y la salida del intercambiador (ordmC) hs he Entalpiacuteas a la entrada y a la salida respectivamente (kJKg) Y seguacuten el teorema de conservacioacuten de la masa se tiene que
119890119899119905119903119886 = 119904119886119897119890
223 Caacutelculo del nuacutemero de lazos
Los caacutelculos que se han desarrollado en los acaacutepites anteriores constituyen los datos de partida para el caacutelculo del nuacutemero de colectores requeridos en el campo solar para poder alcanzar la potencia teacutermica demandada al campo solar
Caracteriacutesticas del aceite teacutermico (HTF)
El aceite teacutermico que se ha empleado como fluido calo-portador es Therminol VP-1 cuyo rango de temperatura de trabajo se encuentra entre 12-400ordmC La temperatura a la salida del campo solar no debe excederse de los 400ordmC ya que para temperaturas superiores el aceite se degrada y pierde sus propiedades teacutermicas A continuacioacuten se presentan las graacuteficas correspondientes a variacioacuten de densidad y entalpiacutea del aceite teacutermico Therminol VP-1 con la temperatura figuras 13 y 14 respectivamente y que han sido elaboradas a partir de datos del fabricante
Figura 13 Therminol VP-1 Entalpiacutea vs Temperatura
36
Figura 14 Therminol VP-1 Densidad vs Temperatura(Hidalgo 2012)
Para determinar el nuacutemero de lazos necesarios en el campo solar se ha seguido la siguiente metodologiacutea de caacutelculo
Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF
Incremento de temperatura del HTF en un colector
Nuacutemero de colectores necesarios por lazo Nuacutemero de lazos en el campo solar
224 Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF por cada lazo
El caudal de aceite estaacute controlado por la temperatura de salida del campo Cuando la radiacioacuten solar es baja el flujo se reduce con el objetivo de mantener la temperatura de salida del campo y por el contrario cuando la radiacioacuten solar es superior a la del punto de disentildeo los colectores se desenfocan para evitar que el aceite exceda los 393ordmC La velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor se calcula a partir de la expresioacuten del nuacutemero de Reynolds
119877119890 =119907∙119863∙120588
120583 (23)
Doacutende
119907 Velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor (ms) (Se asumioacute una
velocidad de 3 ms la cual es una velocidad econoacutemica)
119877119890 Nuacutemero de Reynolds (-)
120583 Viscosidad dinaacutemica del HTF a la temperatura media de trabajo (Pas)
119863 Diaacutemetro interior del tubo absorbedor (m)
120588 Densidad del HTF a la temperatura media de trabajo (kgm3)
37
Para cumplir con los requisitos de flujo turbulento el caudal miacutenimo de aceite que circula por un lazo en el punto de disentildeo es
= 119907 ∙ 119878 ∙ 120588 (24)
Siendo S en m2 la seccioacuten transversal interior del tubo absorbedor
225 Incremento de temperatura del HTF en un colector
La potencia teacutermica uacutetil del colector se invierte en aumentar la temperatura del aceite De esta forma el incremento de temperatura que sufre el aceite teacutermico a su paso por un colector es decir desde que entra en el colector y hasta que sale del mismo es
∆119879119888119900119897119890119888 = 119879119904 minus 119879119888 =uacute119905119894119897
∙119862119901 (25)
∆119879119888119900119897119890119888 Incremento de temperatura del aceite teacutermico en el colector (ordmC)
119879119888 119879119904 Temperatura del HTF a la entrada y a la salida del colector respectivamente
(ordmC)
119906119905119894119897 Potencia teacutermica uacutetil por colector (W)
Caudal maacutesico de aceite teacutermico por colector (kgs)
119862119901 Calor especiacutefico del aceite teacutermico a la temperatura media de trabajo (kJkg ordmC)
226 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
El incremento total de temperatura del HTF por lazo ΔT lazo es igual a la diferencia entre las temperaturas a la salida y a la entrada del campo solar Por tanto el nuacutemero teoacuterico de colectores en serie por lazo seraacute igual a
119873119888119900119897119890119888 =∆119879119897119886119911119900
∆119879119888119900119897119890119888 (26)
119873119888119900119897119890119888 Nuacutemero teoacuterico de colectores por lazo
∆119879119897119886119911119900 Incremento de temperatura por lazo (ordmC)
Esto implica el salto teacutermico y caudal maacutesico por lazo que es necesario tener el aceite para asiacute poder alcanzar la temperatura de entrada del agua en el economizador
227 Nuacutemero de lazos en el campo solar
A diferencia del nuacutemero de colectores que viene fijado por el salto de temperatura del aceite teacutermico en el campo el nuacutemero de lazos paralelos que conforman el campo solar depende de la potencia teacutermica demanda por el campo El nuacutemero de lazos es igual al cociente entre la potencia teacutermica del campo solar y la potencia teacutermica uacutetil por colector
38
119925119949119938119963119952 =119940119938119950119953119952
uacute119957119946119949 119935119949119938119963119952 (27)
Doacutende
119925119949119938119963119952 Nuacutemero de lazos
119940119938119950119953119952 Potencia teacutermica del campo solar (kW)
uacute119957119946119949 Potencia teacutermica uacutetil por lazo (kW)
23 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un
antildeo)
Para el caacutelculo de las toneladas de CO2 dejadas de emitir se utilizaraacute el iacutendice de
generacioacuten de una planta convencional de combustible foacutesil que para Cuba es de
270 gkWh Con este iacutendice y el aumento de la produccioacuten de energiacutea eleacutectrica con
la incorporacioacuten del campo solar se calcularaacute el ahorro de combustible foacutesil y a este
valor de combustible sustituido y el uso de los factores de emisioacuten de CO2 mostrados
en la siguiente (tabla 6) se podraacute determinar cuaacutentas toneladas de CO2 es capaz de
evitar la instalacioacuten del campo solar
Tabla 6 Factores de emisioacuten de especies especificadas
Tecnologiacutea CO (gkgf) SO2 (gkgf) NO2eq (gkgf) PM10
(gkgf)
CO2
(kgkgf)
CIE-HFO 24 27 128 528 306
CIE-DO 12 4 84 195 313
Fuente (EPA 2004)
24 Factibilidad econoacutemica del proyecto
Para el caacutelculo de la rentabilidad econoacutemica se optimizoacute la dimensioacuten del campo solar que fuera maacutes rentable para este trabajo donde se tuvo en cuenta el nuacutemero de lazos necesarios del campo y la tasa interna de retorno
241 Valor actual neto (VAN)
El VAN permite calcular el valor presente de un determinado nuacutemero de flujos de caja futuros originados por una inversioacuten teniendo en cuenta la peacuterdida de valor del dinero en el tiempo a traveacutes de una tasa de descuento (Martiacutenez 2017) y se calcula mediante la siguiente ecuacioacuten
39
(28)
Donde
119868119900 Costo inicial de la inversioacuten FC Flujo de caja n El tiempo para el cual se requiere calcular el VAN i La tasa de descuento Meacutetodo de caacutelculo mediante el Excel Para calcular el VAN es necesario conocer el flujo de caja teniendo en cuenta los ingresos y los gastos Ingresos El ingreso es debido a la venta de energiacutea eleacutectrica a la red para ello se utilizoacute un precio de 021 (USDkWh) Ingresos por ventas
119868119899119892119903119890119904119900=119875119903119890119888119894119900 (119880119878119863119896119882ℎ)lowast119864119899119890119903119892iacute119886 (29) Gastos Costo fijo de operacioacuten y mantenimiento Se calcula primero la inversioacuten total mediante la ecuacioacuten siguiente
119894119899119907119890119903119904119894oacute119899 119905119900119905119886119897=119862119900119904119905119900 119906119899119894119905119886119903119894119900 119889119890 119894119899119907119890119903119904119894oacuten (119880119878119863119896119882119890)lowast119875119900119905119890119899119888119894119886 (kWe) (30) Entonces se calcula el costo fijo de operacioacuten y mantenimiento
119862119891=119894119899119907119890119903119904119894oacute119899 119905119900119905119886119897lowast02 (31) Donde
119862119891 Costo fijo de operacioacuten y mantenimiento
Costo variable de operacioacuten y mantenimiento
119862119907=119864119899119903119892iacute119886 (119896119882ℎ)lowast002(119880119878119863119896119882ℎ) (32)
Donde
119862119907 Es el costo variable de operacioacuten y mantenimiento A continuacioacuten se calcula la utilidad antes de impuesto que es la diferencia entre los ingresos y los costos de operacioacuten fijo y variable 119880119879119860=119894119899119892119903119890119904119900minus(119862119891+119862119907) (33)
Donde
119880119879119860 Es la utilidad antes de impuesto o neta Entonces el impuesto en Cuba es del 35 de la utilidad neta
40
119868119898119901119906119890119904119905119900=035lowast(119880119878119863) (34)
El flujo de caja quedariacutea como
119865119888=119880119879119860 (119880119878119863)minus119868119898119901119906119890119904119905119900 (119880119878119863) (35)
Teniendo el flujo de caja se puede calcular el VAN aplicando la tasa de descuento
del 10
Si VAN gt 0 El proyecto es rentable
Si VAN = 0 El proyecto es postergado
Si VAN lt 0 El proyecto no es rentable
242 Tasa interna de retorno (TIR)
Se define como la tasa de descuento que iguala el VAN a cero
Si TIR gt tasa de descuento (r) El proyecto es aceptable
Si TIR = tasa de descuento (r) El proyecto es postergado
Si TIR lt tasa de descuento (r) El proyecto no es aceptable La TIR es aquella tasa de descuento que iguala el valor actual de la corriente de cobros con el valor actual de la corriente de pagos por lo que es la tasa de descuento que hace al VAN igual a cero y puede utilizarse como indicador de la rentabilidad de un proyecto se utiliza como uno de los criterios para decidir sobre la aceptacioacuten o rechazo de un proyecto de inversioacuten (Martiacutenez 2017) y se puede expresar de la siguiente forma
(36) Para simplificacioacuten de los caacutelculos se utilizoacute el software Microsoft Excel que de forma iterativa busca este valor se utilizoacute la estimacioacuten de los flujos de caja para 25 antildeos al igual que para el caacutelculo del VAN
243 Periacuteodo de recuperacioacuten de la inversioacuten
El periacuteodo de recuperacioacuten se cumple cuando la suma de los flujos de caja consecutivos desde el primer antildeo da como resultado el valor de la inversioacuten pero teniendo en cuenta el efecto del tiempo sobre el dinero Calculado de esta manera se conoce como periacuteodo de recuperacioacuten de la inversioacuten descontado Para obtenerlo se hallaron todos los flujos de caja para 25 antildeos consecutivos que es el tiempo de estudio del proyecto entonces se le restoacute el descuento correspondiente a cada antildeo y se graficoacute el resultado quedando como una curva
41
Conclusiones parciales
En este capiacutetulo se realizoacute un estudio de la metodologiacutea de caacutelculo para la
realizacioacuten del dimensionamiento del campo solar para la tecnologiacutea de colectores
cilindro paraboacutelico para esto se escogioacute la metodologiacutea planteada por (Hidalgo
2012) Siendo fundamental el estudio de la radiacioacuten solar de la zona en que estaacute
situada la instalacioacuten Tambieacuten se tuvo en cuenta el acceso a los recursos hiacutedricos
y la cercaniacutea a la red eleacutectrica nacional lo cual no tuvo ninguna dificultad puesto
que donde se pretende ubicar el campo ya existe una instalacioacuten con todas estas
necesidades cubiertas que es el central al cual se pretende convertir en
bioeleacutectrica Luego de estos anaacutelisis y una vez dimensionado el campo solar se
realizoacute el caacutelculo de la rentabilidad econoacutemica seguacuten lo planteado por (Martiacutenez
2017) planteaacutendose como principales indicadores econoacutemicos el costo nivelado de
la energiacutea generada costo de inversioacuten VAN y TIR El impacto ambiental se tuvo
en cuenta mediante el caacutelculo de las emisiones de CO2 dejadas de emitir si la
energiacutea generada con el excedente de bagazo ahorrado por la insercioacuten del campo
hubiera sido generada por una planta teacutermica convencional
42
Capiacutetulo 3 Resultados y Discusioacuten
En este capiacutetulo se exponen los resultados de los caacutelculos efectuados y a la vez se
interpreta el porqueacute de estos asiacute como la discusioacuten de las bibliografiacuteas consultadas
31 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB umlGeorge Washington uml
311 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa
Para el caacutelculo de la radiacioacuten solar directa (DNI) primeramente se halloacute el aacutengulo
de declinacioacuten de cada mes Dicho aacutengulo se anuloacute para el 22 de Marzo y el 23 de
Septiembre puesto que ocurren los equinoccios momento del antildeo en que el sol estaacute
situado en el plano del ecuador terrestre y alcanzoacute el valor maacuteximo positivo el 22 de
Junio y el valor maacuteximo negativo el 22 de diciembre diacuteas en que ocurren los
solsticios que son los momentos del antildeo en los que el sol alcanza su mayor o menor
altura aparente en el cielo y la duracioacuten del diacutea o de la noche son las maacuteximas del
antildeo respectivamente (figura 15)
Figura 15 Aacutengulo de declinacioacuten para los diferentes meses del antildeo
Los valores de DNI que inciden en la zona de la UEB umlGeorge Washingtonuml se
mantuvieron como promedio por encima de 10 kWhm2diacutea seguacuten la metodologiacutea
de caacutelculo empleada siendo oacuteptimos para la instalacioacuten de este tipo de tecnologiacutea
Esto pudiera ser debido a que por la metodologiacutea de caacutelculo solo se tuvo en cuenta
la latitud geograacutefica y el diacutea del antildeo en que se analizoacute dicha radiacioacuten por esta
razoacuten se observoacute que sus valores fueron mayores que los valores de radiacioacuten solar
-30
-20
-10
0
10
20
30
Gra
dos s
exagesim
ale
s
Aacutengulo de declinacioacuten
43
directa que aporta la base de datos de la NASA (httpeosweblarcnasagovsse
2017) como promedio 506 kWhm2diacutea y los aportados por el Instituto de
Meteorologiacutea cubano para esta zona (como promedio 582 kWhm2diacutea) idoacuteneo para
este tipo de tecnologiacutea de los datos de radiacioacuten analizados se utilizoacute para los
caacutelculos siguientes de dimensionamiento del campo los aportados por el instituto de
meteorologiacutea cubano por ser los maacutes especiacuteficos y detallados de todas las fuentes
consultadas Algunos meses como noviembre y diciembre no alcanzan el valor
idoacuteneo de 47 kWhm2-diacutea sin embargo (La Rosa 2014) planteoacute que Cuba se
localiza en una zona geograacutefica de alta radiacioacuten solar y que se caracteriza por la
gran cantidad de diacuteas soleados en el antildeo
Figura 16 Comparacioacuten entre el DNI calculado por la metodologiacutea el aportado por la NASA
y el obtenido por el Instituto de Meteorologiacutea cubano
En cada metro cuadrado del territorio cubano se recibe diariamente una cantidad de
energiacutea solar equivalente a medio kilogramo de petroacuteleo combustible valor
promedio praacutecticamente invariable durante todo el antildeo Otra de las caracteriacutesticas
de la radiacioacuten solar en Cuba es que su valor es casi igual en todo el paiacutes ya que
la diferencia en latitud desde el lugar maacutes bajo hasta el maacutes alto es de soacutelo 3 grados
Por lo tanto la radiacioacuten solar en Cuba es utilizable en todo el territorio y durante
todo el antildeo con un valor medio de maacutes de 5 kWhm2diacutea tanto en su forma de
bioenergiacutea o biomasa energiacutea hidraacuteulica energiacutea eoacutelica o directamente convertida
en calor o electricidad (Beacuterriz 2000)
0
2
4
6
8
10
12
14
DN
I (k
Whm
2-d
iacutea)
meses
Radiacioacuten solar
Calculado NASA Meteorologiacutea cubana
44
312 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea
Luego de haber calculado la semiduracioacuten diurna en grados sexagesimales (WS)
para cada diacutea del antildeo en la zona de la UEB umlGeorge Washingtonuml se calcularon las
horas de luz solar durante el diacutea lo cual se muestra promediado en la tabla 7 donde
se ve que esta es mayor que 10 horas asiacute como tambieacuten se observa que son maacutes
largos los diacuteas en los meses de verano (Abril-Agosto)
Tabla 7 promedio de horas de sol al diacutea por meses del antildeo
32 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
Se realizoacute el balance energeacutetico del CCP teniendo en cuenta las peacuterdidas que
sucedieron en el mismo debido a su fabricacioacuten y a su posicioacuten
321 Peacuterdidas geomeacutetricas
Peacuterdidas debidas a la posicioacuten relativa de los colectores
En este trabajo no se tuvo en cuenta las peacuterdidas por sombras ya que se asumioacute
que la construccioacuten de estos colectores iba a estar lo suficientemente separados
para que no se pudieran dar sombra unos a otros
Peacuterdidas inherentes a cada colector
Se comparoacute el aacutengulo de incidencia en cuanto a la orientacioacuten y el seguimiento solar
del colector ciliacutendrico paraboacutelico Se seleccionoacute la orientacioacuten N-S con seguimiento
solar E-O por lo que se seleccionoacute para el caacutelculo del resto de las variables (g = 0)
Para la inclinacioacuten del colector se tomoacute con eje horizontal (s = 0) Se consideroacute el
aacutengulo horario 0ordm por ser el mediodiacutea solar donde maacutes radiacioacuten incide sobre la
tierra con el objetivo de simplificar los caacutelculos
Con los datos calculados anteriormente se halloacute el aacutengulo de incidencia (figura 17)
En este caso se observa que a diferencia de la radiacioacuten solar directa el aacutengulo de
incidencia es menor para los meses de verano reafirmando que a menor aacutengulo de
incidencia mayor la radiacioacuten que va a captar el colector
enero febrero marzo abril mayo junio julio agosto septiembre octubre noviembre diciembre
108 112 119 125 131 134 132 127 121 114 109 106
45
Figura 17 Aacutengulo de incidencia por meses para una orientacioacuten N-S con seguimiento solar
E-O
322 Peacuterdidas oacutepticas
Las caracteriacutesticas oacutepticas del colector ET-150 se reflejaron en la tabla 8 y con estas
se calculoacute el rendimiento oacuteptico
Tabla 8 Caacutelculo del rendimiento oacuteptico
Rendimiento oacuteptico
ntilde Reflectividad superficie reflectora 090
ocirc Transmisividad del cristal absorbedor 095
aacute Absortividad del tubo del absorbedor 096
ɣ Factor de interceptacioacuten 095
Ƞopt0ordm= 078
Cuanto mayor es el valor del rendimiento oacuteptico mayor seraacute el rendimiento del
captador Asiacute cuanto mayor sea el valor de las variables que lo definen mejor seraacute
el rendimiento de los captadores (Rojas 2013)
Ademaacutes de las peacuterdidas debidas al aacutengulo de incidencia existen otras peacuterdidas que
se asocian a dicho aacutengulo El efecto del aacutengulo de incidencia en el rendimiento del
CCP se cuantifica mediante el modificador por aacutengulo de incidencia 119870(120579119904)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Gra
do
s se
xage
sim
ale
s
Aacutengulo de incidencia
46
323 Peacuterdidas teacutermicas
Se calculoacute la potencia teacutermica uacutetil la potencia teacutermica absorbida y la potencia
teacutermica perdida La energiacutea teacutermica uacutetil fue menor que la energiacutea teacutermica absorbida
Esto es debido a las peacuterdidas teacutermicas que se presentan en este tipo de tecnologiacutea
Durante los meses de verano existioacute un descenso de las diferentes potencias
calculadas a causa de las condiciones de nubosidad (lluvia) para esta eacutepoca del
antildeo (figura 18) Para los meses de invierno las potencias decrecieron debido a la
disminucioacuten de la radiacioacuten solar tiacutepico en esta eacutepoca del antildeo
Figura 18 Energiacutea solar por unidad de tiempo radiacioacuten solar absorbida en un colector
peacuterdidas teacutermicas y potencia teacutermica uacutetil para todos los meses del antildeo
Estas peacuterdidas teacutermicas influyeron negativamente en el rendimiento global del
colector CCP ET-150 que tuvo un valor aproximado al 70 Para los meses de
verano hubo un mayor rendimiento aunque este se vio afectado por la nubosidad
El funcionamiento teacutermico de cualquier captador solar estaacute determinado por el
llamado rendimiento global definido como la relacioacuten entre la potencia teacutermica que
es capaz de proporcionar o potencia teacutermica uacutetil y la potencia procedente del Sol
que se tome como referencia No toda la potencia solar puede ser absorbida por el
receptor Existen una serie de peacuterdidas de energiacutea debidas tanto a la geometriacutea y
oacuteptica del captador como a las propiedades de los materiales del propio receptor
que hay que tener en cuenta (Rojas 2013)
16
161
162
163
164
165
166
167
168
169
17
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Qp
er(
kW
h)
Qso
lu
til(
kW
h)
meses
Peacuterdidas teacutermicas
Qsol Qutil Qperd
47
33 Dimensionamiento del campo solar
331 Caracterizacioacuten del terrero
El terreno del central George Washington es llano desprovisto de grandes
obstaacuteculos que puedan crear dificultades en la construccioacuten del campo y crear
sombras que entorpezcan la radiacioacuten del sol en los espejos reflectores Estaacute
cercano a la carretera y consta con posos que facilita el acceso a los recursos
hiacutedricos en el emplazamiento Estaacute solucionado el problema de la conectividad a la
red eleacutectrica nacional puesto que el central ya contaba con esta infraestructura Por
lo tanto posee las condiciones idoacuteneas para la instalacioacuten de un campo solar
332 Balance energeacutetico en el intercambiador de calor
A partir de la temperatura que se quiere elevar el agua de alimentacioacuten de la caldera
(260 oC) y el flujo de esta (255 kgs) se determina una cantidad de energiacutea teacutermica
que debe suministrar el campo para suplir esta demanda Dicha energiacutea teacutermica se
logra a traveacutes de la radiacioacuten solar captada por los colectores la cual es transferida
en forma de calor a un fluido portador en este caso aceite HTF Este necesita un
determinado flujo para absorber toda esa energiacutea y luego transferirla al agua Los
caudales necesarios para la captacioacuten de este calor se encuentran en la (tabla 9)
Tabla 9 Paraacutemetros termodinaacutemicos en el intercambiador de calor
Datos Agua de
alimentacioacuten Aceite teacutermico
Caudal(kgs) 255 462
Temperatura(ordmC) 166 300
Presioacuten (bar) 67 25
Entalpiacutea (kJkg) 6974 490
Con estos datos se concluye que para calentar un flujo de agua de 255 kgs (a
temperatura de 166ordmC y presioacuten de 67 bar) hasta alcanzar una temperatura de
260ordmC se necesita un flujo de energiacutea teacutermica de 106225 kW lo cual es
proporcionada por 462 kgs de aceite teacutermico proveniente del campo solar que estaacute
a una temperatura de 300ordmC y presioacuten de 25 bar
48
333 Caacutelculo del nuacutemero de lazos
3331 Caacutelculo del caudal miacutenimo de circulacioacuten del fluido de transferencia de
calor (HTF) por cada lazo
Para que exista un flujo turbulento por el interior del tubo absorbedor a una velocidad
del fluido econoacutemica de 3 ms el caudal miacutenimo de circulacioacuten debe ser de 86 kgs
(tabla 10)
Tabla 10 Caudal miacutenimo de circulacioacuten del fluido de transferencia de calor (HTF) por
cada lazo
Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF por cada lazo 86 kgs
Nuacutemero de Reynolds 874E+5
Velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor 3 ms
Viscosidad dinaacutemica del HTF a la temperatura media de
trabajo 194E-04 kgmmiddots
Densidad del HTF a la temperatura media de trabajo 870 Kgm3
3332 Incremento de la temperatura del HTF en un colector
Para calentar el flujo de aceite de 200 a 300ordmC lo cual equivale a un salto teacutermico
por lazo de 100ordmC es necesario 4 colectores por lazo Por tanto el salto de
temperatura promedio del HTF a su paso por un colector es aproximadamente de
283ordmC (tabla 11)
Tabla 11 Salto de temperatura promedio del HTF a su paso por un colector
meses ∆119931119949119938119963119952() ∆119827119836119848119845119838119836() 119821119845119834119859119848119852
Enero 100 248 40
Febrero 100 263 38
Marzo 100 301 33
Abril 100 343 29
Mayo 100 333 30
Junio 100 318 31
Julio 100 325 31
Agosto 100 330 30
Septiembre 100 286 35
Octubre 100 262 38
Noviembre 100 202 50
Diciembre 100 186 54
49
3333 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
El nuacutemero de colectores necesarios por lazo para cada mes se refleja en la (tabla
12) Con este resultado se concluye que la cantidad de colectores totales que debe
tener cada lazo del campo solar es aproximadamente de 4
Tabla 12 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo para cada mes del antildeo
Meses Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
Enero 40
Febrero 38
Marzo 33
Abril 29
Mayo 30
Junio 31
Julio 31
Agosto 30
Septiembre 35
Octubre 38
Noviembre 50
Diciembre 54
3334 Nuacutemero de lazos en el campo solar
Al ser la potencia teacutermica del campo solar 106225 kW y ser la potencia teacutermica uacutetil
promedio por lazo aproximadamente de 26556 kW el nuacutemero de lazos necesarios
por campo solar debe ser aproximadamente de 4
Para generar 106 MW teacutermico con una radiacioacuten promedio de 5355 Wm2 para todo
un antildeo la dimensioacuten del campo solar debe ser de 44448 m2 Esto se logra con un
total de 4 lazos con 4 colectores cada uno
334 Caacutelculo del ahorro de bagazo propiciado por el campo
Una de las ideas fundamentales de este proyecto es el ahorro de bagazo para su
uso fuera de temporada y asiacute no parar la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica por la
ausencia de combustible Para esto se halloacute el iacutendice de generacioacuten con el campo
(tabla 13) quedando un ahorro de maacutes de 25 mil toneladas de bagazo Pudiendo
dar un margen de 30 diacuteas maacutes de generacioacuten de electricidad lo que equivale a maacutes
de 14 mil MWe
50
Tabla 13 Generacioacuten en el periacuteodo de zafra y ahorro de bagazo propiciados por el campo
solar
Generacioacuten eleacutectrica total 111063 MWh
Iacutendice de generacioacuten sin campo 500 kWhtb
Iacutendice de generacioacuten con campo 575 kWhtb
Ahorro de bagazo 251586 TonZafra
Porciento de bagazo ahorrado 14
Generacioacuten con el excedente de Bagazo 14463 MWh
Seguacuten los datos de la tabla 13 y suponiendo que la zafra sea de 120 diacuteas sin contar
las paradas este resultado extenderiacutea la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica a 232 diacuteas
aproximadamente maacutes de la mitad del antildeo y solo se necesitariacutea para los restantes
133 diacuteas del antildeo abastecerse por medio de otra fuente como pudiera ser bagazo
aportado por centrales cercanos que funcionaran como tributarios o utilizar otro
combustible complementario como los residuos agriacutecolas cantildeero lentildea o carboacuten de
marabuacute
34 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un
antildeo)
Para el caacutelculo se halloacute el ahorro de combustible foacutesil con la incorporacioacuten del campo
solar De la (tabla 14) mostrada en el capiacutetulo anterior se tomoacute el valor para las
emisiones de CO2 que fue de 306 kgkgf lo que reflejoacute los siguientes resultados
Tabla 14 Ahorro de combustible y emisiones de CO2 dejadas de emitir propiciado por el campo
Iacutendice de generacioacuten de una planta
teacutermica convencional en Cuba 270 gkWh
Ahorro de combustible Foacutesil 3888 TCC
CO2 dejado de emitir 11897 Ton
35 Factibilidad econoacutemica del proyecto
Para los caacutelculos de factibilidad econoacutemica en este proyecto se ha tomado los
siguientes valores (tabla 15)
51
Tabla 15 Valores necesarios para el caacutelculo de la factibilidad econoacutemica
Precio de la electricidad 021 $kWh
Impuestos 30
Tasa de descuento 10
Vida uacutetil 25 antildeos
Tambieacuten se tuvieron en cuenta los costos de inversioacuten del campo solar (tabla 16)
Tabla 16 Costos de Inversioacuten del campo solar Fuente (IDEA 2013)
Captacioacuten y concentracioacuten de
energiacutea solar
Campo solar(CCP)
espejos 35 Eur m2
apertura
130800 m2
457800
euros
estructuras
metaacutelicas
72 Eur m2
apertura
13080
m2
941760
euros
sistemas de
posicionamiento
6600 Eurunid
16
unidades
108585
euros
movimiento de
tierras
21 Eur m2
apertura
13080
m2 27468000 euros
cimentacioacuten 37 Eur m2
apertura
13080
m2 48396000 euros
montaje 43 Eur m2
apertura
13080
m2 56244000 euros
nave de montaje 545 Eur m2
apertura
13080
m2 7128600 euros
costo total
2900511
euros
Sistema de conversioacuten solar teacutermico
aceite teacutermico 283 Eurkg
100
Kg 283 euros
tubos
absorbedores
892 Eurtubo
16
tubos
14675
euros
juntas rotativas 190 Eur unid 33 unidades 625187 euros
tuverias valvulas y
accesorios
13400 Eurlazo 4 lazos 4915834 euros
sistTrasiego
aceites
87000 Eurlazo 4 lazos 31916236 euros
sistPurificacioacuten
de aceite
380000 Eur unid 1 unidades 380000 euros
ProteccContra
incendios
11400 Eurlazo 1 lazos 11400 euros
sistInertizacioacuten 5900 Eurlazo 1 lazos 5900 euros
52
Intercambiador
aceite-vapor
240 EurkW 10623 kWe 2549400 euros
calderas GV 53 EurkWt - 0 euros
costo total 33362310 euros
TOTAL DEL COSTO DE INVERSIOacuteN
9137253
euros
9959606
doacutelares
Tabla 17 Costos de operacioacuten y mantenimiento (OampM) del campo solar en millones de
euros (MEUR MWantildeo) Fuente (IDEA 2013)
Personal 001 MEUR MWantildeo
Mantenimiento 004 MEUR MWantildeo
Otros 002 MEUR MWantildeo
total 007 MEUR MWantildeo
Tabla 18 Costos de operacioacuten y mantenimiento (OampM) del campo solar en MEUR Fuente
(IDEA 2013)
Potencia del
campo solar
11 MW
Personal 011
Mantenimiento 042
Otros 021
total 074
Esto equivale a un costo fijo de 1772000 doacutelares en operacioacuten y mantenimiento
Paraacutemetros operativos
Venta de electricidad 21 centkWh
Produccioacuten de electricidad solar 144626 MWhantildeo
Costos OampM campo solar 289252 USD antildeo
Costo nivelado de la energiacutea generada
Este costo se determinoacute al sumar los costos variables el de inversioacuten total y los
costos de operacioacuten y mantenimiento luego se dividioacute entre la generacioacuten total de
la planta en los 25 antildeos de vida uacutetil de esta tecnologiacutea quedando de 0032$kWh
351 Tasa interna de retorno (TIR)
Con un campo de 16 colectores y para las condiciones de este proyecto se obtuvo
una TIR de
TIR= 30
La TIR calculada fue mayor que la tasa de descuento por tanto el proyecto es
aceptable
53
352 Valor actual neto (VAN)
El valor actual neto es positivo con un valor que asciende a $ 34116545 por lo que
se cumple la condicioacuten de VAN mayor que cero por lo que el proyecto es rentable
353 Periacuteodo de recuperacioacuten (PR)
El tiempo en que se recupera esta inversioacuten es de aproximadamente 9 antildeos (figura
18)
Los costos de inversioacuten incluyen costes de Ingenieriacutea obtencioacuten de los permisos
necesarios y autorizaciones administrativas obra civil y equipo electromecaacutenico
Los beneficios corresponden a las ventas anuales de electricidad una vez
deducidos los gastos de operacioacuten y mantenimiento En general se estima en el
sector que para que una inversioacuten sea interesante el periacuteodo de recuperacioacuten no
debe exceder de 7 antildeos (Penche 1998) Este proyecto excede en dos antildeos lo
planteado por (Penche 1998) aunque sigue siendo factible e interesante para las
condiciones del paiacutes ya que como plantea el problema de investigacioacuten el principal
intereacutes de este trabajo es aumentar los diacuteas de generacioacuten de electricidad Debido
al problema que presenta Cuba con los iacutendices de generacioacuten se hace necesario
una mejora en este sector a toda costa priorizando esto quedando asiacute los periodos
de recuperacioacuten por detraacutes de este intereacutes primordial
Figura 19 Periacuteodo de recuperacioacuten en antildeos
Teniendo en cuenta estos tres iacutendices econoacutemicos calculados que se tuvieron en
cuenta para la rentabilidad econoacutemica de este proyecto se obtiene como resultado
que dicho proyecto es econoacutemicamente factible
-15000000
-10000000
-5000000
0
5000000
10000000
15000000
20000000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Doacutela
res
Antildeos
Periacuteodo de recuperacioacuten de la invercioacuten
54
Conclusiones
La tecnologiacutea de plantas hibridas solar-biomasa para el caso de Cuba es
potencialmente factible a partir de los valores encontrados de radiacioacuten solar
directa en todo el territorio alcanzando estos maacutes de 5 kWhm2-dia durante
todo el antildeo siendo favorable para la implementacioacuten de esta tecnologiacutea
El rendimiento global de cada colector tiene un valor aproximado del 70
debido a las peacuterdidas geomeacutetricas oacutepticas teacutermicas y por las condiciones
meteoroloacutegicas del lugar puesto que al ser Cuba una isla rodeada de mar
hay ocurrencia de un gran nuacutemero de precipitaciones y cielos nublados al
antildeo que afectan considerablemente el factor de disponibilidad del campo
solar
El campo solar tendraacute 4 colectores por lazo y 4 lazos por campo con una
potencia teacutermica de 106 MW lo que representa un aacuterea de casi 45 ha
aumentaacutendose el iacutendice de generacioacuten de electricidad de la planta con su
conversioacuten en planta hibrida (solar-biomasa) de 500 kWhtb a 575 kWhtb
Con la implementacioacuten del proyecto propuesto (hibridacioacuten biomasa-energiacutea
solar) se puede lograr un ahorro de 251586 toneladas de bagazo por zafra
lo que equivale a 30 diacuteas adicionales de generacioacuten eleacutectrica de la planta lo
que extenderiacutea la generacioacuten en la bioeleacutectrica a unos 230 diacuteas acercaacutendose
cada vez maacutes a lo previsto por la poliacutetica existente en el paiacutes de conversioacuten
de centrales en bioeleacutectricas de llegar a los 300 diacuteas Pudieacutendose saldar los
70 diacuteas faltantes con combustibles alternativos como el RAC y el marabuacute con
gran abundancia en nuestros campos
La implementacioacuten en la UEB George Washington de la hibridacioacuten permitiriacutea
anualmente con el excedente de bagazo obtenido una generacioacuten de
electricidad adicional de 145 GWh con una disminucioacuten de 11897 toneladas
de emisiones de CO2 funcionando como una fuente de empleo considerable
para los habitantes de este lugar
El estudio de la hibridacioacuten solar-biomasa en la UEB George Washington
indica que un proyecto de este tipo es factible con una inversioacuten de casi 10
millones de doacutelares logra como resultados maacutes importantes un VAN de maacutes
de 34 millones una TIR de 30 un PRD de aproximadamente 9 antildeos y un
costo nivelado de la electricidad de 0032 $kWh valor de gran motivacioacuten
para la implementacioacuten de esta tecnologiacutea
55
Recomendaciones
Extender el estudio de factibilidad de plantas de energiacutea hiacutebridas biomasa
solar a otros centrales azucareros del paiacutes que se prevean convertir en
bioeleacutectricas
Incluir en la metodologiacutea de anaacutelisis empleada en este trabajo para futuros
estudios otro tipo de tecnologiacuteas de concentracioacuten como pudiera ser la de
colector lineal Fresnel cuya aplicacioacuten ha venido en aumento en los uacuteltimos
antildeos a nivel mundial
Profundizar en el estudio de factibilidad de este proyecto analizando la
influencia de la variacioacuten de paraacutemetros como el salto entaacutelpico en el
intercambiador de calor del campo solar para la optimizacioacuten del disentildeo del
campo solar
56
Bibliografiacutea
BEacuteRRIZ L MADRUGA E 2000 Cuba y las fuentes renovables de energiacutea CUBASOLAR pp 29
CENGEL Y 2012 Termodinaacutemica Meacutexico DF
DAVID A 2007 Business and Finance Israeli Company to build largest solar park in world in US [Online] Available (httpwwwynetnewscom) [Accessed 10 febrero 2018]
E BURIN T V S MULTHAUPT A THELEN G OELJEKLAUS K GOumlRNER E BAZZO 2016 Thermodynamic and economic evaluation of a solar aided sugarcane bagasse cogeneration power plant THE 28TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON EFFICIENCY COST OPTIMIZATION SIMULATION AND ENVIRONMENTAL IMPACT OF ENERGY SYSTEMS
EPA Factor Information REtrieval (FIRE) Software Technology Transfer Network Clearinghouse for Inventories amp Emissions Factors 2004
GACETA 2007 Estrategia Ambiental Nacional Ministerio de Justicia 30 ed Gaceta Oficial Republica de Cuba
GESIME 2014 Conceptualizacioacuten del programa de desarrollo de la energiacutea solar teacutermica en Cuba 2014-2020 MINEM Desarrollado por grupo de desarrollo de la energiacutea solar teacutermica Grupo Empresarial de la Industria Sidero-Mecaacutenica 36
GUTIEacuteRREZ E 2013 ldquoEl azuacutecar cubano adquiere protagonismo energeacuteticordquo Diarios latinoamericanos de Tierrameacuterica
HERRERA I 2016 Poligeneration Workshop KTH Universidad Central Marta Abreu de Las Villas
HIDALGO L 2012 Estudio Teacutecnico-econoacutemico de una central hiacutebrida solar-ciclo combinado Proyecto final de carrera para optar por el tiacutetulo ingeniero teacutecnico de minas Departamento de sistemas energeacuteticos 79
HTTPEOSWEBLARCNASAGOVSSE 2017 Surface Meteorology and Solar Energy [Online] [Accessed 22 noviembre]
HTTPWWWWIKIPEDIAORG 2017 Energiacutea solar teacutermica [Online] [Accessed 17 diciembre 2017]
IDEA 2013 Plan de Energiacuteas (PER) 2011-2020 Instituto para la Diversificacioacuten y Ahorro de la Energiacutea
LA ROSA D 2014 Recuperacioacuten de la disponibilidad de generacioacuten en el ciclo combinado de Energas Varadero con aporte termosolar httpwwwcubasolarcu
MARTIacuteN S 2017 Colector ciliacutendrico paraboacutelico Available from httpwwwtecnoblogsanmartinwordpresscom]
57
MARTIacuteNEZ L 2017 Conjunto de alternativas tecnoloacutegicas para la ingenieriacutea conceptual del estudio de oportunidad de la conversioacuten en bioeleacutectrica del central George Washington Trabajo de diploma Universidad Central ldquoMarta Abreurdquo de Las Villas
MAXWELL E L RENNE DS 1994 Measures of Renewable Energy National Renewable Energy Laboratory
PAREDES C 2012 Disentildeo de captador solar ciliacutendrico paraboacutelico para aplicaciones rurales en Paraguay Proyecto final de carrera para optar por el tiacutetulo de ingeniero teacutecnico de minas Especialidad en recursos energeacuteticos combustibles y explosivos 57
PENCHE C 1998 Manual de pequentildea hidroeleacutectrica D I R E C C I Oacute N G E N E R A L D
E E N E R G I A ( D G X V I I ) 259
PETROLEUM B 2006 BP Statistical Review of World Energy June 2006 Quantifying Energy
PETROLEUM B 2018 Statistical Review of World Energy [Online] Available httpwwwbpcomenergyoutlook [Accessed 12 febrero de 2018]
PITZ-PAAL 2013 Solar thermal power plants BINE-Themeninfo FIZ Karlsruhe GmbH
REN 2013 Global Status Report Paris
REUszlig N 2012 Modern Gas- amp Steam Turbines in Solarthermic Applications 14th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery Honolulu
RIBOT J E A ROVIRA P ROVIRA A BAROacuteN JL 2001 Curso de Energiacutea Solar Centro de Tecnologiacutea Educativa CTE Barcelona Espantildea Obra completa 4ta edicioacuten Leccioacuten 3 El potencial real de la energiacutea solar
RODRIacuteGUEZ J 2015 Metodologiacutea para la caracterizacioacuten termoeconoacutemica de plantas hiacutebridas de generacioacuten de electricidad Tesis Doctoral Universidad Politeacutecnica de Madrid
ROJAS E 2013 Energiacutea Solar Teacutermica Observatorio de energiacutea renovable para Ameacuterica Latina y Caribe Programa de capacitacioacuten de energiacuteas renovables ONUDI 68
SALOMOacuteN R 2016 ldquoBioeleacutectricas despiertan creciente intereacutes mundialrdquo
SALOMOacuteN R 2018 Biomasa fuente de electricidad inagotable para Cuba Diaacutelogos del Sur Prensa Latina de La Habana
SEBASTIAacuteN E 2011 Sistemas de colector ciliacutendrico paraboacutelico para generar energiacutea httpeliseosebastiancom
SHILLING Z NORMAN 2003 IGCC Clean Power Generation Alternative For Solid Fuels Product Line Leader
58
WWWSOLARBUZZCOM H 2016 Abener Signs Contract for Solar Thermal Electric-Combined Cycle Hybrid Plant [Online] [Accessed 16 diciembre 2017]
2
de operacioacuten ya que estas tecnologiacuteas no presentan consumo de combustible para
su operacioacuten Asiacute la amortizacioacuten de los sistemas con fuentes renovables ocurre por
el ahorro de los costos asociados al consumo de combustible Dado que la energiacutea
solar en su forma primaria es gratuita el reto es disentildear sistemas de captacioacuten y
aprovechamiento que transformen esta energiacutea con sistemas que sean econoacutemicos
y faacutecilmente operables Sin embargo para el aprovechamiento de la energiacutea solar se
tiene como primera limitante su baja densidad de potencia comparada con los
combustibles foacutesiles por lo que se busca sistemas con elevada eficiencia de
conversioacuten Otra limitante es su intermitencia ya sea por el ciclo diacutea-noche o bien por
condiciones atmosfeacutericas adversas como lluvia o nublados y por la estacionalidad
En Cuba las energiacuteas renovables solo representan 46 por ciento de la generacioacuten
eleacutectrica y el resto lo aportan los combustibles foacutesiles de esto la industria azucarera
aporta el 35 por ciento Existe en Cuba un programa nacional de fuentes renovables
de energiacutea y eficiencia energeacutetica El plan para elevar la eficiencia energeacutetica
contempla que para 2030 un total de 25 ingenios generen un excedente de 872 MW
conectados a la red del Sistema Eleacutectrico Nacional Para alcanzar este objetivo se
modernizan los ingenios para transformarlos en modernas plantas bioeleacutectricas Las
inversiones estimadas estaacuten en el orden de los 1290 millones de doacutelares que se
pretenden obtener de diversas formas (Gutieacuterrez 2013)
Este trabajo tiene como propoacutesito estudiar la integracioacuten de energiacutea solar teacutermica con
biomasa para la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica y teacutermica en los esquemas
energeacuteticos de las bioeleacutectricas en Cuba Se tomaraacute como caso de estudio la Unidad
Empresarial de Base uml George Washington uml donde se evaluaraacute incorporar al
economizador de la caldera de vapor agua calentada por un campo solar compuesto
por colectores ciliacutendrico paraboacutelico prototipo EUROTrough-150 Se espera con la
introduccioacuten de esta tecnologiacutea ahorrar bagazo para que sea utilizado en la eacutepoca
pos zafra por la bioeleacutectrica que se preveacute instalar alliacute La caldera del Central basa su
funcionamiento en utilizar como combustible el bagazo residual del proceso de la
elaboracioacuten de azuacutecar
Problema
La insuficiente biomasa cantildeera para que las bioeleacutectricas alcancen al menos 300 diacuteas
de generacioacuten de energiacutea al antildeo causa que los periacuteodos de recuperacioacuten de la
inversioacuten en esta tecnologiacutea sean muy prolongados siendo una posible solucioacuten la
hibridacioacuten de biomasa cantildeera con energiacutea solar teacutermica de concentracioacuten
Se planteoacute la siguiente hipoacutetesis
Si se realiza un estudio de factibilidad de combinar la energiacutea solar teacutermica con la
biomasa cantildeera en las condiciones de Cuba se lograraacute economizar biomasa cantildeera
3
para que las bioeleacutectricas alcancen al menos 300 diacuteas de generacioacuten de energiacutea al
antildeo y a la vez lograr que se reduzcan los periacuteodos de recuperacioacuten de las inversiones
de las bioeleacutectricas en el paiacutes
Por todo lo antes expuesto y para la realizacioacuten de este trabajo de ingenieriacutea se
definioacute el siguiente objetivo general
Estudiar la factibilidad de combinar la energiacutea solar teacutermica de concentracioacuten con
biomasa cantildeera para aumentar la generacioacuten de electricidad al menos 300 diacuteas al
antildeo en las bioeleacutectricas en Cuba
Y como objetivos especiacuteficos
Determinar el potencial solar en la zona central del paiacutes para seleccionar la
tecnologiacutea de concentracioacuten solar y el esquema maacutes factible de hibridacioacuten en la
bioeleacutectrica para las condiciones de Cuba
Realizar el dimensionamiento oacuteptimo del campo solar teacutermico de concentracioacuten para
inyectar energiacutea al ciclo de las bioeleacutectricas proyectadas
Analizar la factibilidad de una propuesta de bioeleacutectrica hiacutebrida biomasa-solar
mediante el uso de indicadores econoacutemicos como el costo nivelado de la energiacutea
generada costo de inversioacuten VAN y TIR asiacute como el impacto ambiental causado
por esta para el caso de estudio UEB umlGeorge Washingtonuml
4
Capiacutetulo 1 Revisioacuten Bibliograacutefica
En este capiacutetulo se realizoacute una recopilacioacuten seleccioacuten y anaacutelisis de la literatura
consultada que constituye el marco teoacuterico del trabajo Se reconocieron las
contribuciones de otros autores buscaacutendose una loacutegica entre los propoacutesitos
investigativos y el conocimiento que existe acerca del problema que se abordoacute
11 Ciclo termodinaacutemico de la industria azucarera
En la industria azucarera cubana al igual que en todo el mundo se emplea un ciclo
de potencia de vapor especiacuteficamente un ciclo Rankine con algunas desviaciones
Se consideran ciclos de potencia de vapor en los que el fluido de trabajo se evapora
y condensa alternadamente Asimismo se analiza la generacioacuten de potencia
acoplada con un proceso de calentamiento llamada cogeneracioacuten La constante
demanda de eficiencias teacutermicas maacutes altas ha producido algunas modificaciones
innovadoras en el ciclo baacutesico de potencia de vapor Entre eacutestos se estudian ciclos
con recalentamiento y regenerativo asiacute como ciclos combinados de potencia de gas
y vapor El vapor de agua es el fluido de trabajo usado para estos ciclos de potencia
de vapor en la industria azucarera debido a sus muchas y atractivas caracteriacutesticas
como bajo costo disponibilidad y alta entalpiacutea de vaporizacioacuten(Cengel 2012)
El ciclo Rankine ideal simple consta de cuatro procesos que son los siguientes
1-2 Compresioacuten isentroacutepica en una bomba
2-3 Adicioacuten de calor a presioacuten constante en una caldera
3-4 Expansioacuten isentroacutepica en una turbina
4-1 Rechazo de calor a presioacuten constante en un condensador
Figura 1 Ciclo Rankine ideal simple
5
En la industria azucarera este ciclo de potencia no se encuentra asiacute del todo puesto
que se le realizan algunas modificaciones ya que el proceso es el que funciona como
condensador del ciclo y en otros casos como es el de las bioeleacutectricas que se
pretenden instalar se realiza un recalentamiento a la salida de la turbina de alta para
luego ser insertado en una turbina de baja Tambieacuten se colocan calentadores
regenerativos con el fin de calentar el agua a la entrada de la caldera o como se
plantea en este trabajo se puede hibridar con un campo termosolar que funcione
como calentador del agua que entra a la caldera todas estas medidas con el fin de
aumentar la eficiencia del ciclo
Al existir una generacioacuten de potencia en forma de energiacutea eleacutectrica y una demanda
de calor necesaria para el proceso de fabricacioacuten de azuacutecar el ciclo termodinaacutemico
pasa a ser un esquema de cogeneracioacuten (Herrera 2016) el cual se muestra en la
figura siguiente
Lo centrales azucareros convencionales no presentan condensador la funcioacuten de
este la realiza netamente el proceso Por lo que existe una equivalencia entre los
flujos de vapor utilizados para la generacioacuten y los que se usan en el proceso sin
poder realizar un aumento considerable de estos limitando asiacute la generacioacuten de
potencia eleacutectrica En el caso de la bioeleacutectrica no ocurre asiacute puesto que aumentan
los paraacutemetros del ciclo y con este los flujos de la sustancia termoportadora Siendo
necesaria la presencia de un condensador ya que con el proceso no basta para
Figura 2 Ciclo de cogeneracioacuten
6
condensar las enormes cantidades de vapor y que luego puedan ser transportadas
por las bombas asiacutea la caldera
12 Concepto de bioeleacutectrica
Una bioeleacutectrica es una planta de cogeneracioacuten que se construye en un aacuterea aledantildea
al central lo que facilita no detener las zafras durante el periacuteodo de construccioacuten y
montaje Su funcionamiento consiste en un ciclo Rankin con mejoras que consta de
una caldera de alta presioacuten para el proceso de adiccioacuten de calor posteriormente se
expande en una turbina de vapor y se realiza una extraccioacuten para el proceso luego
se condensa el vapor de escape de la turbina y se bombea nuevamente a la caldera
Cuando se realiza su puesta en marcha opera abastecieacutendose de todo el bagazo
producido residuos agriacutecolas y del condensado de vapor puro procedente de los
equipos de calentamiento evaporacioacuten y tachos provenientes de la faacutebrica de azuacutecar
a la que a su vez suministra el vapor de escape de los turbogeneradores para el
proceso de fabricacioacuten del endulzante asiacute como la electricidad que necesita El
excedente eleacutectrico del proceso fabril del azuacutecar se vende al Sistema Eleacutectrico
Nacional (SEN)(Salomoacuten 2018)
13 Planta hiacutebrida
Una planta hiacutebrida se define como una planta que utiliza dos o maacutes recursos
energeacuteticos en este caso solar y biomasa aprovechando las ventajas de cada uno y
disminuyendo sus desventajas como por ejemplo
Se mejora la eficiencia solar eleacutectrica
Se eliminan los arranques y paradas de la turbina que limitan su eficiencia y
encarecen su mantenimiento
Se garantiza un suministro eleacutectrico independientemente del recurso solar Ya no
es necesario el uso de sistemas de almacenamiento para satisfacer la curva de
demanda
Los costes de inversioacuten se reducen se reducen los riesgos de inversioacuten al estar
garantizada la generacioacuten de electricidad Adicionalmente se pueden aprovechar las
instalaciones ya existentes La reduccioacuten en los costes permite operar en lugares con
menor radiacioacuten solar
Sin embargo las plantas hibridas presentan incertidumbre sobre su comportamiento
a lo largo del tiempo debido a la variabilidad temporal del recurso solar de la
demanda eleacutectrica y del solapamiento de ambos Es necesario establecer coacutemo se
van a comportar las instalaciones a lo largo d un antildeo y de este modo poder determinar
su idoneidad bajo unas condiciones de radiacioacuten y de demanda eleacutectrica
dependientes del tiempo(Rodriacuteguez 2015)
7
Los principales componentes que forman parte de una planta hiacutebrida solar-biomasa
se distinguen como el bloque solar el bloque de potencia y la hibridacioacuten
Bloque solar Es donde la energiacutea del sol es convertida en energiacutea teacutermica La
tecnologiacutea solar empleada depende del rango de temperaturas de operacioacuten de la
planta hibrida Es necesario que sean compatibles con las del bloque de potencia
Bloque de potencia es el ciclo termodinaacutemico que convierte la energiacutea teacutermica en
eleacutectrica
Hibridacioacuten es el modo en que el bloque de potencia y el bloque solar son
conectados
14 La energiacutea solar
El Sol es un enorme reactor de fusioacuten nuclear formado por una esfera de materia
gaseosa caliente de 139 millones de kiloacutemetros de diaacutemetro que constituye la
principal fuente de energiacutea para la Tierra situada a una distancia media de 149106
km Debido a la radiacioacuten solar la temperatura en la superficie terrestre es alrededor
de 250ordmC superior a la temperatura que habriacutea en la superficie si eacutesta dependiera
solo del calor interno El Sol radia continuamente una potencia de 38middot1023 kW de
los cuales la Tierra intercepta 17middot1014 kW La energiacutea solar recibida en la atmoacutesfera
exterior de la Tierra en un antildeo se conoce con el nombre de SERPY (Solar Energy
Received Per Year) y corresponde a 155middot1015 MWh cantidad que equivale
aproximadamente a 12000 veces la energiacutea consumida en el mundo si se tienen en
cuenta los datos publicados de produccioacuten y consumo energeacutetico mundial durante el
antildeo 2005 (Petroleum 2006) De la radiacioacuten recibida en la superficie exterior el 30
se refleja al espacio el 47 es absorbido por la atmoacutesfera mares y tierra para
mantener la temperatura ambiente y el restante 23 se usa para mantener la
conveccioacuten atmosfeacuterica y el ciclo hidroloacutegico (Rojas 2013)
La radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera tiene un valor constante de unos 1300 Wm
denominaacutendose constante solar Sin embargo toda esta energiacutea no puede ser
aprovechada debido a diferentes fenoacutemenos que se interponen en su camino desde
el Sol hasta la superficie terrestre Al atravesar la atmoacutesfera las nubes dispersan la
radiacioacuten separaacutendola en radiacioacuten directa y difusa Las sombras causadas por
objetos proacuteximos tambieacuten contribuyen a atenuar el valor de la radiacioacuten Finalmente
el hecho de que la direccioacuten del Sol y la superficie captadora no sea la misma
tambieacuten influye en la disminucioacuten de la constante solar Todos estos factores hacen
que la energiacutea que llega a la Tierra sea de unos 1000 Wm en un diacutea claro a las 12
horas del mediodiacutea solar y a nivel del mar Esta energiacutea no es suficiente para alcanzar
las temperaturas que se requieren por lo que se utilizan elementos concentradores
La energiacutea solar tiene muchas aplicaciones donde ser utilizada Estas actividades se
clasifican en tres grupos generacioacuten teacutermica generacioacuten de trabajo y generacioacuten de
friacuteo El primer grupo contiene la generacioacuten de calor para calefaccioacuten agua caliente
8
sanitaria (ACS) desecacioacuten y refrigeracioacuten Dentro de esta divisioacuten existen
diferencias seguacuten la temperatura alcanzada Podemos distinguir procesos de baja
temperatura que usan colectores planos para ACS hasta 60ordmC procesos de media
temperatura para calefaccioacuten y produccioacuten de friacuteo y procesos de alta temperatura en
la industria La generacioacuten teacutermica tambieacuten incluye la arquitectura bioclimaacutetica La
generacioacuten de trabajo se puede dar de forma teacutermica y de forma fotovoltaica Los
parques de heliostatos o concentradores ciliacutendrico-paraboacutelicos producen vapor que
se utiliza en ciclos de potencia mientras que los paneles fotovoltaicos convierten la
luz en electricidad por medio de semiconductores Por uacuteltimo la generacioacuten de friacuteo
se produce por medio de maacutequinas de absorcioacuten
Las tecnologiacuteas usadas para este tipo de energiacutea son colectores planos para
calefaccioacuten y ACS concentracioacuten en torre discos paraboacutelicos colectores ciliacutendricos
paraboacutelicos y colectores Fresnel para la produccioacuten de electricidad Maacutes adelante se
explicaraacuten con maacutes detalle todas estas tecnologiacuteas
La principal ventaja con la que cuenta la energiacutea solar es que se trata de un recurso
inagotable que estaacute al alcance de todos pero uno de los problemas de esta reside
que la demanda no coincide con la produccioacuten Para ajustar la demanda a la
produccioacuten se hace necesario el uso de sistemas de almacenamiento Otro problema
a tener en cuenta es la intermitencia del recurso solar A lo largo del antildeo hay
numerosos diacuteas en los que las nubes impiden el correcto aprovechamiento de la
energiacutea solar La solucioacuten a este problema es la instalacioacuten de un sistema de apoyo
consistente generalmente en una caldera auxiliar operada con un combustible foacutesil
De este modo se puede prescindir de los sistemas de almacenaje (Paredes 2012)
15 Sistemas teacutermicos solares El objetivo esencial de cualquier sistema teacutermico solar es captar la radiacioacuten que
proviene del sol para transformarla en energiacutea teacutermica de un fluido y transportarla de
la manera maacutes econoacutemica y eficaz posible a un usuario Las aplicaciones del
aprovechamiento solar pueden ser directas en forma de calor o bien indirectas
utilizando este calor para obtener trabajo mecaacutenico en un eje y finalmente
electricidad Entre las tecnologiacuteas existentes hay tres que destacan por su grado de
desarrollo los sistemas de colectores cilindro paraboacutelicos (CCP) los sistemas de
receptor central (SRC) o sistemas de torre central (STC) y los discos paraboacutelicos
(DP) o maacutes propiamente paraboloides de revolucioacuten Tambieacuten existen los sistemas
de concentradores lineales Fresnel (CLF) que a pesar de no estar ampliamente
desarrollados en cuanto a tecnologiacutea se refiere merecen una mencioacuten Aunque los
campos de aplicacioacuten de los Sistemas Termo-solares de Concentracioacuten (CSTS) son
diversos es en los campos de generacioacuten de electricidad vapor de proceso o de
ambos simultaacuteneamente donde estos sistemas han alcanzado su mayor grado de
desarrollo dando lugar a Centrales Energeacuteticas Termo-solares (CETS) Las CETS
son entre los sistemas basados en el aprovechamiento de las energiacuteas renovables
uno de los de mayor potencial de contribucioacuten a la satisfaccioacuten de la demanda
9
energeacutetica especialmente en las regiones situadas en el llamado ldquocinturoacuten solarrdquo
que son aquellas que se encuentran entre las latitudes 35o norte y 35o sur (Paredes
2012)
151 Sistemas de torre central (STC)
Este sistema se caracteriza porque el conjunto colector estaacute compuesto por un grupo
maacutes o menos numeroso de concentradores planos individuales llamados heliostatos
los cuales dirigen la radiacioacuten solar concentrada hacia un receptor central situado en
lo alto de una torre Por tanto la concentracioacuten de la radiacioacuten se produce en tres
dimensiones por lo que el valor de la razoacuten de concentracioacuten es muy elevado asiacute
como las temperaturas que se alcanzan pudiendo llegar eacutestas a los 1500 degC
Figura 3 Esquema de un STC Fuente Greenpeace
A parte de los componentes principales del sistema que se detallan maacutes adelante
para un correcto funcionamiento del sistema se requieren una serie de equipos y
sistemas auxiliares como el sistema de caracterizacioacuten de imaacutegenes blancos
lambertianos para evaluacioacuten de imaacutegenes ajustes de offsets etc
El sistema colector El heliostato es junto con el receptor uno de los componentes
que representa mayor importancia dentro del sistema llegando a suponer hasta un
60 del coste total de la parte solar Su funcioacuten es la de captar la radiacioacuten solar y
redirigirla hacia el receptor
Estaacute compuesto baacutesicamente por una superficie reflectante ndashespejos de vidrio como
los de los CCPs ademaacutes de una estructura soporte mecanismos de movimiento y
un sistema de control
En cuanto al tamantildeo existen de varias dimensiones desde 40 o 50 m2 hasta su
evolucioacuten a los 150 m2 Aunque actualmente se tiende a los heliostatos maacutes
10
pequentildeos pues suponen una simplificacioacuten y abaratamiento en los procesos de
transporte instalacioacuten y puesta en servicio El campo de heliostatos en relacioacuten al
receptor estaacute condicionado en gran parte por la orografiacutea del terreno por el tamantildeo
de la planta y por la disposicioacuten del receptor Las dos formas claacutesicas de colocar los
heliostatos son
Campo circundante heliostatos alrededor de la torre
Campo Norte-Sur heliostatos a un lado de la Torre La orientacioacuten dependeraacute de
en queacute latitud se encuentre el emplazamiento
No obstante existen otras disposiciones que tratan de aprovechar la orografiacutea del
terreno (por ejemplo una ladera orientada al Sur) o usan un concentrador secundario
para evitar los inconvenientes derivados de situar el receptor sobre una torre
La torre La funcioacuten de la torre es la de servir de soporte al receptor que
normalmente debe situarse a una cierta altura sobre el nivel del campo de helioacutestatos
para reducir las sombras y bloqueos entre eacutestos y a diversos elementos auxiliares
(blancos lambertianos sistemas de medida etc) Hasta hoy las torres construidas
han sido de estructuras metaacutelicas o de hormigoacuten
El receptor Es el dispositivo donde se produce la conversioacuten de la radiacioacuten solar
concentrada en energiacutea teacutermica
152 Disco Paraboacutelico (DP)
Los sistemas de discos paraboacutelicos se componen baacutesicamente en un reflector o en
un conjunto de reflectores que tienen forma de paraboloide de revolucioacuten Ademaacutes
poseen un receptor situado en el foco puntual de dicho paraboloide y de un sistema
de generacioacuten eleacutectrica compacto (un motor o una turbina maacutes un alternador) Por lo
general receptor y sistema de generacioacuten suelen formar parte de un mismo conjunto
El principio de funcionamiento es el mismo que para los CCPacutes es decir la radiacioacuten
concentrada por el paraboloide incide sobre el receptor donde se convierte en
energiacutea teacutermica (pudiendo alcanzar los 1500 oC que permite generar electricidad Los
elementos principales del colector Disco Paraboacutelico son los siguientes
Concentrador La forma de la superficie reflexiva en este tipo de sistema es la de
un paraboloide de revolucioacuten cuyo tamantildeo depende de la potencia nominal y de la
energiacutea que se desea generar en un determinado tiempo y bajo unas condiciones de
radiacioacuten determinadas
Receptor Es un sistema de discos paraboacutelicos que tienen dos funciones
fundamentales por un lado la de absorber la radiacioacuten solar reflejada por el
concentrador y por el otro transferir la energiacutea absorbida al fluido de trabajo de la
maacutequina asociada Hasta la fecha existen dos tipos de reflectores tubos
directamente iluminados por la reflexioacuten de los rayos y receptores de reflujo
11
Sistema de Seguimiento Con objeto de seguir la posicioacuten del sol en todo momento
los discos paraboacutelicos realizan un seguimiento de eacuteste en dos ejes Se realiza seguacuten
dos tipos de montaje
Seguimiento en acimut-elevacioacuten en el que el movimiento se realiza seguacuten dos
ejes el vertical y el horizontal
Seguimiento polar en el que el movimiento en un eje es muy lento pues solo se
debe seguir las variaciones estacionales del sol y el movimiento en el otro eje es a
velocidad constante
Actualmente el uso de discos paraboacutelicos para generar electricidad se encuentra en
fase de desarrollo en algunas plantas experimentales como la de Planta Solar de
Almeriacutea pero la falta de fiabilidad y su elevado coste constituyen los principales
obstaacuteculos para su introduccioacuten real en la generacioacuten eleacutectrica En cambio
atendiendo a la misma forma estructural y con el mismo principio de reflexioacuten en un
foco puntual del paraboloide de revolucioacuten es muy comuacuten encontrar a nivel
particular cocinas solares
Figura 4 Esquema de un Disco Paraboacutelico Fuente Greenpeace
12
153 Concentrador lineal Fresnel
Esta tecnologiacutea es la maacutes nueva de las cuatro que actualmente hay disponible para
los sistemas solares de concentracioacuten Son captadores de foco lineal en los que
largos reflectores que poseen ejes de giros independientes y paralelos reflejan la
radiacioacuten solar directa sobre un tubo receptor situado sobre ellos Es la tecnologiacutea
maacutes joven de las cuatro descritas por lo que existen actualmente solo dos plantas
comerciales en funcionamiento con una potencia eleacutectrica total de 64 MWe
Figura 5 Concentrador Lineal Fresnel
154 Colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Esta tecnologiacutea cilindro-paraboacutelica basa su funcionamiento en seguimiento solar y en
la concentracioacuten de los rayos solares en unos tubos receptores de alta eficiencia
teacutermica localizados en la liacutenea focal de los cilindros En estos tubos un fluido
transmisor de calor tal como aceite sinteacutetico es calentado aproximadamente a
400ordmC por los rayos solares concentrados El aceite es bombeado a traveacutes de una
serie de intercambiadores de calor para producir vapor sobrecalentado El calor
presente en este vapor se convierte en energiacutea eleacutectrica en una turbina de vapor
convencional Los colectores cilindro-paraboacutelicos se emplean maacutes a escala industrial
de 10 a 100 MW para la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica en un campo solar y en un
sistema de potencia En el campo solar la energiacutea de la radiacioacuten solar se transforma
en energiacutea teacutermica en una serie de filas paralelas de colectores cilindro-paraboacutelicos
cada uno de ellos con seguimiento solar La eficiencia durabilidad y costo de una
central con colectores cilindro-paraboacutelicos depende fuertemente de la estructura y
robustez del colector Un moacutedulo colector generalmente compuesto de elementos
de 12 m de largo conectados en serie puede tener hasta 150 m de longitud Sus
espejos paraboacutelicos reflejan la radiacioacuten solar y la concentran sobre un tubo
absorbente en su liacutenea focal (Sebastiaacuten 2011)
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A principios del siglo pasado (1912) la primera planta de canal paraboacutelico fue
construida en Meadi Egipto para bombeo de agua Con 79 plantas 31425 MW
instalados esta tecnologiacutea es la maacutes madura de las tecnologiacuteas CSP (maacutes de 100
antildeos de experiencia en operacioacuten) (GESIME 2014)
Las primeras centrales con colectores cilindro-paraboacutelicos operan comercialmente en
California desde 1985 En este periodo de tiempo han generado maacutes de doce mil
millones de kilowatts hora de electricidad lo que es suficiente para suministrar
electricidad a aproximadamente doce millones de personas durante un antildeo Al igual
que en centrales teacutermicas con combustibles convencionales y tambieacuten en centrales
nucleares la corriente se genera en las centrales solares teacutermicas con una turbina a
vapor y un generador acoplado (Martiacuten 2017)
El Sistema de Generacioacuten de Energiacutea solar (en ingleacutes Solar Energy Generating
System SEGS) es un conjunto de nueve plantas con una capacidad total de 350 MW
Actualmente es el sistema solar operacional maacutes grande (tanto del tipo termal o no)
La planta Nevada Solar One tiene una capacidad de 64 MW Estaacuten en construccioacuten
las plantas Andasol 1 y 2 en Espantildea cada planta tiene una capacidad de 50 MW sin
embargo estas plantas son de un disentildeo que tiene un sistema de almacenamiento
de calor que requiere un terreno con colectores solares mayor en relacioacuten al tamantildeo
del que deberiacutea tener para su generacioacuten El almacenamiento de calor permite una
mejor utilizacioacuten de las turbinas de vapor Con una operacioacuten diurna y parcialmente
nocturna la turbina de vapor de Andasol 1 con una capacidad de punta de 50 MW
produce maacutes energiacutea que Nevada Solar One con una capacidad de punta de 64 MW
debido al sistema de almacenamiento de calor y un terreno de colectores maacutes grande
que posee la planta de Andasol 1(httpwwwwikipediaorg 2017)
Existiacutea la propuesta de instalar 553 MW adicionales en el Mojave Solar Park
California (David 2007) pero este proyecto fue cancelado en el antildeo 2011 Tambieacuten
IBERDROLA (2013) puso en marcha en Egipto la central de Kuraymat de 150
megavatios (MW) de potencia Se trata de una instalacioacuten pionera en el mundo dado
que incorpora una tecnologiacutea que utiliza de forma combinada el gas y la energiacutea solar
lo que contribuye a disminuir las emisiones de CO2 y a mejorar el rendimiento global
de la planta Tambieacuten se generan 25 MW de vapor como aporte para una planta de
gas en Hassi Rmel Argelia (wwwsolarbuzzcom 2016)
El gobierno de India ha comenzado a desarrollar una iniciativa llamada Jawaharlal
Nehru National Solar Mission (tambieacuten conocida como la misioacuten solar nacional) para
resolver el problema de abastecimiento de energiacutea eleacutectrica
(httpwwwwikipediaorg 2017)
14
Figura 6 Esquema de un CCP Fuente Greenpeace
En la figura 6 se pueden ver los elementos principales del conjunto del colector de
forma maacutes detallada se definen del siguiente modo
El Reflector Ciliacutendrico Paraboacutelico su misioacuten es la de reflejar y concentrar sobre el
Receptor la radiacioacuten solar directa incidente sobre la superficie A grandes rasgos es
un espejo curvo que forma en una de sus dimensiones una paraacutebola de forma que
concentra sobre su liacutenea focal toda la radiacioacuten reflejada Entre los materiales usados
para la reflexioacuten encontramos plaacutesticos recubiertos con peliacuteculas de plata o aluminio
chapas metaacutelicas o el maacutes usado vidrios sobre los que se depositan una capa de
plata junto con un protector de base de cobre y pintura epoxi
El tubo de absorcioacuten o Receptor El tubo absorbedor consta de dos tubos
conceacutentricos separados por un espacio de vaciacuteo El tubo interior por el que circula
el fluido calo-portador es metaacutelico y el exterior es de cristal
El tubo interior es tratado con un recubrimiento metaacutelico selectivo que puede consistir
en una fina capa de cromo niacutequel cobalto o alguacuten otro acabado logrado por
Sputtering o Deposicioacuten Fiacutesica de Vapor (PVD por sus siglas en ingleacutes) Dicho
recubrimiento otorga al tubo sus propiedades uacutetiles para eacuteste uso elevada
absortividad a lo largo de todo el espectro solar y una baja emisividad en el espectro
infrarrojo lo cual se traduce en un elevado rendimiento teacutermico El tubo exterior de
vidrio cumple dos propoacutesitos de igual importancia el primero es proteger el
recubrimiento selectivo del tubo interior y minimizar las perdidas teacutermicas por
conveccioacuten Para aumentar el rendimiento oacuteptico del captador es comuacuten la utilizacioacuten
de un tratamiento antireflexivo en ambas caras del tubo de vidrio que logra mejorar
15
la transmisividad Para lograr mantener el vaciacuteo necesario entre los dos tubos se suele
soldar cada tubo el de vidrio y el de metal por separado a un fuelle metaacutelico que
soporta las diferentes dilataciones de cada material al variar la temperatura Con esto
se logra flexibilizar la unioacuten entre los dos tubos evitando grietas por las que pudiera
ingresar aire al vaciacuteo Otro mecanismo que se utiliza para mantener el vaciacuteo son los
llamados getters en ingleacutes que son colocados en el vaciacuteo debido a su propiedad de
reaccionar quiacutemicamente o por absorcioacuten con cualquier moleacutecula de gas que pudiera
penetrar al espacio confinado atrapaacutendolo y asiacute manteniendo el espacio libre de
cualquier elemento
Figura 7 Esquema del tubo de absorcioacuten o Receptor
El Sistema de Seguimiento Solar El seguimiento del Sol se hace con el objetivo
de aprovechar la mayor parte de horas posibles de luz de forma que la radiacioacuten
solar llegue lo maacutes perpendicularmente posible al colector y se mantengan en el foco
lineal continuamente Los CCPacutes pueden tener seguimiento a dos ejes o a un uacutenico
eje Normalmente el seguimiento se realiza a un eje pues mecaacutenicamente es maacutes
sencillo esto implica menos costos y menores peacuterdidas teacutermicas por no haber
tuberiacuteas pasivas La orientacioacuten puede ser Norte-Sur o Este-Oeste Los mecanismos
de accionamiento que mueven al colector pueden ser eleacutectricos (apropiado para
equipos pequentildeos) hidraacuteulicos (para lazos de colectores) y mecaacutenicos (reloj de
pesas) (Paredes 2012)
16
Figura 8 Esquema del seguimiento solar a un eje de un CCP Fuente Greenpeace
Cimentacioacuten y estructura metaacutelica La cimentacioacuten soporta los colectores y los fija
al suelo de forma que el conjunto estructural soporte las cargas para las que fue
disentildeado La misioacuten de la estructura metaacutelica del colector es la de dar rigidez al
conjunto de elementos que lo componen a la vez que hacer de interface con la
cimentacioacuten del propio colector (Hidalgo 2012)
La tecnologiacutea cilindro paraboacutelica es una tecnologiacutea limpia madura y con un extenso
historial que demuestra estar preparada para la instalacioacuten a gran escala Esta
tecnologiacutea lleva siendo instalada a nivel comercial desde los antildeos 80 con un
excepcional comportamiento Desde entonces ha experimentado importantes
mejoras a nivel de costes y rendimientos Actualmente hay maacutes de 1 GWe en
operacioacuten maacutes de 800 MWe en construccioacuten y maacutes de 2 GWe en promocioacuten a nivel
mundial Por lo que es esta la tecnologiacutea maacutes segura a aplicar
16 Orientacioacuten del colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Los captadores cilindro paraboacutelicos suelen estar instalados en los campos solares de
tal manera que sus ejes de rotacioacuten queden orientados bien Norte-Sur o bien Este-
Oeste Con la configuracioacuten Este-Oeste las variaciones estacionales suelen ser
pequentildeas permitiendo tener un aporte teacutermico maacutes estable durante el antildeo a costa
de perder parte de la energiacutea anual disponible Con la configuracioacuten Norte-Sur esa
energiacutea anual suministrada es optimizada al maacuteximo con el punto en contra de tener
variaciones estacionales mucho mayores que con la configuracioacuten Este-Oeste que
en ocasiones y dependiendo de la latitud y de las condiciones atmosfeacutericas del
emplazamiento pueden suponer relaciones de 3 a 1 entre verano e invierno En el
caso de la planta Termo solar acoplada al economizador de la caldera para la
produccioacuten de electricidad de la UEB umlGeorge Washingtonuml se ha realizado el disentildeo
atendiendo al criterio de maximizacioacuten del aporte energeacutetico anual por lo que la
configuracioacuten elegida es la Norte-Sur
17
17 Peacuterdidas en un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Cuando la radiacioacuten solar alcanza la superficie de un colector paraboacutelico se pierde
una cantidad importante de ella debido a diferentes factores El total de las peacuterdidas
se puede dividir en tres grupos
171 Peacuterdidas geomeacutetricas Provocan la disminucioacuten del aacuterea efectiva de captacioacuten
solar de los colectores En un CCP se dividen en peacuterdidas debidas a la posicioacuten
relativa de los colectores entre siacute los cuales se pueden dar sombra unos a otros y
las peacuterdidas inherentes a cada colector que son motivo del aacutengulo de incidencia el
cual provoca que en los extremos del colector haya una peacuterdida de superficie reflexiva
uacutetil La existencia del aacutengulo de incidencia tambieacuten afecta a los valores de la
reflectividad absortividad y transmisividad ya que estos paraacutemetros presentan su
valor maacuteximo cuando el aacutengulo de incidencia es 0deg (Hidalgo 2012)
172 Peacuterdidas oacutepticas Se deben a imperfecciones en los materiales que componen
el colector la superficie del concentrador no es un reflector perfecto ni el vidrio del
tubo absorbedor es completamente transparente ni el recubrimiento selectivo del
tubo metaacutelico es un absorbedor perfecto Los cuatro paraacutemetros que intervienen en
las peacuterdidas oacutepticas de un canal paraboacutelico son la reflectividad de los espejos
paraboacutelicos la absortancia del tubo metaacutelico la transmitancia de la cubierta de vidrio
y el factor de interceptacioacuten (Hidalgo 2012)
Reflectancia ρ no toda la energiacutea incidente es reflejada hacia el tubo
absorbedor
Absortancia α cantidad de radiacioacuten que absorbe la superficie selectiva del
tubo metaacutelico
Transmitancia 120591 de aquella radiacioacuten que intercepta el tubo de vidrio solo
una parte consigue atravesarlo
Factor de interceptacioacuten γ no toda la radiacioacuten reflejada por los espejos
acaba incidiendo sobre el tubo absorbedor Las causas son diversas imperfecciones
en los espejos un mal posicionamiento de los colectores etc
173 Peacuterdidas teacutermicas Principalmente se encuentran asociadas a dos elementos
del sistema el tubo absorbedor y las tuberiacuteas de fluido teacutermico Las perdidas
asociadas estaacuten formadas por perdidas por conduccioacuten por conveccioacuten y por
radiacioacuten de los diferentes medios que conforman el conjunto del tubo absorbedor
es decir por el tubo metaacutelico la cubierta de cristal y la atmosfera De manera que
la potencia teacutermica disipada en el colector equivale a la suma de las peacuterdidas teacutermicas
en el receptor y las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas por donde circula el fluido
teacutermico (HTF) (Hidalgo 2012)
18
Peacuterdidas teacutermicas en el aceite teacutermico (HTF)
Las peacuterdidas teacutermicas asociadas al tubo absorbedor (119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905) se deben a la
diferencia de temperaturas entre eacuteste y el ambiente pudiendo ser por conduccioacuten
por radiacioacuten y por conveccioacuten desde el tubo absorbedor al ambiente Aunque cada
una de estas peacuterdidas podriacutea calcularse aplicando las ecuaciones que rigen los
mecanismos de transferencia de calor antes mencionados en la praacutectica las
peacuterdidas teacutermicas globales en un colector se cuantifican mediante ecuaciones
experimentales (Hidalgo 2012)
18 Rendimiento de un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Como consecuencia de todas las peacuterdidas oacutepticas geomeacutetricas y teacutermicas que
existen en un CCP la energiacutea teacutermica uacutetil que da un CCP es menor que la que dariacutea
en condiciones ideales cuando no existieran dichas peacuterdidas
En un CCP se suelen definir tres rendimientos diferentes y un paraacutemetro
I) Rendimiento oacuteptico con un aacutengulo de incidencia de 0ordm (rendimiento oacuteptico pico)
Tiene en cuenta todas las peacuterdidas oacutepticas que tienen lugar en el colector con un
aacutengulo de incidencia de 0ordm Su valor viene dado por el producto de estos cuatro
factores reflectividad de los espejos transmisividad del tubo de vidrio factor de
interceptacioacuten (que tiene en cuenta la parte de radiacioacuten reflejada que por cualquier
causa no alcanza el absorbente) y absortividad de la superficie selectiva que recubre
el tubo metaacutelico absorbente
II) Rendimiento teacutermico Considera todas las peacuterdidas teacutermicas que tienen lugar en
el colector
III) Rendimiento global Considera todas las peacuterdidas tanto oacutepticas como
geomeacutetricas y teacutermicas que tienen lugar en el colector
IV) Modificador por aacutengulo de incidencia Considera todas las peacuterdidas oacutepticas y
geomeacutetricas que tienen lugar en el colector para un aacutengulo de incidencia ϕ ne 0ordmy que
no se tienen en cuenta en rendimiento oacuteptico (peacuterdidas geomeacutetricas de final de
colector bloqueo de la radiacioacuten concentrada por parte de los soportes del tubo
absorbente e influencia del aacutengulo de incidencia en la absortividad y transmisividad
del tubo absorbente y en la reflectividad de los espejos) (Paredes 2012)
19 Disentildeos hiacutebridos
En general las formas de concentracioacuten de la energiacutea solar se pueden dividir en
tecnologiacuteas lineales y de enfoque puntual Los canales paraboacutelicos y los colectores
lineales Fresnel pertenecen a las tecnologiacuteas de enfoque lineal mientras que las
tecnologiacuteas de enfoque de puntos principales son el receptor central (torre solar) y el
reflector paraboacutelico (disco) Desde el punto de la disponibilidad del mercado y el
estado actual de desarrollo para el presente estudio de caso se han elegido las
siguientes tres opciones de tecnologiacutea Lineal Fresnel (LF) Ciliacutendrico Paraboacutelico
19
(CCP) y Torre Central (STC) Para todas las opciones de CSP nombradas hay
diferentes configuraciones de tecnologiacuteas posibles cuyo rango se muestra en la tabla
1 (E Burin 2016)
Tabla 1 Rangos para las 3 tecnologiacuteas posibles
Unidad LF CCP STC
Fluido teacutermico
(HTF)
- Aceite teacutermico
Agua
Sal
Aceite teacutermico
Agua
sal
Agua
Sal
Aire
Concentracioacuten - 25-100 70-80 300-1000
Rango de
temperatura
oC 380-600(ST) 380-600(ST) 565(ST)
Performance MWel 10-200 10-200 10-150
Capacidad de
corriente instalada
1 88 11
Proporcioacuten de las
obras (2012)
6 75 18
(ST) Steam Turbine
Fuente(Reuszlig 2012 Pitz-Paal 2013 REN 2013)
Debido a la diferente etapa de desarrollo teacutecnico de las tres tecnologiacuteas de CSP y
sus HTF para el estudio de caso se examinaron las siguientes combinaciones CCP
(aceite teacutermico) LF (agua vapor) y STC (agua vapor)
En cuanto a los disentildeos de integracioacuten de las tres tecnologiacuteas de CSP elegidas
desde el punto de vista termodinaacutemico es esforzarse por alcanzar un nivel de
temperatura lo maacutes alto posible para el calor solar agregado Por esa razoacuten el calor
solar agregado se usoacute aquiacute para proporcionar calor para el precalentamiento del agua
de alimentacioacuten a alta presioacuten asiacute como para la produccioacuten paralela de vapor
saturado y vapor vivo en paralelo con los generadores de vapor de bagazo Los
diagramas de flujo de proceso de los tres disentildeos de integracioacuten se muestran en la
siguiente figura
20
Figura 9 Diagramas de flujo de proceso de los tres disentildeos de integracioacuten posibles
En el disentildeo 1 el calor solar reemplaza completamente la extraccioacuten a alta presioacuten
de la turbina CEST Para este propoacutesito el campo solar proporciona en el punto de
disentildeo un rendimiento teacutermico equivalente a la demanda de calor requerida para el
calentador de agua de alimentacioacuten de alta presioacuten Debido al modo de operacioacuten de
ahorro de combustible este reemplazo y la cantidad reducida de bagazo quemado
afecta el rendimiento de la turbina CEST asiacute como la liacutenea de calentamiento del agua
de alimentacioacuten Debido a que no se realiza la extraccioacuten de vapor de alta presioacuten en
el tiempo en que el campo este trabajando se seleccionoacute las tecnologiacuteas CCP y LF
Cabe sentildealar que no es posible una operacioacuten de solo solar
El disentildeo de integracioacuten 2 permite una produccioacuten paralela de vapor saturado con
calor solar para reducir el consumo de bagazo Por lo tanto parte del flujo de masa
de agua de alimentacioacuten principal que va a los generadores de vapor se desviacutea Este
flujo maacutesico secundario pasa en el caso de CCP a traveacutes de un generador de vapor
solar tiacutepico mientras que en el caso de la LF se alimenta directamente al campo
solar En ambos casos se produce vapor saturado a 67 bar que luego se une al flujo
de masa principal dentro de los generadores de vapor para el sobrecalentamiento
En consecuencia el disentildeo de integracioacuten 2 solo afecta el rendimiento de los
21
generadores de vapor mientras que las condiciones de vapor vivo permanecen
iguales Al mantener el estudio de caso cerca de la viabilidad teacutecnica deben
respetarse las condiciones teacutecnicas de contorno de los generadores de vapor Con
el fin de evitar fuertes desequilibrios en estos componentes se asumioacute que se permite
reducir la carga del generador de vapor a un nivel miacutenimo del 85 Del mismo modo
este disentildeo no permite una operacioacuten solo solar
En el disentildeo de integracioacuten 3 el calor solar desplaza al generador de vapor de
carga teacutermica Una parte del agua de alimentacioacuten se deriva de los generadores de
vapor A medida que pasa a traveacutes del sistema de torre solar se produce vapor
sobrecalentado a 520 deg C y 67 bar Esta integracioacuten afecta solo el rendimiento teacutermico
de los generadores de vapor mientras que el ciclo agua vapor se opera en modo
normal En comparacioacuten con el disentildeo de integracioacuten 2 la operacioacuten de los
generadores de vapor se simplifica Eso significa que los generadores de vapor
funcionan aquiacute con una carga parcial normal de 100 a 65 de carga Con respecto
a eso al permitir una carga miacutenima del generador de vapor del 65 en el punto de
disentildeo solar la torre solar fue disentildeada para proporcionar todo el calor restante
necesario Cabe sentildealar que para el disentildeo de integracioacuten 3 es posible una
operacioacuten solo solar cuando la instalacioacuten de cantildea de azuacutecar estaacute fuera de servicio
Tabla 2 Muacuteltiplo solar simulado seguacuten la tecnologiacutea de CSP
Disentildeo Tecnologiacutea Muacuteltiplo solar
simulado
Disentildeo 1 CCP
LF
09 - 14
08 - 14
Disentildeo 2 CCP
LF
09 - 13
08 - 14
Disentildeo 3 STC 08 - 40
Seleccioacuten del Disentildeo y la tecnologiacutea
Luego del anaacutelisis acerca del disentildeo y la tecnologiacutea a emplear en este proyecto se
decidioacute elegir la tecnologiacutea de colectores ciliacutendricos paraboacutelicos (CCP) y el disentildeo
nuacutemero 1 Los colectores de canal paraboacutelico son los maacutes empleados en el mundo
actualmente y lleva siendo instalada a nivel comercial desde los antildeos 80 con un
excepcional comportamiento Desde entonces ha experimentado importantes
mejoras a nivel de costes y rendimientos Hoy diacutea hay maacutes de 1 GWe en operacioacuten
maacutes de 800 MWe en construccioacuten y maacutes de 2 GWe en promocioacuten a nivel mundial
22
Para las condiciones de nuestro paiacutes esta tecnologiacutea pudiera ser la maacutes factible y
segura tambieacuten contamos en Cuba con industrias que poseen capacidad
maquinaria y herramientas para llegar a construir gran parte del equipo como las
bases y estructuras metaacutelicas teniendo que importarse solamente el tubo
absolvedor Reduciendo esto los costos en gran medida ejemplo de esto es la faacutebrica
de antena de Santa Clara que ya han construido maquetas de un equipo de esta
tecnologiacutea y se encuentran en condiciones de comenzar una produccioacuten a mayor
escala
110 Influencia de la industria azucarera en Cuba
La escasez de recursos energeacuteticos primarios junto con la afectacioacuten ambiental
resultante de la utilizacioacuten irracional de la energiacutea asociada a la actividad humana
obliga a la buacutesqueda de fuentes alternativas en especial fuentes renovables de
energiacutea La biomasa ha sido fuente de energiacutea desde tiempos inmemoriales fue de
hecho el primer combustible que empleoacute el hombre pero no obstante sus milenios
de utilizacioacuten la biomasa continuacutea ocupando un lugar importante en la matriz
energeacutetica a nivel mundial y continuaraacute sieacutendolo La biomasa es un combustible
renovable se encuentra ampliamente distribuida a nivel mundial y resulta en muchas
ocasiones un subproducto de ciertos procesos productivos (agriacutecolas e industriales)
En Cuba existen diferentes tipos de biomasa con posibilidades econoacutemicas de
empleo entre las maacutes importantes estaacuten el bagazo y los residuos agriacutecolas de la
cantildea de azuacutecar la lentildea y el raleo de los bosques el marabuacute la cascara de arroz y
los residuos del cafeacute En la proyeccioacuten estrateacutegica de la generacioacuten de electricidad en
Cuba para el 2030 se considera que las fuentes renovables de energiacutea alcanzaran
el 24 del total (en la actualidad representan el 43 ) y la biomasa representaraacute el
14 del total por lo que ella representaraacute el 58 de la electricidad obtenida con
fuentes renovables Este proceso de generacioacuten de electricidad con biomasa se
centraraacute casi totalmente en la industria azucarera lo que conlleva a un problema
fundamental que consiste en que la zafra se realiza en tan solo 5 meses
aproximadamente y se necesita que la generacioacuten sea durante todo el antildeo En la
actualidad existen tecnologiacuteas disponibles y posibilidades para su empleo que
permiten valorar diferentes alternativas para incrementar sustantivamente el
potencial de generacioacuten eleacutectrica de los centrales azucareros como son las
bioeleacutectricas las cuales se plantea la instalacioacuten de alrededor de 25 en toda Cuba lo
que requiere de un suministro adicional de combustible para el resto del antildeo en que
no hay zafra Para esto planteamos en este trabajo la hibridacioacuten con un campo termo
solar que permita el ahorro de combustible y su posterior uso en los meses en que
no hay zafra
En nuestro paiacutes se sigue una poliacutetica de desarrollo sostenible y se ha comenzado
una serie de proyectos en la industria azucarera buscando modificaciones que
permitan un aumento en la energiacutea generada por toneladas de cantildea molida Para
23
esto se valoran aspectos como la variacioacuten de los paraacutemetros de explotacioacuten (presioacuten
y temperatura) de las plantas generadoras y las que consumen vapor mejorar el
secado del bagazo que se quema en las calderas hibridar los generadores de vapor
con energiacutea solar y aumentar la entrega al SEN haciendo un uso eficiente de la
electricidad que se consume asiacute como evitar las paradas imprevistas
Las Bioeleacutectricas suscitan hoy creciente intereacutes en el mundo y en Cuba ante la
necesidad de produccioacuten de energiacutea compatible con el medio ambiente Actualmente
una decena de naciones son paradigmas en el uso de esas instalaciones Isla
Reunioacuten India Isla Mauricio Australia Isla Guadalupe Belice Guatemala Estados
Unidos Costa Rica China y particularmente Brasil que posee 160 de 188 existentes
en el orbe Globalmente estas unidades tienen un potencia instalada de maacutes 2800
megavatios y de esa cifra al menos dos mil corresponden a Brasil secundado en
cuanto a cantidad de Bioeleacutectricas por India (14) Isla Mauricio (3) Isla Reunioacuten (2)
mientras que los restantes paiacuteses mencionados poseen una individualmente
(Salomoacuten 2016)
111 Propuesta para la hibridacioacuten de la bioeleacutectrica con energiacutea renovable
En el paiacutes se lucha hoy por un acercamiento hacia las tecnologiacuteas de energiacutea
renovables Con el propoacutesito de convertir todos los sistemas de generacioacuten de
energiacutea eleacutectrica en sistemas maacutes compatibles con el medio ambiente La hibridacioacuten
de la caldera del central George Washington consiste en disentildear un campo de
Colectores Ciliacutendricos Paraboacutelicos prototipo (EUROTrough-150) Con el fin de elevar
la temperatura del agua proveniente del proceso hasta los 260 oC e inyectarla al
economizador de la caldera para ahorrar bagazo que pudiera ser utilizado en los
restantes meses del antildeo cuando no hay zafra para la produccioacuten de energiacutea eleacutectrica
y su entrega al sistema energeacutetico nacional En el siguiente esquema se muestra la
propuesta planteada para la hibridacioacuten
24
Figura 10 Esquema de la hibridacion con colectores solares
25
Seguacuten un documento sobre eficiencia energeacutetica emitido por el Instituto Cubano de
Investigaciones Azucareras (ICINAZ) a todos los centrales del paiacutes se hace relacioacuten
en cuanto a la temperatura del agua de alimentacioacuten de la caldera y cuanto incide
esto en la eficiencia de dicha caldera Quedando que por cada 5 ordmC que se
incrementa la temperatura del agua de alimentacioacuten se incrementa 1 la eficiencia
de la caldera Siendo esto una justificacioacuten razonable para la propuesta planteada
que eleva la temperatura del agua de alimentacioacuten de 166 ordmC a 260 ordmC Alterando
la temperatura unos 94 ordmC influyendo esto en el aumento de la eficiencia en 18
puntos porcentuales
Conclusiones parciales
En este capiacutetulo se realizoacute una amplia revisioacuten bibliograacutefica que abordoacute el estado
del arte y avances tecnoloacutegicos maacutes importantes para los temas relacionados con
esta investigacioacuten que fueron el de energiacutea solar teacutermica y todo lo relacionado con
las bioeleacutectricas a nivel mundial y en nuestro paiacutes Tambieacuten se realizoacute un anaacutelisis
exhaustivo para la determinacioacuten de la tecnologiacutea de sistemas de concentracioacuten
solar lo que resulto que el sistema de Colectores Ciliacutendricos Paraboacutelicos prototipo
EUROTrough-150 es el maacutes factible para su instalacioacuten en Cuba y posteriormente
pudiera ser fabricado por industrias nacionales El disentildeo de incorporacioacuten del
campo al esquema termodinaacutemico de la bioeleacutectrica resulto ser maacutes factible y de
menores transformaciones tecnoloacutegicas en la estructura del central el de
incorporarlo antes de la caldera y que este inyecte el agua calentada directamente
al economizador realizando el salto teacutermico del agua en un intercambiador de calor
existente en la interseccioacuten del campo con la tuberiacutea del agua proveniente de las
bombas
26
Capiacutetulo 2 Materiales y Meacutetodos En este capiacutetulo se describen los programas y foacutermulas utilizadas para el caacutelculo de los objetivos planteados
La presente investigacioacuten se realizoacute desde enero hasta mayo del 2018 Para la realizacioacuten de los caacutelculos se utilizaron los softwares Engineering Equation Solver (EES) (2004) Matlab (2010) y Excel (2016)
Tabla 3 Condiciones de frontera para la bioeleacutectrica
21 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB uml George Washington uml
En este apartado se realizaraacute la evaluacioacuten del recurso solar disponible en el emplazamiento analizado El estudio del potencial solar en el emplazamiento consiste en el anaacutelisis de los datos de radiacioacuten disponibles el tratamiento de los mismos la estimacioacuten de las variabilidades asociadas y el caacutelculo de la produccioacuten una vez consideradas todas las peacuterdidas A la hora de evaluar el recurso solar y a falta de una medida precisa y especiacutefica en el propio emplazamiento se ha recurrido a diversas fuentes para la obtencioacuten de datos de radiacioacuten con el fin de realizar un ajuste estadiacutestico de los mismos y minimizar los errores asociados a ellos
Para el caacutelculo del potencial solar en la zona del central umlGeorge Washingtonuml fue necesario calcular la radiacioacuten solar directa (DNI) que incide en ese lugar y la duracioacuten diurna del diacutea
211 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa
Para el caacutelculo de la radiacioacuten solar directa en la zona de la UEB uml George Washington uml se tomaron como coordenadas de referencia la latitud y la longitud Lat 22587 Long -80244
Para ello se utilizaron modelos estadiacutesticos que permitieron obtener varios valores de radiacioacuten solar directa (DNI) teniendo en cuenta la posicioacuten geograacutefica del lugar y el diacutea del antildeo que se analiza dicha radiacioacuten En este caso se usoacute la foacutermula para condiciones normales
DNI = 1230 ∙ e^ (minus1
38∙cos∙(120579120579120579minus16)) (1)
27
Doacutende
Aacutengulo de incidencia solar θs El valor del aacutengulo de incidencia (θs) sobre la normal a una superficie plana estaacute dado por la siguiente foacutermulaθs
120579119904 = cosminus1(sin 119889 ∙ sin 119871 ∙ cos 119904 minus sin 119889 ∙ cos 119871 ∙ sin 119904 ∙ cos 119892 + cos 119889 cos 119871 ∙ cos 119904 ∙ cos 119908 +cos 119889 ∙ sin 119871 ∙ sin 119904 ∙ cos 119908 ∙ cos 119892 + cos 119892 ∙ sin 119904 ∙ sin 119892 ∙ sin 119908) (2)
Doacutende
d- Aacutengulo de declinacioacuten L- Latitud geograacutefica s- Inclinacioacuten del colector g- Orientacioacuten del colector w- Aacutengulo horario
212 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea (nuacutemero de horas en que el sol estaacute
sobre el horizonte)
119915 = 120784 ∙119934119930
120783120787 (3)
Doacutende
119830119826 = 119836119848119852minus120783(minus 119853119834119847 119923 ∙ 119853119834119847 119941) (4)
L-Latitud geograacutefica
d-Declinacioacuten
Se compararon los resultados de DNI por la metodologiacutea utilizada en este trabajo con la base de datos de la NASA (httpeosweblarcnasagovsse 2017)
Aun asiacute los lugares para desarrollar aplicaciones de energiacutea solar teacutermica por concentracioacuten deben cumplir con unos estaacutendares de acuerdo a la radiacioacuten solar perpendicular a la superficie incidente sobre un metro cuadrado para que sea eficiente dicha instalacioacuten lo cual se valora de la siguiente manera
Se tuvieron en cuenta los valores de radiacioacuten solar directa (kWm2diacutea) (GESIME 2014)
No idoacuteneos Hasta 1700 kWhmsup2antildeo (47 kWhmsup2diacutea)
Idoacuteneos Entre 1700 y 2700 kWhmsup2antildeo (47 y 74 kWhmsup2diacutea)
Oacuteptimos Maacutes de 2700 kWhmsup2antildeo (74 kWhmsup2diacutea)
28
213 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
El colector ciliacutendrico paraboacutelico que se propuso fue el (Eurotrough-150) cuyas caracteriacutesticas se observaran en la tabla4 y figura 11
Tabla 4 Caracteriacutesticas del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico Eurotrough-150 (ET-150)
Figura 11 Prototipo EUROTrough en la Plataforma Solar de Almeriacutea Espantildea
Para el caacutelculo del rendimiento global de un Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico hay que realizar un balance energeacutetico teniendo en cuenta las peacuterdidas que suceden en el mismo
Caracteriacutesticas um
Ancho de apertura 577 m
Longitud total de cada colector 150 m
Aacuterea de apertura del colector 8175 m2
Longitud focal 171 m
Longitud del absorbedor 41 m
Radio exterior del absorbedor 0035 m
Radio interior del absorbedor 00325 m
Distancia entre filas de colectores 17 m
Rendimiento Oacuteptico pico 78
Factor de ensuciamiento 95
Disponibilidad 97
29
214 Peacuterdidas geomeacutetricas
La geometriacutea del canal paraboacutelico lleva asociada una disminucioacuten del aacuterea efectiva de captacioacuten Estas peacuterdidas se dividen en dos grupos Peacuterdidas debidas a la posicioacuten relativa de los colectores los cuales se pueden dar sombra unos a otros Peacuterdidas inherentes a cada colector son las debidas al aacutengulo de incidencia de
la radiacioacuten solar (g) respecto a la normal del plano de apertura del colector (figura
12)
Figura 12 Aacutengulo de incidencia en un Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
Como consecuencia de este aacutengulo existe una peacuterdida de superficie reflexiva uacutetil en los extremos del colector Por tanto el aacutengulo de incidencia tiene gran importancia sobre el comportamiento teacutermico del colector puesto que limita la cantidad de radiacioacuten solar que se puede aprovechar Se hizo una comparacioacuten del aacutengulo de incidencia en cuanto a la orientacioacuten y el seguimiento solar del colector ciliacutendrico paraboacutelico
Si la orientacioacuten (g) es de Norte-Sur con seguimiento solar Este-Oeste g = 0ordm
Si la orientacioacuten (g) es de Este-Oeste con seguimiento solar Norte-Sur g = 90ordm
Declinacioacuten seguacuten foacutermula de Cooper (Ribot J 2001)
119889 = 2345 ∙ 119904119890119899 [360 ∙(284+119899)
365] (5)
Siendo ldquonrdquo el nuacutemero de diacutea natural para el 1 de enero n=1 y para el 31 de diciembre
n=365
El aacutengulo horario se calcula seguacuten la foacutermula
30
120591 = 15deg ∙ (ℎ119904 minus 12) (6)
Siendo ldquohsrdquo las horas de reloj El valor es negativo por la mantildeana y positivo tras el mediodiacutea y cero al mediodiacutea solar
Se consideroacute el aacutengulo horario 0ordm por ser el mediodiacutea solar donde maacutes radiacioacuten incide sobre la tierra con el objetivo de simplificar los caacutelculos
Se consideroacute el aacutengulo de inclinacioacuten igual a 0ordm (disposicioacuten horizontal) por ser maacutes eficiente
La latitud del lugar en estudio (UEB uml George Washington uml) Santo Domingo es de 22587ordm
Las peacuterdidas asociadas al aacutengulo de incidencia son miacutenimas cuando el aacutengulo es
0ordm cos 120579119904 = 1 y maacuteximas cuando es 90ordm Por tanto cuanto menor sea el aacutengulo de incidencia mayor es la energiacutea solar incidente sobre el colector y mayor es el rendimiento del mismo
215 Peacuterdidas oacutepticas
Caacutelculo del rendimiento oacuteptico pico del colector 120578119900119901119905119874119900 que es aquel que tiene en
cuenta todas las peacuterdidas oacutepticas que tienen lugar en el captador con un aacutengulo de incidencia de 0ordm 120578119900119901119905119874119900 = 120588 ∙ 120574 ∙ 120591 ∙ 120572 (7)
Donde
120588 Reflectancia no toda la energiacutea incidente es reflejada hacia el tubo absorbedor
120574 Factor de interceptacioacuten no toda la radiacioacuten reflejada por los espejos acaba incidiendo sobre el tubo absorbedor Las causas son diversas imperfecciones en los espejos un mal posicionamiento de los colectores etc
120591 Transmitancia de aquella radiacioacuten que intercepta el tubo de vidrio solo una parte consigue atravesarlo
α Absortancia cantidad de radiacioacuten que absorbe la superficie selectiva del tubo metaacutelico
Ademaacutes de las peacuterdidas debidas al aacutengulo de incidencia existen otras peacuterdidas que se asocian a dicho aacutengulo El efecto del aacutengulo de incidencia en el rendimiento del CCP se cuantifica mediante el modificador por aacutengulo de incidencia 119870(120579119904) Eacuteste considera todas las peacuterdidas oacutepticas y geomeacutetricas que tienen lugar en el captador
para un aacutengulo de incidencia 120579119904 ne 0ordm y que no se tienen en cuenta en el rendimiento oacuteptico pico
31
El modificador por el aacutengulo de incidencia depende directamente del aacutengulo de
incidencia siendo 119870(120579119904) = 1 para 120579119904 = 0deg y siendo 119870(120579119904) =0 para 120579119904 = 90deg y se
obtiene como funcioacuten de eacuteste seguacuten la expresioacuten
119870(120579119904) = 1 minus 223073 ∙ 10minus4 ∙ (120579119904) minus 11 ∙ 10minus4 ∙ (1205791199042) + 318596 ∙ 10minus6 ∙ (120579119904
3) minus 485509 ∙
10minus9 ∙ (1205791199044) (8)
216 Peacuterdidas teacutermicas
Las peacuterdidas teacutermicas que tiene lugar en un CCP dan como consecuencia que la energiacutea teacutermica uacutetil sea menor que la energiacutea solar absorbida por el colector Teniendo en cuenta esto la potencia teacutermica uacutetil por colector seraacute igual la diferencia entre los calores absorbido y perdido
119906119905119894119897 = 119886119887119904 minus 119901119890119903119889 (9)
Doacutende
119906119905119894119897 ∶ 119875119900119905119890119899119888119894119886 119905eacute119903119898119894119888119886 uacute119905119894119897 119901119900119903 119888119900119897119890119888119905119900119903 (119882)
119886119887119904 119862119886119897119900119903 119886119887119904119900119903119887119894119889119900 119901119900119903 119890119897 119891119897119906119894119889119900 119889119890 119905119903119886119899119904119891119890119903119890119899119888119894119886 119889119890 119888119886119897119900119903 (119867119879119865) (119882)
119901119890119903119889 119875eacute119903119889119894119889119886119904 119905eacute119903119898119894119888119886119904 119889119890119897 119867119879119865 119886119897 119886119898119887119894119890119899119905119890 (119882)
Peacuterdidas teacutermicas en el aceite teacutermico (HTF) Las peacuterdidas teacutermicas se producen a lo largo del circuito por donde se mueve el fluido teacutermico principalmente en dos lugares en el tubo absorbedor y en las tuberiacuteas del campo de colectores De manera que la potencia teacutermica disipada en el colector equivale a la suma de las peacuterdidas teacutermicas en el receptor y las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas por donde circula el fluido teacutermico (HTF)
119876119901119890119903119889 = 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 + 119875119890119903119889119905119906119887119890119903 (10)
Las peacuterdidas teacutermicas asociadas al tubo absorbedor 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 se deben a la diferencia de temperaturas entre eacuteste y el ambiente pudiendo ser por conduccioacuten por radiacioacuten y por conveccioacuten desde el tubo absobedor al ambiente Aunque cada una de estas peacuterdidas podriacutea calcularse aplicando las ecuaciones que rigen los mecanismos de transferencia de calor antes mencionados en la praacutectica las peacuterdidas teacutermicas globales en un colector se cuantifican mediante ecuaciones experimentales Asiacute las peacuterdidas teacutermicas en el tubo absorbedor por metro longitudinal de colector vienen dadas por la ecuacioacuten
119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 =1198751198901199031198891+1198751198901199031198892+1198751198901199031198893+1198751198901199031198894
119879119904minus119879119890 (11)
32
Doacutende
1198751198901199031198891 = (1198600 + 1198605 ∙ radic119907) ∙ (119879119904 minus 119879119890) (12)
1198751198901199031198892 = (1198601 + 1198606 ∙ radic119907) ∙ (119879119904
2minus1198791198902
2minus 119879119886119898119887 ∙ (119879119904 minus 119879119890)) (13)
1198751198901199031198893 = (1198602+1198604∙119863119873119868∙119870(120579119904)∙cos(120579119904)
3∙ (119879119904
3 minus 1198791198903)) (14)
1198751198901199031198894 =1198603
4∙ (119879119904
4 minus 1198791198904) (15)
Siendo
119879119904 Temperatura del HTF a la salida del campo solar
119879119890 Temperaturas del HTF a la entrada del campo solar
119879119886119898119887 Temperatura ambiente
119907 Velocidad del viento (ms)
Los coeficientes empleados en las foacutermulas se recogen en la tabla 5
Tabla 5 Coeficientes de peacuterdidas teacutermicas
A0 405
A1 0247
A2 -000146
A3 565E-06
A4 762E-08
A5 -17
A6 00125
En general las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas (119875119890119903119889119905119906119887119890119903 ) del campo de colectores son pequentildeas del orden de 8 Wm2 Finalmente la potencia teacutermica disipada por el aceite teacutermico a su paso por un colector es
33
119901119890119903119889 = 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 ∙ 119871119888119900119897119890119888119905119900119903 + 119875119890119903119889119905119906119887119890119903 ∙ 119878119888 (16)
Doacutende
119878119888 Aacuterea de apertura del colector (Ver tabla 1)
Un colector como todos los sistemas de concentracioacuten de la energiacutea solar solo puede aprovechar la radiacioacuten solar que incide normal a su plano de apertura De esta forma la energiacutea solar por unidad de tiempo y en el punto de disentildeo que incide sobre la superficie de apertura de un CCP viene dada por la ecuacioacuten
119904119900119897 = 119863119873119868 ∙ cos(120579119904) ∙ 119878119888 (17)
La potencia absorbida por el colector 119886119887119904 va a ser menor que la 119904119900119897 ya que eacutesta uacuteltima no tiene en cuenta las peacuterdidas oacutepticas y geomeacutetricas en el colector ni la limpieza de los espejos ni la disponibilidad del campo solar La radiacioacuten solar absorbida en un colector CCP viene dada por la ecuacioacuten
119886119887119904 = 119863119873119868 ∙ cos(120579119904) ∙ 119878119888 ∙ 119870 ∙ (120579119904) ∙ Ƞ1199001199011199050ordm ∙ 119865119888 ∙ 119865119889119894119904119901 (18)
Siendo
119865119888 Factor de ensuciamiento de los espejos (95 )Tiene en cuenta que aunque los espejos se limpien no recuperan su estado inicial 119865119889119894119904119901 Factor de disponibilidad (97 ) Fraccioacuten del campo solar que estaacute en
operacioacuten y captando la energiacutea solar El rendimiento global de un CCP viene dado por el cociente entre el aumento de entalpia en el HTF a su paso por el colector y la energiacutea solar incidente sobre el captador
Ƞ119888119900119897119890119888 =119876119906119905119894119897
119876119904119900119897 (19)
22 Dimensionamiento del campo solar de la zona de la UEB uml George
Washington uml
El dimensionamiento del campo solar consiste en determinar el nuacutemero de CCPs (o nuacutemero de lazos) necesarios para aportar la energiacutea que demanda este en el punto de disentildeo (Hidalgo 2012)
Para dimensionar el campo solar es necesario evaluar las condiciones del terreno
donde se va a realizar el montaje de los colectores y hacer un balance energeacutetico
del generador de vapor solar
34
221 Caracterizacioacuten del terrero
Se tuvo en cuenta el relieve y el tamantildeo del terreno cercano al central lo que resulto favorable para abaratar la inversioacuten en cuanto a movimientos de tierra y compra de terrenos Los recursos hiacutedricos ya tienen una infraestructura creada puesto que son necesarios para el proceso que realiza la faacutebrica actualmente Esto se basa en posos que bombean el agua hasta los filtros donde se realiza el tratamiento externo al agua y van luego al proceso todo este sistema ya se encuentra instalado y en buenas condiciones lo que resulta de gran ayuda para el proyecto futuro de Bioeleacutectrica
222 Balance energeacutetico en el generador de vapor solar (GVS)
Para calcular el nuacutemero de lazos necesarios en el campo solar es preciso conocer primero la potencia teacutermica que puede aportar el campo solar en el punto de disentildeo esto se determina mediante la foacutermula
119888119886119898119901119900 =119882119890119897119890119888119905
120578119905119906119903119887 (20)
Doacutende
119888119886119898119901119900 Potencia teacutermica del campo solar
119882119890119897119890119888119905 Potencia eleacutectrica de la turbina
120578119905119906119903119887 Eficiencia termo-mecaacutenica de la turbina (Se asumioacute de 68)
Seguidamente hay que establecer el balance de masas y energiacutea en el Generador de vapor solar (GVS) El GVS se disentildea para recuperar la energiacutea del fluido teacutermico procedente del campo solar Para el intercambiador de calor (GVS) se cumple que la cantidad de calor transferido por unidad de tiempo permanece constante o lo que es lo mismo la energiacutea total es la misma antes y despueacutes de cada transformacioacuten El balance energeacutetico en un intercambiador de calor se resuelve mediante la ecuacioacuten
119886119892119906119886 ∙ ∆119867119886119892119906119886 = 119886119888119890119894119905119890 ∙ ∆119867119886119888119890119894119905119890 (21)
Ademaacutes para cada fluido de forma individual se cumple que
= 119886119888119890119894119905119890 ∙ 119862119901119886119888119890119894119905119890∙ ∆119879 = 119898119886119888119890119894119905119890 ∙ (ℎ119904 minus ℎ119890) (22)
Doacutende
∆H Diferencia de entalpiacuteas a la entrada y a la salida del intercambiador (kJkg)
Q Potencia teacutermica intercambiada (kW)
35
m Caudal maacutesico (kgs) Cp Calor especiacutefico (kJkg ordmC)
∆T Diferencia de temperaturas a la entrada y la salida del intercambiador (ordmC) hs he Entalpiacuteas a la entrada y a la salida respectivamente (kJKg) Y seguacuten el teorema de conservacioacuten de la masa se tiene que
119890119899119905119903119886 = 119904119886119897119890
223 Caacutelculo del nuacutemero de lazos
Los caacutelculos que se han desarrollado en los acaacutepites anteriores constituyen los datos de partida para el caacutelculo del nuacutemero de colectores requeridos en el campo solar para poder alcanzar la potencia teacutermica demandada al campo solar
Caracteriacutesticas del aceite teacutermico (HTF)
El aceite teacutermico que se ha empleado como fluido calo-portador es Therminol VP-1 cuyo rango de temperatura de trabajo se encuentra entre 12-400ordmC La temperatura a la salida del campo solar no debe excederse de los 400ordmC ya que para temperaturas superiores el aceite se degrada y pierde sus propiedades teacutermicas A continuacioacuten se presentan las graacuteficas correspondientes a variacioacuten de densidad y entalpiacutea del aceite teacutermico Therminol VP-1 con la temperatura figuras 13 y 14 respectivamente y que han sido elaboradas a partir de datos del fabricante
Figura 13 Therminol VP-1 Entalpiacutea vs Temperatura
36
Figura 14 Therminol VP-1 Densidad vs Temperatura(Hidalgo 2012)
Para determinar el nuacutemero de lazos necesarios en el campo solar se ha seguido la siguiente metodologiacutea de caacutelculo
Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF
Incremento de temperatura del HTF en un colector
Nuacutemero de colectores necesarios por lazo Nuacutemero de lazos en el campo solar
224 Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF por cada lazo
El caudal de aceite estaacute controlado por la temperatura de salida del campo Cuando la radiacioacuten solar es baja el flujo se reduce con el objetivo de mantener la temperatura de salida del campo y por el contrario cuando la radiacioacuten solar es superior a la del punto de disentildeo los colectores se desenfocan para evitar que el aceite exceda los 393ordmC La velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor se calcula a partir de la expresioacuten del nuacutemero de Reynolds
119877119890 =119907∙119863∙120588
120583 (23)
Doacutende
119907 Velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor (ms) (Se asumioacute una
velocidad de 3 ms la cual es una velocidad econoacutemica)
119877119890 Nuacutemero de Reynolds (-)
120583 Viscosidad dinaacutemica del HTF a la temperatura media de trabajo (Pas)
119863 Diaacutemetro interior del tubo absorbedor (m)
120588 Densidad del HTF a la temperatura media de trabajo (kgm3)
37
Para cumplir con los requisitos de flujo turbulento el caudal miacutenimo de aceite que circula por un lazo en el punto de disentildeo es
= 119907 ∙ 119878 ∙ 120588 (24)
Siendo S en m2 la seccioacuten transversal interior del tubo absorbedor
225 Incremento de temperatura del HTF en un colector
La potencia teacutermica uacutetil del colector se invierte en aumentar la temperatura del aceite De esta forma el incremento de temperatura que sufre el aceite teacutermico a su paso por un colector es decir desde que entra en el colector y hasta que sale del mismo es
∆119879119888119900119897119890119888 = 119879119904 minus 119879119888 =uacute119905119894119897
∙119862119901 (25)
∆119879119888119900119897119890119888 Incremento de temperatura del aceite teacutermico en el colector (ordmC)
119879119888 119879119904 Temperatura del HTF a la entrada y a la salida del colector respectivamente
(ordmC)
119906119905119894119897 Potencia teacutermica uacutetil por colector (W)
Caudal maacutesico de aceite teacutermico por colector (kgs)
119862119901 Calor especiacutefico del aceite teacutermico a la temperatura media de trabajo (kJkg ordmC)
226 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
El incremento total de temperatura del HTF por lazo ΔT lazo es igual a la diferencia entre las temperaturas a la salida y a la entrada del campo solar Por tanto el nuacutemero teoacuterico de colectores en serie por lazo seraacute igual a
119873119888119900119897119890119888 =∆119879119897119886119911119900
∆119879119888119900119897119890119888 (26)
119873119888119900119897119890119888 Nuacutemero teoacuterico de colectores por lazo
∆119879119897119886119911119900 Incremento de temperatura por lazo (ordmC)
Esto implica el salto teacutermico y caudal maacutesico por lazo que es necesario tener el aceite para asiacute poder alcanzar la temperatura de entrada del agua en el economizador
227 Nuacutemero de lazos en el campo solar
A diferencia del nuacutemero de colectores que viene fijado por el salto de temperatura del aceite teacutermico en el campo el nuacutemero de lazos paralelos que conforman el campo solar depende de la potencia teacutermica demanda por el campo El nuacutemero de lazos es igual al cociente entre la potencia teacutermica del campo solar y la potencia teacutermica uacutetil por colector
38
119925119949119938119963119952 =119940119938119950119953119952
uacute119957119946119949 119935119949119938119963119952 (27)
Doacutende
119925119949119938119963119952 Nuacutemero de lazos
119940119938119950119953119952 Potencia teacutermica del campo solar (kW)
uacute119957119946119949 Potencia teacutermica uacutetil por lazo (kW)
23 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un
antildeo)
Para el caacutelculo de las toneladas de CO2 dejadas de emitir se utilizaraacute el iacutendice de
generacioacuten de una planta convencional de combustible foacutesil que para Cuba es de
270 gkWh Con este iacutendice y el aumento de la produccioacuten de energiacutea eleacutectrica con
la incorporacioacuten del campo solar se calcularaacute el ahorro de combustible foacutesil y a este
valor de combustible sustituido y el uso de los factores de emisioacuten de CO2 mostrados
en la siguiente (tabla 6) se podraacute determinar cuaacutentas toneladas de CO2 es capaz de
evitar la instalacioacuten del campo solar
Tabla 6 Factores de emisioacuten de especies especificadas
Tecnologiacutea CO (gkgf) SO2 (gkgf) NO2eq (gkgf) PM10
(gkgf)
CO2
(kgkgf)
CIE-HFO 24 27 128 528 306
CIE-DO 12 4 84 195 313
Fuente (EPA 2004)
24 Factibilidad econoacutemica del proyecto
Para el caacutelculo de la rentabilidad econoacutemica se optimizoacute la dimensioacuten del campo solar que fuera maacutes rentable para este trabajo donde se tuvo en cuenta el nuacutemero de lazos necesarios del campo y la tasa interna de retorno
241 Valor actual neto (VAN)
El VAN permite calcular el valor presente de un determinado nuacutemero de flujos de caja futuros originados por una inversioacuten teniendo en cuenta la peacuterdida de valor del dinero en el tiempo a traveacutes de una tasa de descuento (Martiacutenez 2017) y se calcula mediante la siguiente ecuacioacuten
39
(28)
Donde
119868119900 Costo inicial de la inversioacuten FC Flujo de caja n El tiempo para el cual se requiere calcular el VAN i La tasa de descuento Meacutetodo de caacutelculo mediante el Excel Para calcular el VAN es necesario conocer el flujo de caja teniendo en cuenta los ingresos y los gastos Ingresos El ingreso es debido a la venta de energiacutea eleacutectrica a la red para ello se utilizoacute un precio de 021 (USDkWh) Ingresos por ventas
119868119899119892119903119890119904119900=119875119903119890119888119894119900 (119880119878119863119896119882ℎ)lowast119864119899119890119903119892iacute119886 (29) Gastos Costo fijo de operacioacuten y mantenimiento Se calcula primero la inversioacuten total mediante la ecuacioacuten siguiente
119894119899119907119890119903119904119894oacute119899 119905119900119905119886119897=119862119900119904119905119900 119906119899119894119905119886119903119894119900 119889119890 119894119899119907119890119903119904119894oacuten (119880119878119863119896119882119890)lowast119875119900119905119890119899119888119894119886 (kWe) (30) Entonces se calcula el costo fijo de operacioacuten y mantenimiento
119862119891=119894119899119907119890119903119904119894oacute119899 119905119900119905119886119897lowast02 (31) Donde
119862119891 Costo fijo de operacioacuten y mantenimiento
Costo variable de operacioacuten y mantenimiento
119862119907=119864119899119903119892iacute119886 (119896119882ℎ)lowast002(119880119878119863119896119882ℎ) (32)
Donde
119862119907 Es el costo variable de operacioacuten y mantenimiento A continuacioacuten se calcula la utilidad antes de impuesto que es la diferencia entre los ingresos y los costos de operacioacuten fijo y variable 119880119879119860=119894119899119892119903119890119904119900minus(119862119891+119862119907) (33)
Donde
119880119879119860 Es la utilidad antes de impuesto o neta Entonces el impuesto en Cuba es del 35 de la utilidad neta
40
119868119898119901119906119890119904119905119900=035lowast(119880119878119863) (34)
El flujo de caja quedariacutea como
119865119888=119880119879119860 (119880119878119863)minus119868119898119901119906119890119904119905119900 (119880119878119863) (35)
Teniendo el flujo de caja se puede calcular el VAN aplicando la tasa de descuento
del 10
Si VAN gt 0 El proyecto es rentable
Si VAN = 0 El proyecto es postergado
Si VAN lt 0 El proyecto no es rentable
242 Tasa interna de retorno (TIR)
Se define como la tasa de descuento que iguala el VAN a cero
Si TIR gt tasa de descuento (r) El proyecto es aceptable
Si TIR = tasa de descuento (r) El proyecto es postergado
Si TIR lt tasa de descuento (r) El proyecto no es aceptable La TIR es aquella tasa de descuento que iguala el valor actual de la corriente de cobros con el valor actual de la corriente de pagos por lo que es la tasa de descuento que hace al VAN igual a cero y puede utilizarse como indicador de la rentabilidad de un proyecto se utiliza como uno de los criterios para decidir sobre la aceptacioacuten o rechazo de un proyecto de inversioacuten (Martiacutenez 2017) y se puede expresar de la siguiente forma
(36) Para simplificacioacuten de los caacutelculos se utilizoacute el software Microsoft Excel que de forma iterativa busca este valor se utilizoacute la estimacioacuten de los flujos de caja para 25 antildeos al igual que para el caacutelculo del VAN
243 Periacuteodo de recuperacioacuten de la inversioacuten
El periacuteodo de recuperacioacuten se cumple cuando la suma de los flujos de caja consecutivos desde el primer antildeo da como resultado el valor de la inversioacuten pero teniendo en cuenta el efecto del tiempo sobre el dinero Calculado de esta manera se conoce como periacuteodo de recuperacioacuten de la inversioacuten descontado Para obtenerlo se hallaron todos los flujos de caja para 25 antildeos consecutivos que es el tiempo de estudio del proyecto entonces se le restoacute el descuento correspondiente a cada antildeo y se graficoacute el resultado quedando como una curva
41
Conclusiones parciales
En este capiacutetulo se realizoacute un estudio de la metodologiacutea de caacutelculo para la
realizacioacuten del dimensionamiento del campo solar para la tecnologiacutea de colectores
cilindro paraboacutelico para esto se escogioacute la metodologiacutea planteada por (Hidalgo
2012) Siendo fundamental el estudio de la radiacioacuten solar de la zona en que estaacute
situada la instalacioacuten Tambieacuten se tuvo en cuenta el acceso a los recursos hiacutedricos
y la cercaniacutea a la red eleacutectrica nacional lo cual no tuvo ninguna dificultad puesto
que donde se pretende ubicar el campo ya existe una instalacioacuten con todas estas
necesidades cubiertas que es el central al cual se pretende convertir en
bioeleacutectrica Luego de estos anaacutelisis y una vez dimensionado el campo solar se
realizoacute el caacutelculo de la rentabilidad econoacutemica seguacuten lo planteado por (Martiacutenez
2017) planteaacutendose como principales indicadores econoacutemicos el costo nivelado de
la energiacutea generada costo de inversioacuten VAN y TIR El impacto ambiental se tuvo
en cuenta mediante el caacutelculo de las emisiones de CO2 dejadas de emitir si la
energiacutea generada con el excedente de bagazo ahorrado por la insercioacuten del campo
hubiera sido generada por una planta teacutermica convencional
42
Capiacutetulo 3 Resultados y Discusioacuten
En este capiacutetulo se exponen los resultados de los caacutelculos efectuados y a la vez se
interpreta el porqueacute de estos asiacute como la discusioacuten de las bibliografiacuteas consultadas
31 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB umlGeorge Washington uml
311 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa
Para el caacutelculo de la radiacioacuten solar directa (DNI) primeramente se halloacute el aacutengulo
de declinacioacuten de cada mes Dicho aacutengulo se anuloacute para el 22 de Marzo y el 23 de
Septiembre puesto que ocurren los equinoccios momento del antildeo en que el sol estaacute
situado en el plano del ecuador terrestre y alcanzoacute el valor maacuteximo positivo el 22 de
Junio y el valor maacuteximo negativo el 22 de diciembre diacuteas en que ocurren los
solsticios que son los momentos del antildeo en los que el sol alcanza su mayor o menor
altura aparente en el cielo y la duracioacuten del diacutea o de la noche son las maacuteximas del
antildeo respectivamente (figura 15)
Figura 15 Aacutengulo de declinacioacuten para los diferentes meses del antildeo
Los valores de DNI que inciden en la zona de la UEB umlGeorge Washingtonuml se
mantuvieron como promedio por encima de 10 kWhm2diacutea seguacuten la metodologiacutea
de caacutelculo empleada siendo oacuteptimos para la instalacioacuten de este tipo de tecnologiacutea
Esto pudiera ser debido a que por la metodologiacutea de caacutelculo solo se tuvo en cuenta
la latitud geograacutefica y el diacutea del antildeo en que se analizoacute dicha radiacioacuten por esta
razoacuten se observoacute que sus valores fueron mayores que los valores de radiacioacuten solar
-30
-20
-10
0
10
20
30
Gra
dos s
exagesim
ale
s
Aacutengulo de declinacioacuten
43
directa que aporta la base de datos de la NASA (httpeosweblarcnasagovsse
2017) como promedio 506 kWhm2diacutea y los aportados por el Instituto de
Meteorologiacutea cubano para esta zona (como promedio 582 kWhm2diacutea) idoacuteneo para
este tipo de tecnologiacutea de los datos de radiacioacuten analizados se utilizoacute para los
caacutelculos siguientes de dimensionamiento del campo los aportados por el instituto de
meteorologiacutea cubano por ser los maacutes especiacuteficos y detallados de todas las fuentes
consultadas Algunos meses como noviembre y diciembre no alcanzan el valor
idoacuteneo de 47 kWhm2-diacutea sin embargo (La Rosa 2014) planteoacute que Cuba se
localiza en una zona geograacutefica de alta radiacioacuten solar y que se caracteriza por la
gran cantidad de diacuteas soleados en el antildeo
Figura 16 Comparacioacuten entre el DNI calculado por la metodologiacutea el aportado por la NASA
y el obtenido por el Instituto de Meteorologiacutea cubano
En cada metro cuadrado del territorio cubano se recibe diariamente una cantidad de
energiacutea solar equivalente a medio kilogramo de petroacuteleo combustible valor
promedio praacutecticamente invariable durante todo el antildeo Otra de las caracteriacutesticas
de la radiacioacuten solar en Cuba es que su valor es casi igual en todo el paiacutes ya que
la diferencia en latitud desde el lugar maacutes bajo hasta el maacutes alto es de soacutelo 3 grados
Por lo tanto la radiacioacuten solar en Cuba es utilizable en todo el territorio y durante
todo el antildeo con un valor medio de maacutes de 5 kWhm2diacutea tanto en su forma de
bioenergiacutea o biomasa energiacutea hidraacuteulica energiacutea eoacutelica o directamente convertida
en calor o electricidad (Beacuterriz 2000)
0
2
4
6
8
10
12
14
DN
I (k
Whm
2-d
iacutea)
meses
Radiacioacuten solar
Calculado NASA Meteorologiacutea cubana
44
312 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea
Luego de haber calculado la semiduracioacuten diurna en grados sexagesimales (WS)
para cada diacutea del antildeo en la zona de la UEB umlGeorge Washingtonuml se calcularon las
horas de luz solar durante el diacutea lo cual se muestra promediado en la tabla 7 donde
se ve que esta es mayor que 10 horas asiacute como tambieacuten se observa que son maacutes
largos los diacuteas en los meses de verano (Abril-Agosto)
Tabla 7 promedio de horas de sol al diacutea por meses del antildeo
32 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
Se realizoacute el balance energeacutetico del CCP teniendo en cuenta las peacuterdidas que
sucedieron en el mismo debido a su fabricacioacuten y a su posicioacuten
321 Peacuterdidas geomeacutetricas
Peacuterdidas debidas a la posicioacuten relativa de los colectores
En este trabajo no se tuvo en cuenta las peacuterdidas por sombras ya que se asumioacute
que la construccioacuten de estos colectores iba a estar lo suficientemente separados
para que no se pudieran dar sombra unos a otros
Peacuterdidas inherentes a cada colector
Se comparoacute el aacutengulo de incidencia en cuanto a la orientacioacuten y el seguimiento solar
del colector ciliacutendrico paraboacutelico Se seleccionoacute la orientacioacuten N-S con seguimiento
solar E-O por lo que se seleccionoacute para el caacutelculo del resto de las variables (g = 0)
Para la inclinacioacuten del colector se tomoacute con eje horizontal (s = 0) Se consideroacute el
aacutengulo horario 0ordm por ser el mediodiacutea solar donde maacutes radiacioacuten incide sobre la
tierra con el objetivo de simplificar los caacutelculos
Con los datos calculados anteriormente se halloacute el aacutengulo de incidencia (figura 17)
En este caso se observa que a diferencia de la radiacioacuten solar directa el aacutengulo de
incidencia es menor para los meses de verano reafirmando que a menor aacutengulo de
incidencia mayor la radiacioacuten que va a captar el colector
enero febrero marzo abril mayo junio julio agosto septiembre octubre noviembre diciembre
108 112 119 125 131 134 132 127 121 114 109 106
45
Figura 17 Aacutengulo de incidencia por meses para una orientacioacuten N-S con seguimiento solar
E-O
322 Peacuterdidas oacutepticas
Las caracteriacutesticas oacutepticas del colector ET-150 se reflejaron en la tabla 8 y con estas
se calculoacute el rendimiento oacuteptico
Tabla 8 Caacutelculo del rendimiento oacuteptico
Rendimiento oacuteptico
ntilde Reflectividad superficie reflectora 090
ocirc Transmisividad del cristal absorbedor 095
aacute Absortividad del tubo del absorbedor 096
ɣ Factor de interceptacioacuten 095
Ƞopt0ordm= 078
Cuanto mayor es el valor del rendimiento oacuteptico mayor seraacute el rendimiento del
captador Asiacute cuanto mayor sea el valor de las variables que lo definen mejor seraacute
el rendimiento de los captadores (Rojas 2013)
Ademaacutes de las peacuterdidas debidas al aacutengulo de incidencia existen otras peacuterdidas que
se asocian a dicho aacutengulo El efecto del aacutengulo de incidencia en el rendimiento del
CCP se cuantifica mediante el modificador por aacutengulo de incidencia 119870(120579119904)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Gra
do
s se
xage
sim
ale
s
Aacutengulo de incidencia
46
323 Peacuterdidas teacutermicas
Se calculoacute la potencia teacutermica uacutetil la potencia teacutermica absorbida y la potencia
teacutermica perdida La energiacutea teacutermica uacutetil fue menor que la energiacutea teacutermica absorbida
Esto es debido a las peacuterdidas teacutermicas que se presentan en este tipo de tecnologiacutea
Durante los meses de verano existioacute un descenso de las diferentes potencias
calculadas a causa de las condiciones de nubosidad (lluvia) para esta eacutepoca del
antildeo (figura 18) Para los meses de invierno las potencias decrecieron debido a la
disminucioacuten de la radiacioacuten solar tiacutepico en esta eacutepoca del antildeo
Figura 18 Energiacutea solar por unidad de tiempo radiacioacuten solar absorbida en un colector
peacuterdidas teacutermicas y potencia teacutermica uacutetil para todos los meses del antildeo
Estas peacuterdidas teacutermicas influyeron negativamente en el rendimiento global del
colector CCP ET-150 que tuvo un valor aproximado al 70 Para los meses de
verano hubo un mayor rendimiento aunque este se vio afectado por la nubosidad
El funcionamiento teacutermico de cualquier captador solar estaacute determinado por el
llamado rendimiento global definido como la relacioacuten entre la potencia teacutermica que
es capaz de proporcionar o potencia teacutermica uacutetil y la potencia procedente del Sol
que se tome como referencia No toda la potencia solar puede ser absorbida por el
receptor Existen una serie de peacuterdidas de energiacutea debidas tanto a la geometriacutea y
oacuteptica del captador como a las propiedades de los materiales del propio receptor
que hay que tener en cuenta (Rojas 2013)
16
161
162
163
164
165
166
167
168
169
17
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Qp
er(
kW
h)
Qso
lu
til(
kW
h)
meses
Peacuterdidas teacutermicas
Qsol Qutil Qperd
47
33 Dimensionamiento del campo solar
331 Caracterizacioacuten del terrero
El terreno del central George Washington es llano desprovisto de grandes
obstaacuteculos que puedan crear dificultades en la construccioacuten del campo y crear
sombras que entorpezcan la radiacioacuten del sol en los espejos reflectores Estaacute
cercano a la carretera y consta con posos que facilita el acceso a los recursos
hiacutedricos en el emplazamiento Estaacute solucionado el problema de la conectividad a la
red eleacutectrica nacional puesto que el central ya contaba con esta infraestructura Por
lo tanto posee las condiciones idoacuteneas para la instalacioacuten de un campo solar
332 Balance energeacutetico en el intercambiador de calor
A partir de la temperatura que se quiere elevar el agua de alimentacioacuten de la caldera
(260 oC) y el flujo de esta (255 kgs) se determina una cantidad de energiacutea teacutermica
que debe suministrar el campo para suplir esta demanda Dicha energiacutea teacutermica se
logra a traveacutes de la radiacioacuten solar captada por los colectores la cual es transferida
en forma de calor a un fluido portador en este caso aceite HTF Este necesita un
determinado flujo para absorber toda esa energiacutea y luego transferirla al agua Los
caudales necesarios para la captacioacuten de este calor se encuentran en la (tabla 9)
Tabla 9 Paraacutemetros termodinaacutemicos en el intercambiador de calor
Datos Agua de
alimentacioacuten Aceite teacutermico
Caudal(kgs) 255 462
Temperatura(ordmC) 166 300
Presioacuten (bar) 67 25
Entalpiacutea (kJkg) 6974 490
Con estos datos se concluye que para calentar un flujo de agua de 255 kgs (a
temperatura de 166ordmC y presioacuten de 67 bar) hasta alcanzar una temperatura de
260ordmC se necesita un flujo de energiacutea teacutermica de 106225 kW lo cual es
proporcionada por 462 kgs de aceite teacutermico proveniente del campo solar que estaacute
a una temperatura de 300ordmC y presioacuten de 25 bar
48
333 Caacutelculo del nuacutemero de lazos
3331 Caacutelculo del caudal miacutenimo de circulacioacuten del fluido de transferencia de
calor (HTF) por cada lazo
Para que exista un flujo turbulento por el interior del tubo absorbedor a una velocidad
del fluido econoacutemica de 3 ms el caudal miacutenimo de circulacioacuten debe ser de 86 kgs
(tabla 10)
Tabla 10 Caudal miacutenimo de circulacioacuten del fluido de transferencia de calor (HTF) por
cada lazo
Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF por cada lazo 86 kgs
Nuacutemero de Reynolds 874E+5
Velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor 3 ms
Viscosidad dinaacutemica del HTF a la temperatura media de
trabajo 194E-04 kgmmiddots
Densidad del HTF a la temperatura media de trabajo 870 Kgm3
3332 Incremento de la temperatura del HTF en un colector
Para calentar el flujo de aceite de 200 a 300ordmC lo cual equivale a un salto teacutermico
por lazo de 100ordmC es necesario 4 colectores por lazo Por tanto el salto de
temperatura promedio del HTF a su paso por un colector es aproximadamente de
283ordmC (tabla 11)
Tabla 11 Salto de temperatura promedio del HTF a su paso por un colector
meses ∆119931119949119938119963119952() ∆119827119836119848119845119838119836() 119821119845119834119859119848119852
Enero 100 248 40
Febrero 100 263 38
Marzo 100 301 33
Abril 100 343 29
Mayo 100 333 30
Junio 100 318 31
Julio 100 325 31
Agosto 100 330 30
Septiembre 100 286 35
Octubre 100 262 38
Noviembre 100 202 50
Diciembre 100 186 54
49
3333 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
El nuacutemero de colectores necesarios por lazo para cada mes se refleja en la (tabla
12) Con este resultado se concluye que la cantidad de colectores totales que debe
tener cada lazo del campo solar es aproximadamente de 4
Tabla 12 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo para cada mes del antildeo
Meses Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
Enero 40
Febrero 38
Marzo 33
Abril 29
Mayo 30
Junio 31
Julio 31
Agosto 30
Septiembre 35
Octubre 38
Noviembre 50
Diciembre 54
3334 Nuacutemero de lazos en el campo solar
Al ser la potencia teacutermica del campo solar 106225 kW y ser la potencia teacutermica uacutetil
promedio por lazo aproximadamente de 26556 kW el nuacutemero de lazos necesarios
por campo solar debe ser aproximadamente de 4
Para generar 106 MW teacutermico con una radiacioacuten promedio de 5355 Wm2 para todo
un antildeo la dimensioacuten del campo solar debe ser de 44448 m2 Esto se logra con un
total de 4 lazos con 4 colectores cada uno
334 Caacutelculo del ahorro de bagazo propiciado por el campo
Una de las ideas fundamentales de este proyecto es el ahorro de bagazo para su
uso fuera de temporada y asiacute no parar la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica por la
ausencia de combustible Para esto se halloacute el iacutendice de generacioacuten con el campo
(tabla 13) quedando un ahorro de maacutes de 25 mil toneladas de bagazo Pudiendo
dar un margen de 30 diacuteas maacutes de generacioacuten de electricidad lo que equivale a maacutes
de 14 mil MWe
50
Tabla 13 Generacioacuten en el periacuteodo de zafra y ahorro de bagazo propiciados por el campo
solar
Generacioacuten eleacutectrica total 111063 MWh
Iacutendice de generacioacuten sin campo 500 kWhtb
Iacutendice de generacioacuten con campo 575 kWhtb
Ahorro de bagazo 251586 TonZafra
Porciento de bagazo ahorrado 14
Generacioacuten con el excedente de Bagazo 14463 MWh
Seguacuten los datos de la tabla 13 y suponiendo que la zafra sea de 120 diacuteas sin contar
las paradas este resultado extenderiacutea la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica a 232 diacuteas
aproximadamente maacutes de la mitad del antildeo y solo se necesitariacutea para los restantes
133 diacuteas del antildeo abastecerse por medio de otra fuente como pudiera ser bagazo
aportado por centrales cercanos que funcionaran como tributarios o utilizar otro
combustible complementario como los residuos agriacutecolas cantildeero lentildea o carboacuten de
marabuacute
34 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un
antildeo)
Para el caacutelculo se halloacute el ahorro de combustible foacutesil con la incorporacioacuten del campo
solar De la (tabla 14) mostrada en el capiacutetulo anterior se tomoacute el valor para las
emisiones de CO2 que fue de 306 kgkgf lo que reflejoacute los siguientes resultados
Tabla 14 Ahorro de combustible y emisiones de CO2 dejadas de emitir propiciado por el campo
Iacutendice de generacioacuten de una planta
teacutermica convencional en Cuba 270 gkWh
Ahorro de combustible Foacutesil 3888 TCC
CO2 dejado de emitir 11897 Ton
35 Factibilidad econoacutemica del proyecto
Para los caacutelculos de factibilidad econoacutemica en este proyecto se ha tomado los
siguientes valores (tabla 15)
51
Tabla 15 Valores necesarios para el caacutelculo de la factibilidad econoacutemica
Precio de la electricidad 021 $kWh
Impuestos 30
Tasa de descuento 10
Vida uacutetil 25 antildeos
Tambieacuten se tuvieron en cuenta los costos de inversioacuten del campo solar (tabla 16)
Tabla 16 Costos de Inversioacuten del campo solar Fuente (IDEA 2013)
Captacioacuten y concentracioacuten de
energiacutea solar
Campo solar(CCP)
espejos 35 Eur m2
apertura
130800 m2
457800
euros
estructuras
metaacutelicas
72 Eur m2
apertura
13080
m2
941760
euros
sistemas de
posicionamiento
6600 Eurunid
16
unidades
108585
euros
movimiento de
tierras
21 Eur m2
apertura
13080
m2 27468000 euros
cimentacioacuten 37 Eur m2
apertura
13080
m2 48396000 euros
montaje 43 Eur m2
apertura
13080
m2 56244000 euros
nave de montaje 545 Eur m2
apertura
13080
m2 7128600 euros
costo total
2900511
euros
Sistema de conversioacuten solar teacutermico
aceite teacutermico 283 Eurkg
100
Kg 283 euros
tubos
absorbedores
892 Eurtubo
16
tubos
14675
euros
juntas rotativas 190 Eur unid 33 unidades 625187 euros
tuverias valvulas y
accesorios
13400 Eurlazo 4 lazos 4915834 euros
sistTrasiego
aceites
87000 Eurlazo 4 lazos 31916236 euros
sistPurificacioacuten
de aceite
380000 Eur unid 1 unidades 380000 euros
ProteccContra
incendios
11400 Eurlazo 1 lazos 11400 euros
sistInertizacioacuten 5900 Eurlazo 1 lazos 5900 euros
52
Intercambiador
aceite-vapor
240 EurkW 10623 kWe 2549400 euros
calderas GV 53 EurkWt - 0 euros
costo total 33362310 euros
TOTAL DEL COSTO DE INVERSIOacuteN
9137253
euros
9959606
doacutelares
Tabla 17 Costos de operacioacuten y mantenimiento (OampM) del campo solar en millones de
euros (MEUR MWantildeo) Fuente (IDEA 2013)
Personal 001 MEUR MWantildeo
Mantenimiento 004 MEUR MWantildeo
Otros 002 MEUR MWantildeo
total 007 MEUR MWantildeo
Tabla 18 Costos de operacioacuten y mantenimiento (OampM) del campo solar en MEUR Fuente
(IDEA 2013)
Potencia del
campo solar
11 MW
Personal 011
Mantenimiento 042
Otros 021
total 074
Esto equivale a un costo fijo de 1772000 doacutelares en operacioacuten y mantenimiento
Paraacutemetros operativos
Venta de electricidad 21 centkWh
Produccioacuten de electricidad solar 144626 MWhantildeo
Costos OampM campo solar 289252 USD antildeo
Costo nivelado de la energiacutea generada
Este costo se determinoacute al sumar los costos variables el de inversioacuten total y los
costos de operacioacuten y mantenimiento luego se dividioacute entre la generacioacuten total de
la planta en los 25 antildeos de vida uacutetil de esta tecnologiacutea quedando de 0032$kWh
351 Tasa interna de retorno (TIR)
Con un campo de 16 colectores y para las condiciones de este proyecto se obtuvo
una TIR de
TIR= 30
La TIR calculada fue mayor que la tasa de descuento por tanto el proyecto es
aceptable
53
352 Valor actual neto (VAN)
El valor actual neto es positivo con un valor que asciende a $ 34116545 por lo que
se cumple la condicioacuten de VAN mayor que cero por lo que el proyecto es rentable
353 Periacuteodo de recuperacioacuten (PR)
El tiempo en que se recupera esta inversioacuten es de aproximadamente 9 antildeos (figura
18)
Los costos de inversioacuten incluyen costes de Ingenieriacutea obtencioacuten de los permisos
necesarios y autorizaciones administrativas obra civil y equipo electromecaacutenico
Los beneficios corresponden a las ventas anuales de electricidad una vez
deducidos los gastos de operacioacuten y mantenimiento En general se estima en el
sector que para que una inversioacuten sea interesante el periacuteodo de recuperacioacuten no
debe exceder de 7 antildeos (Penche 1998) Este proyecto excede en dos antildeos lo
planteado por (Penche 1998) aunque sigue siendo factible e interesante para las
condiciones del paiacutes ya que como plantea el problema de investigacioacuten el principal
intereacutes de este trabajo es aumentar los diacuteas de generacioacuten de electricidad Debido
al problema que presenta Cuba con los iacutendices de generacioacuten se hace necesario
una mejora en este sector a toda costa priorizando esto quedando asiacute los periodos
de recuperacioacuten por detraacutes de este intereacutes primordial
Figura 19 Periacuteodo de recuperacioacuten en antildeos
Teniendo en cuenta estos tres iacutendices econoacutemicos calculados que se tuvieron en
cuenta para la rentabilidad econoacutemica de este proyecto se obtiene como resultado
que dicho proyecto es econoacutemicamente factible
-15000000
-10000000
-5000000
0
5000000
10000000
15000000
20000000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Doacutela
res
Antildeos
Periacuteodo de recuperacioacuten de la invercioacuten
54
Conclusiones
La tecnologiacutea de plantas hibridas solar-biomasa para el caso de Cuba es
potencialmente factible a partir de los valores encontrados de radiacioacuten solar
directa en todo el territorio alcanzando estos maacutes de 5 kWhm2-dia durante
todo el antildeo siendo favorable para la implementacioacuten de esta tecnologiacutea
El rendimiento global de cada colector tiene un valor aproximado del 70
debido a las peacuterdidas geomeacutetricas oacutepticas teacutermicas y por las condiciones
meteoroloacutegicas del lugar puesto que al ser Cuba una isla rodeada de mar
hay ocurrencia de un gran nuacutemero de precipitaciones y cielos nublados al
antildeo que afectan considerablemente el factor de disponibilidad del campo
solar
El campo solar tendraacute 4 colectores por lazo y 4 lazos por campo con una
potencia teacutermica de 106 MW lo que representa un aacuterea de casi 45 ha
aumentaacutendose el iacutendice de generacioacuten de electricidad de la planta con su
conversioacuten en planta hibrida (solar-biomasa) de 500 kWhtb a 575 kWhtb
Con la implementacioacuten del proyecto propuesto (hibridacioacuten biomasa-energiacutea
solar) se puede lograr un ahorro de 251586 toneladas de bagazo por zafra
lo que equivale a 30 diacuteas adicionales de generacioacuten eleacutectrica de la planta lo
que extenderiacutea la generacioacuten en la bioeleacutectrica a unos 230 diacuteas acercaacutendose
cada vez maacutes a lo previsto por la poliacutetica existente en el paiacutes de conversioacuten
de centrales en bioeleacutectricas de llegar a los 300 diacuteas Pudieacutendose saldar los
70 diacuteas faltantes con combustibles alternativos como el RAC y el marabuacute con
gran abundancia en nuestros campos
La implementacioacuten en la UEB George Washington de la hibridacioacuten permitiriacutea
anualmente con el excedente de bagazo obtenido una generacioacuten de
electricidad adicional de 145 GWh con una disminucioacuten de 11897 toneladas
de emisiones de CO2 funcionando como una fuente de empleo considerable
para los habitantes de este lugar
El estudio de la hibridacioacuten solar-biomasa en la UEB George Washington
indica que un proyecto de este tipo es factible con una inversioacuten de casi 10
millones de doacutelares logra como resultados maacutes importantes un VAN de maacutes
de 34 millones una TIR de 30 un PRD de aproximadamente 9 antildeos y un
costo nivelado de la electricidad de 0032 $kWh valor de gran motivacioacuten
para la implementacioacuten de esta tecnologiacutea
55
Recomendaciones
Extender el estudio de factibilidad de plantas de energiacutea hiacutebridas biomasa
solar a otros centrales azucareros del paiacutes que se prevean convertir en
bioeleacutectricas
Incluir en la metodologiacutea de anaacutelisis empleada en este trabajo para futuros
estudios otro tipo de tecnologiacuteas de concentracioacuten como pudiera ser la de
colector lineal Fresnel cuya aplicacioacuten ha venido en aumento en los uacuteltimos
antildeos a nivel mundial
Profundizar en el estudio de factibilidad de este proyecto analizando la
influencia de la variacioacuten de paraacutemetros como el salto entaacutelpico en el
intercambiador de calor del campo solar para la optimizacioacuten del disentildeo del
campo solar
56
Bibliografiacutea
BEacuteRRIZ L MADRUGA E 2000 Cuba y las fuentes renovables de energiacutea CUBASOLAR pp 29
CENGEL Y 2012 Termodinaacutemica Meacutexico DF
DAVID A 2007 Business and Finance Israeli Company to build largest solar park in world in US [Online] Available (httpwwwynetnewscom) [Accessed 10 febrero 2018]
E BURIN T V S MULTHAUPT A THELEN G OELJEKLAUS K GOumlRNER E BAZZO 2016 Thermodynamic and economic evaluation of a solar aided sugarcane bagasse cogeneration power plant THE 28TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON EFFICIENCY COST OPTIMIZATION SIMULATION AND ENVIRONMENTAL IMPACT OF ENERGY SYSTEMS
EPA Factor Information REtrieval (FIRE) Software Technology Transfer Network Clearinghouse for Inventories amp Emissions Factors 2004
GACETA 2007 Estrategia Ambiental Nacional Ministerio de Justicia 30 ed Gaceta Oficial Republica de Cuba
GESIME 2014 Conceptualizacioacuten del programa de desarrollo de la energiacutea solar teacutermica en Cuba 2014-2020 MINEM Desarrollado por grupo de desarrollo de la energiacutea solar teacutermica Grupo Empresarial de la Industria Sidero-Mecaacutenica 36
GUTIEacuteRREZ E 2013 ldquoEl azuacutecar cubano adquiere protagonismo energeacuteticordquo Diarios latinoamericanos de Tierrameacuterica
HERRERA I 2016 Poligeneration Workshop KTH Universidad Central Marta Abreu de Las Villas
HIDALGO L 2012 Estudio Teacutecnico-econoacutemico de una central hiacutebrida solar-ciclo combinado Proyecto final de carrera para optar por el tiacutetulo ingeniero teacutecnico de minas Departamento de sistemas energeacuteticos 79
HTTPEOSWEBLARCNASAGOVSSE 2017 Surface Meteorology and Solar Energy [Online] [Accessed 22 noviembre]
HTTPWWWWIKIPEDIAORG 2017 Energiacutea solar teacutermica [Online] [Accessed 17 diciembre 2017]
IDEA 2013 Plan de Energiacuteas (PER) 2011-2020 Instituto para la Diversificacioacuten y Ahorro de la Energiacutea
LA ROSA D 2014 Recuperacioacuten de la disponibilidad de generacioacuten en el ciclo combinado de Energas Varadero con aporte termosolar httpwwwcubasolarcu
MARTIacuteN S 2017 Colector ciliacutendrico paraboacutelico Available from httpwwwtecnoblogsanmartinwordpresscom]
57
MARTIacuteNEZ L 2017 Conjunto de alternativas tecnoloacutegicas para la ingenieriacutea conceptual del estudio de oportunidad de la conversioacuten en bioeleacutectrica del central George Washington Trabajo de diploma Universidad Central ldquoMarta Abreurdquo de Las Villas
MAXWELL E L RENNE DS 1994 Measures of Renewable Energy National Renewable Energy Laboratory
PAREDES C 2012 Disentildeo de captador solar ciliacutendrico paraboacutelico para aplicaciones rurales en Paraguay Proyecto final de carrera para optar por el tiacutetulo de ingeniero teacutecnico de minas Especialidad en recursos energeacuteticos combustibles y explosivos 57
PENCHE C 1998 Manual de pequentildea hidroeleacutectrica D I R E C C I Oacute N G E N E R A L D
E E N E R G I A ( D G X V I I ) 259
PETROLEUM B 2006 BP Statistical Review of World Energy June 2006 Quantifying Energy
PETROLEUM B 2018 Statistical Review of World Energy [Online] Available httpwwwbpcomenergyoutlook [Accessed 12 febrero de 2018]
PITZ-PAAL 2013 Solar thermal power plants BINE-Themeninfo FIZ Karlsruhe GmbH
REN 2013 Global Status Report Paris
REUszlig N 2012 Modern Gas- amp Steam Turbines in Solarthermic Applications 14th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery Honolulu
RIBOT J E A ROVIRA P ROVIRA A BAROacuteN JL 2001 Curso de Energiacutea Solar Centro de Tecnologiacutea Educativa CTE Barcelona Espantildea Obra completa 4ta edicioacuten Leccioacuten 3 El potencial real de la energiacutea solar
RODRIacuteGUEZ J 2015 Metodologiacutea para la caracterizacioacuten termoeconoacutemica de plantas hiacutebridas de generacioacuten de electricidad Tesis Doctoral Universidad Politeacutecnica de Madrid
ROJAS E 2013 Energiacutea Solar Teacutermica Observatorio de energiacutea renovable para Ameacuterica Latina y Caribe Programa de capacitacioacuten de energiacuteas renovables ONUDI 68
SALOMOacuteN R 2016 ldquoBioeleacutectricas despiertan creciente intereacutes mundialrdquo
SALOMOacuteN R 2018 Biomasa fuente de electricidad inagotable para Cuba Diaacutelogos del Sur Prensa Latina de La Habana
SEBASTIAacuteN E 2011 Sistemas de colector ciliacutendrico paraboacutelico para generar energiacutea httpeliseosebastiancom
SHILLING Z NORMAN 2003 IGCC Clean Power Generation Alternative For Solid Fuels Product Line Leader
58
WWWSOLARBUZZCOM H 2016 Abener Signs Contract for Solar Thermal Electric-Combined Cycle Hybrid Plant [Online] [Accessed 16 diciembre 2017]
3
para que las bioeleacutectricas alcancen al menos 300 diacuteas de generacioacuten de energiacutea al
antildeo y a la vez lograr que se reduzcan los periacuteodos de recuperacioacuten de las inversiones
de las bioeleacutectricas en el paiacutes
Por todo lo antes expuesto y para la realizacioacuten de este trabajo de ingenieriacutea se
definioacute el siguiente objetivo general
Estudiar la factibilidad de combinar la energiacutea solar teacutermica de concentracioacuten con
biomasa cantildeera para aumentar la generacioacuten de electricidad al menos 300 diacuteas al
antildeo en las bioeleacutectricas en Cuba
Y como objetivos especiacuteficos
Determinar el potencial solar en la zona central del paiacutes para seleccionar la
tecnologiacutea de concentracioacuten solar y el esquema maacutes factible de hibridacioacuten en la
bioeleacutectrica para las condiciones de Cuba
Realizar el dimensionamiento oacuteptimo del campo solar teacutermico de concentracioacuten para
inyectar energiacutea al ciclo de las bioeleacutectricas proyectadas
Analizar la factibilidad de una propuesta de bioeleacutectrica hiacutebrida biomasa-solar
mediante el uso de indicadores econoacutemicos como el costo nivelado de la energiacutea
generada costo de inversioacuten VAN y TIR asiacute como el impacto ambiental causado
por esta para el caso de estudio UEB umlGeorge Washingtonuml
4
Capiacutetulo 1 Revisioacuten Bibliograacutefica
En este capiacutetulo se realizoacute una recopilacioacuten seleccioacuten y anaacutelisis de la literatura
consultada que constituye el marco teoacuterico del trabajo Se reconocieron las
contribuciones de otros autores buscaacutendose una loacutegica entre los propoacutesitos
investigativos y el conocimiento que existe acerca del problema que se abordoacute
11 Ciclo termodinaacutemico de la industria azucarera
En la industria azucarera cubana al igual que en todo el mundo se emplea un ciclo
de potencia de vapor especiacuteficamente un ciclo Rankine con algunas desviaciones
Se consideran ciclos de potencia de vapor en los que el fluido de trabajo se evapora
y condensa alternadamente Asimismo se analiza la generacioacuten de potencia
acoplada con un proceso de calentamiento llamada cogeneracioacuten La constante
demanda de eficiencias teacutermicas maacutes altas ha producido algunas modificaciones
innovadoras en el ciclo baacutesico de potencia de vapor Entre eacutestos se estudian ciclos
con recalentamiento y regenerativo asiacute como ciclos combinados de potencia de gas
y vapor El vapor de agua es el fluido de trabajo usado para estos ciclos de potencia
de vapor en la industria azucarera debido a sus muchas y atractivas caracteriacutesticas
como bajo costo disponibilidad y alta entalpiacutea de vaporizacioacuten(Cengel 2012)
El ciclo Rankine ideal simple consta de cuatro procesos que son los siguientes
1-2 Compresioacuten isentroacutepica en una bomba
2-3 Adicioacuten de calor a presioacuten constante en una caldera
3-4 Expansioacuten isentroacutepica en una turbina
4-1 Rechazo de calor a presioacuten constante en un condensador
Figura 1 Ciclo Rankine ideal simple
5
En la industria azucarera este ciclo de potencia no se encuentra asiacute del todo puesto
que se le realizan algunas modificaciones ya que el proceso es el que funciona como
condensador del ciclo y en otros casos como es el de las bioeleacutectricas que se
pretenden instalar se realiza un recalentamiento a la salida de la turbina de alta para
luego ser insertado en una turbina de baja Tambieacuten se colocan calentadores
regenerativos con el fin de calentar el agua a la entrada de la caldera o como se
plantea en este trabajo se puede hibridar con un campo termosolar que funcione
como calentador del agua que entra a la caldera todas estas medidas con el fin de
aumentar la eficiencia del ciclo
Al existir una generacioacuten de potencia en forma de energiacutea eleacutectrica y una demanda
de calor necesaria para el proceso de fabricacioacuten de azuacutecar el ciclo termodinaacutemico
pasa a ser un esquema de cogeneracioacuten (Herrera 2016) el cual se muestra en la
figura siguiente
Lo centrales azucareros convencionales no presentan condensador la funcioacuten de
este la realiza netamente el proceso Por lo que existe una equivalencia entre los
flujos de vapor utilizados para la generacioacuten y los que se usan en el proceso sin
poder realizar un aumento considerable de estos limitando asiacute la generacioacuten de
potencia eleacutectrica En el caso de la bioeleacutectrica no ocurre asiacute puesto que aumentan
los paraacutemetros del ciclo y con este los flujos de la sustancia termoportadora Siendo
necesaria la presencia de un condensador ya que con el proceso no basta para
Figura 2 Ciclo de cogeneracioacuten
6
condensar las enormes cantidades de vapor y que luego puedan ser transportadas
por las bombas asiacutea la caldera
12 Concepto de bioeleacutectrica
Una bioeleacutectrica es una planta de cogeneracioacuten que se construye en un aacuterea aledantildea
al central lo que facilita no detener las zafras durante el periacuteodo de construccioacuten y
montaje Su funcionamiento consiste en un ciclo Rankin con mejoras que consta de
una caldera de alta presioacuten para el proceso de adiccioacuten de calor posteriormente se
expande en una turbina de vapor y se realiza una extraccioacuten para el proceso luego
se condensa el vapor de escape de la turbina y se bombea nuevamente a la caldera
Cuando se realiza su puesta en marcha opera abastecieacutendose de todo el bagazo
producido residuos agriacutecolas y del condensado de vapor puro procedente de los
equipos de calentamiento evaporacioacuten y tachos provenientes de la faacutebrica de azuacutecar
a la que a su vez suministra el vapor de escape de los turbogeneradores para el
proceso de fabricacioacuten del endulzante asiacute como la electricidad que necesita El
excedente eleacutectrico del proceso fabril del azuacutecar se vende al Sistema Eleacutectrico
Nacional (SEN)(Salomoacuten 2018)
13 Planta hiacutebrida
Una planta hiacutebrida se define como una planta que utiliza dos o maacutes recursos
energeacuteticos en este caso solar y biomasa aprovechando las ventajas de cada uno y
disminuyendo sus desventajas como por ejemplo
Se mejora la eficiencia solar eleacutectrica
Se eliminan los arranques y paradas de la turbina que limitan su eficiencia y
encarecen su mantenimiento
Se garantiza un suministro eleacutectrico independientemente del recurso solar Ya no
es necesario el uso de sistemas de almacenamiento para satisfacer la curva de
demanda
Los costes de inversioacuten se reducen se reducen los riesgos de inversioacuten al estar
garantizada la generacioacuten de electricidad Adicionalmente se pueden aprovechar las
instalaciones ya existentes La reduccioacuten en los costes permite operar en lugares con
menor radiacioacuten solar
Sin embargo las plantas hibridas presentan incertidumbre sobre su comportamiento
a lo largo del tiempo debido a la variabilidad temporal del recurso solar de la
demanda eleacutectrica y del solapamiento de ambos Es necesario establecer coacutemo se
van a comportar las instalaciones a lo largo d un antildeo y de este modo poder determinar
su idoneidad bajo unas condiciones de radiacioacuten y de demanda eleacutectrica
dependientes del tiempo(Rodriacuteguez 2015)
7
Los principales componentes que forman parte de una planta hiacutebrida solar-biomasa
se distinguen como el bloque solar el bloque de potencia y la hibridacioacuten
Bloque solar Es donde la energiacutea del sol es convertida en energiacutea teacutermica La
tecnologiacutea solar empleada depende del rango de temperaturas de operacioacuten de la
planta hibrida Es necesario que sean compatibles con las del bloque de potencia
Bloque de potencia es el ciclo termodinaacutemico que convierte la energiacutea teacutermica en
eleacutectrica
Hibridacioacuten es el modo en que el bloque de potencia y el bloque solar son
conectados
14 La energiacutea solar
El Sol es un enorme reactor de fusioacuten nuclear formado por una esfera de materia
gaseosa caliente de 139 millones de kiloacutemetros de diaacutemetro que constituye la
principal fuente de energiacutea para la Tierra situada a una distancia media de 149106
km Debido a la radiacioacuten solar la temperatura en la superficie terrestre es alrededor
de 250ordmC superior a la temperatura que habriacutea en la superficie si eacutesta dependiera
solo del calor interno El Sol radia continuamente una potencia de 38middot1023 kW de
los cuales la Tierra intercepta 17middot1014 kW La energiacutea solar recibida en la atmoacutesfera
exterior de la Tierra en un antildeo se conoce con el nombre de SERPY (Solar Energy
Received Per Year) y corresponde a 155middot1015 MWh cantidad que equivale
aproximadamente a 12000 veces la energiacutea consumida en el mundo si se tienen en
cuenta los datos publicados de produccioacuten y consumo energeacutetico mundial durante el
antildeo 2005 (Petroleum 2006) De la radiacioacuten recibida en la superficie exterior el 30
se refleja al espacio el 47 es absorbido por la atmoacutesfera mares y tierra para
mantener la temperatura ambiente y el restante 23 se usa para mantener la
conveccioacuten atmosfeacuterica y el ciclo hidroloacutegico (Rojas 2013)
La radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera tiene un valor constante de unos 1300 Wm
denominaacutendose constante solar Sin embargo toda esta energiacutea no puede ser
aprovechada debido a diferentes fenoacutemenos que se interponen en su camino desde
el Sol hasta la superficie terrestre Al atravesar la atmoacutesfera las nubes dispersan la
radiacioacuten separaacutendola en radiacioacuten directa y difusa Las sombras causadas por
objetos proacuteximos tambieacuten contribuyen a atenuar el valor de la radiacioacuten Finalmente
el hecho de que la direccioacuten del Sol y la superficie captadora no sea la misma
tambieacuten influye en la disminucioacuten de la constante solar Todos estos factores hacen
que la energiacutea que llega a la Tierra sea de unos 1000 Wm en un diacutea claro a las 12
horas del mediodiacutea solar y a nivel del mar Esta energiacutea no es suficiente para alcanzar
las temperaturas que se requieren por lo que se utilizan elementos concentradores
La energiacutea solar tiene muchas aplicaciones donde ser utilizada Estas actividades se
clasifican en tres grupos generacioacuten teacutermica generacioacuten de trabajo y generacioacuten de
friacuteo El primer grupo contiene la generacioacuten de calor para calefaccioacuten agua caliente
8
sanitaria (ACS) desecacioacuten y refrigeracioacuten Dentro de esta divisioacuten existen
diferencias seguacuten la temperatura alcanzada Podemos distinguir procesos de baja
temperatura que usan colectores planos para ACS hasta 60ordmC procesos de media
temperatura para calefaccioacuten y produccioacuten de friacuteo y procesos de alta temperatura en
la industria La generacioacuten teacutermica tambieacuten incluye la arquitectura bioclimaacutetica La
generacioacuten de trabajo se puede dar de forma teacutermica y de forma fotovoltaica Los
parques de heliostatos o concentradores ciliacutendrico-paraboacutelicos producen vapor que
se utiliza en ciclos de potencia mientras que los paneles fotovoltaicos convierten la
luz en electricidad por medio de semiconductores Por uacuteltimo la generacioacuten de friacuteo
se produce por medio de maacutequinas de absorcioacuten
Las tecnologiacuteas usadas para este tipo de energiacutea son colectores planos para
calefaccioacuten y ACS concentracioacuten en torre discos paraboacutelicos colectores ciliacutendricos
paraboacutelicos y colectores Fresnel para la produccioacuten de electricidad Maacutes adelante se
explicaraacuten con maacutes detalle todas estas tecnologiacuteas
La principal ventaja con la que cuenta la energiacutea solar es que se trata de un recurso
inagotable que estaacute al alcance de todos pero uno de los problemas de esta reside
que la demanda no coincide con la produccioacuten Para ajustar la demanda a la
produccioacuten se hace necesario el uso de sistemas de almacenamiento Otro problema
a tener en cuenta es la intermitencia del recurso solar A lo largo del antildeo hay
numerosos diacuteas en los que las nubes impiden el correcto aprovechamiento de la
energiacutea solar La solucioacuten a este problema es la instalacioacuten de un sistema de apoyo
consistente generalmente en una caldera auxiliar operada con un combustible foacutesil
De este modo se puede prescindir de los sistemas de almacenaje (Paredes 2012)
15 Sistemas teacutermicos solares El objetivo esencial de cualquier sistema teacutermico solar es captar la radiacioacuten que
proviene del sol para transformarla en energiacutea teacutermica de un fluido y transportarla de
la manera maacutes econoacutemica y eficaz posible a un usuario Las aplicaciones del
aprovechamiento solar pueden ser directas en forma de calor o bien indirectas
utilizando este calor para obtener trabajo mecaacutenico en un eje y finalmente
electricidad Entre las tecnologiacuteas existentes hay tres que destacan por su grado de
desarrollo los sistemas de colectores cilindro paraboacutelicos (CCP) los sistemas de
receptor central (SRC) o sistemas de torre central (STC) y los discos paraboacutelicos
(DP) o maacutes propiamente paraboloides de revolucioacuten Tambieacuten existen los sistemas
de concentradores lineales Fresnel (CLF) que a pesar de no estar ampliamente
desarrollados en cuanto a tecnologiacutea se refiere merecen una mencioacuten Aunque los
campos de aplicacioacuten de los Sistemas Termo-solares de Concentracioacuten (CSTS) son
diversos es en los campos de generacioacuten de electricidad vapor de proceso o de
ambos simultaacuteneamente donde estos sistemas han alcanzado su mayor grado de
desarrollo dando lugar a Centrales Energeacuteticas Termo-solares (CETS) Las CETS
son entre los sistemas basados en el aprovechamiento de las energiacuteas renovables
uno de los de mayor potencial de contribucioacuten a la satisfaccioacuten de la demanda
9
energeacutetica especialmente en las regiones situadas en el llamado ldquocinturoacuten solarrdquo
que son aquellas que se encuentran entre las latitudes 35o norte y 35o sur (Paredes
2012)
151 Sistemas de torre central (STC)
Este sistema se caracteriza porque el conjunto colector estaacute compuesto por un grupo
maacutes o menos numeroso de concentradores planos individuales llamados heliostatos
los cuales dirigen la radiacioacuten solar concentrada hacia un receptor central situado en
lo alto de una torre Por tanto la concentracioacuten de la radiacioacuten se produce en tres
dimensiones por lo que el valor de la razoacuten de concentracioacuten es muy elevado asiacute
como las temperaturas que se alcanzan pudiendo llegar eacutestas a los 1500 degC
Figura 3 Esquema de un STC Fuente Greenpeace
A parte de los componentes principales del sistema que se detallan maacutes adelante
para un correcto funcionamiento del sistema se requieren una serie de equipos y
sistemas auxiliares como el sistema de caracterizacioacuten de imaacutegenes blancos
lambertianos para evaluacioacuten de imaacutegenes ajustes de offsets etc
El sistema colector El heliostato es junto con el receptor uno de los componentes
que representa mayor importancia dentro del sistema llegando a suponer hasta un
60 del coste total de la parte solar Su funcioacuten es la de captar la radiacioacuten solar y
redirigirla hacia el receptor
Estaacute compuesto baacutesicamente por una superficie reflectante ndashespejos de vidrio como
los de los CCPs ademaacutes de una estructura soporte mecanismos de movimiento y
un sistema de control
En cuanto al tamantildeo existen de varias dimensiones desde 40 o 50 m2 hasta su
evolucioacuten a los 150 m2 Aunque actualmente se tiende a los heliostatos maacutes
10
pequentildeos pues suponen una simplificacioacuten y abaratamiento en los procesos de
transporte instalacioacuten y puesta en servicio El campo de heliostatos en relacioacuten al
receptor estaacute condicionado en gran parte por la orografiacutea del terreno por el tamantildeo
de la planta y por la disposicioacuten del receptor Las dos formas claacutesicas de colocar los
heliostatos son
Campo circundante heliostatos alrededor de la torre
Campo Norte-Sur heliostatos a un lado de la Torre La orientacioacuten dependeraacute de
en queacute latitud se encuentre el emplazamiento
No obstante existen otras disposiciones que tratan de aprovechar la orografiacutea del
terreno (por ejemplo una ladera orientada al Sur) o usan un concentrador secundario
para evitar los inconvenientes derivados de situar el receptor sobre una torre
La torre La funcioacuten de la torre es la de servir de soporte al receptor que
normalmente debe situarse a una cierta altura sobre el nivel del campo de helioacutestatos
para reducir las sombras y bloqueos entre eacutestos y a diversos elementos auxiliares
(blancos lambertianos sistemas de medida etc) Hasta hoy las torres construidas
han sido de estructuras metaacutelicas o de hormigoacuten
El receptor Es el dispositivo donde se produce la conversioacuten de la radiacioacuten solar
concentrada en energiacutea teacutermica
152 Disco Paraboacutelico (DP)
Los sistemas de discos paraboacutelicos se componen baacutesicamente en un reflector o en
un conjunto de reflectores que tienen forma de paraboloide de revolucioacuten Ademaacutes
poseen un receptor situado en el foco puntual de dicho paraboloide y de un sistema
de generacioacuten eleacutectrica compacto (un motor o una turbina maacutes un alternador) Por lo
general receptor y sistema de generacioacuten suelen formar parte de un mismo conjunto
El principio de funcionamiento es el mismo que para los CCPacutes es decir la radiacioacuten
concentrada por el paraboloide incide sobre el receptor donde se convierte en
energiacutea teacutermica (pudiendo alcanzar los 1500 oC que permite generar electricidad Los
elementos principales del colector Disco Paraboacutelico son los siguientes
Concentrador La forma de la superficie reflexiva en este tipo de sistema es la de
un paraboloide de revolucioacuten cuyo tamantildeo depende de la potencia nominal y de la
energiacutea que se desea generar en un determinado tiempo y bajo unas condiciones de
radiacioacuten determinadas
Receptor Es un sistema de discos paraboacutelicos que tienen dos funciones
fundamentales por un lado la de absorber la radiacioacuten solar reflejada por el
concentrador y por el otro transferir la energiacutea absorbida al fluido de trabajo de la
maacutequina asociada Hasta la fecha existen dos tipos de reflectores tubos
directamente iluminados por la reflexioacuten de los rayos y receptores de reflujo
11
Sistema de Seguimiento Con objeto de seguir la posicioacuten del sol en todo momento
los discos paraboacutelicos realizan un seguimiento de eacuteste en dos ejes Se realiza seguacuten
dos tipos de montaje
Seguimiento en acimut-elevacioacuten en el que el movimiento se realiza seguacuten dos
ejes el vertical y el horizontal
Seguimiento polar en el que el movimiento en un eje es muy lento pues solo se
debe seguir las variaciones estacionales del sol y el movimiento en el otro eje es a
velocidad constante
Actualmente el uso de discos paraboacutelicos para generar electricidad se encuentra en
fase de desarrollo en algunas plantas experimentales como la de Planta Solar de
Almeriacutea pero la falta de fiabilidad y su elevado coste constituyen los principales
obstaacuteculos para su introduccioacuten real en la generacioacuten eleacutectrica En cambio
atendiendo a la misma forma estructural y con el mismo principio de reflexioacuten en un
foco puntual del paraboloide de revolucioacuten es muy comuacuten encontrar a nivel
particular cocinas solares
Figura 4 Esquema de un Disco Paraboacutelico Fuente Greenpeace
12
153 Concentrador lineal Fresnel
Esta tecnologiacutea es la maacutes nueva de las cuatro que actualmente hay disponible para
los sistemas solares de concentracioacuten Son captadores de foco lineal en los que
largos reflectores que poseen ejes de giros independientes y paralelos reflejan la
radiacioacuten solar directa sobre un tubo receptor situado sobre ellos Es la tecnologiacutea
maacutes joven de las cuatro descritas por lo que existen actualmente solo dos plantas
comerciales en funcionamiento con una potencia eleacutectrica total de 64 MWe
Figura 5 Concentrador Lineal Fresnel
154 Colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Esta tecnologiacutea cilindro-paraboacutelica basa su funcionamiento en seguimiento solar y en
la concentracioacuten de los rayos solares en unos tubos receptores de alta eficiencia
teacutermica localizados en la liacutenea focal de los cilindros En estos tubos un fluido
transmisor de calor tal como aceite sinteacutetico es calentado aproximadamente a
400ordmC por los rayos solares concentrados El aceite es bombeado a traveacutes de una
serie de intercambiadores de calor para producir vapor sobrecalentado El calor
presente en este vapor se convierte en energiacutea eleacutectrica en una turbina de vapor
convencional Los colectores cilindro-paraboacutelicos se emplean maacutes a escala industrial
de 10 a 100 MW para la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica en un campo solar y en un
sistema de potencia En el campo solar la energiacutea de la radiacioacuten solar se transforma
en energiacutea teacutermica en una serie de filas paralelas de colectores cilindro-paraboacutelicos
cada uno de ellos con seguimiento solar La eficiencia durabilidad y costo de una
central con colectores cilindro-paraboacutelicos depende fuertemente de la estructura y
robustez del colector Un moacutedulo colector generalmente compuesto de elementos
de 12 m de largo conectados en serie puede tener hasta 150 m de longitud Sus
espejos paraboacutelicos reflejan la radiacioacuten solar y la concentran sobre un tubo
absorbente en su liacutenea focal (Sebastiaacuten 2011)
13
A principios del siglo pasado (1912) la primera planta de canal paraboacutelico fue
construida en Meadi Egipto para bombeo de agua Con 79 plantas 31425 MW
instalados esta tecnologiacutea es la maacutes madura de las tecnologiacuteas CSP (maacutes de 100
antildeos de experiencia en operacioacuten) (GESIME 2014)
Las primeras centrales con colectores cilindro-paraboacutelicos operan comercialmente en
California desde 1985 En este periodo de tiempo han generado maacutes de doce mil
millones de kilowatts hora de electricidad lo que es suficiente para suministrar
electricidad a aproximadamente doce millones de personas durante un antildeo Al igual
que en centrales teacutermicas con combustibles convencionales y tambieacuten en centrales
nucleares la corriente se genera en las centrales solares teacutermicas con una turbina a
vapor y un generador acoplado (Martiacuten 2017)
El Sistema de Generacioacuten de Energiacutea solar (en ingleacutes Solar Energy Generating
System SEGS) es un conjunto de nueve plantas con una capacidad total de 350 MW
Actualmente es el sistema solar operacional maacutes grande (tanto del tipo termal o no)
La planta Nevada Solar One tiene una capacidad de 64 MW Estaacuten en construccioacuten
las plantas Andasol 1 y 2 en Espantildea cada planta tiene una capacidad de 50 MW sin
embargo estas plantas son de un disentildeo que tiene un sistema de almacenamiento
de calor que requiere un terreno con colectores solares mayor en relacioacuten al tamantildeo
del que deberiacutea tener para su generacioacuten El almacenamiento de calor permite una
mejor utilizacioacuten de las turbinas de vapor Con una operacioacuten diurna y parcialmente
nocturna la turbina de vapor de Andasol 1 con una capacidad de punta de 50 MW
produce maacutes energiacutea que Nevada Solar One con una capacidad de punta de 64 MW
debido al sistema de almacenamiento de calor y un terreno de colectores maacutes grande
que posee la planta de Andasol 1(httpwwwwikipediaorg 2017)
Existiacutea la propuesta de instalar 553 MW adicionales en el Mojave Solar Park
California (David 2007) pero este proyecto fue cancelado en el antildeo 2011 Tambieacuten
IBERDROLA (2013) puso en marcha en Egipto la central de Kuraymat de 150
megavatios (MW) de potencia Se trata de una instalacioacuten pionera en el mundo dado
que incorpora una tecnologiacutea que utiliza de forma combinada el gas y la energiacutea solar
lo que contribuye a disminuir las emisiones de CO2 y a mejorar el rendimiento global
de la planta Tambieacuten se generan 25 MW de vapor como aporte para una planta de
gas en Hassi Rmel Argelia (wwwsolarbuzzcom 2016)
El gobierno de India ha comenzado a desarrollar una iniciativa llamada Jawaharlal
Nehru National Solar Mission (tambieacuten conocida como la misioacuten solar nacional) para
resolver el problema de abastecimiento de energiacutea eleacutectrica
(httpwwwwikipediaorg 2017)
14
Figura 6 Esquema de un CCP Fuente Greenpeace
En la figura 6 se pueden ver los elementos principales del conjunto del colector de
forma maacutes detallada se definen del siguiente modo
El Reflector Ciliacutendrico Paraboacutelico su misioacuten es la de reflejar y concentrar sobre el
Receptor la radiacioacuten solar directa incidente sobre la superficie A grandes rasgos es
un espejo curvo que forma en una de sus dimensiones una paraacutebola de forma que
concentra sobre su liacutenea focal toda la radiacioacuten reflejada Entre los materiales usados
para la reflexioacuten encontramos plaacutesticos recubiertos con peliacuteculas de plata o aluminio
chapas metaacutelicas o el maacutes usado vidrios sobre los que se depositan una capa de
plata junto con un protector de base de cobre y pintura epoxi
El tubo de absorcioacuten o Receptor El tubo absorbedor consta de dos tubos
conceacutentricos separados por un espacio de vaciacuteo El tubo interior por el que circula
el fluido calo-portador es metaacutelico y el exterior es de cristal
El tubo interior es tratado con un recubrimiento metaacutelico selectivo que puede consistir
en una fina capa de cromo niacutequel cobalto o alguacuten otro acabado logrado por
Sputtering o Deposicioacuten Fiacutesica de Vapor (PVD por sus siglas en ingleacutes) Dicho
recubrimiento otorga al tubo sus propiedades uacutetiles para eacuteste uso elevada
absortividad a lo largo de todo el espectro solar y una baja emisividad en el espectro
infrarrojo lo cual se traduce en un elevado rendimiento teacutermico El tubo exterior de
vidrio cumple dos propoacutesitos de igual importancia el primero es proteger el
recubrimiento selectivo del tubo interior y minimizar las perdidas teacutermicas por
conveccioacuten Para aumentar el rendimiento oacuteptico del captador es comuacuten la utilizacioacuten
de un tratamiento antireflexivo en ambas caras del tubo de vidrio que logra mejorar
15
la transmisividad Para lograr mantener el vaciacuteo necesario entre los dos tubos se suele
soldar cada tubo el de vidrio y el de metal por separado a un fuelle metaacutelico que
soporta las diferentes dilataciones de cada material al variar la temperatura Con esto
se logra flexibilizar la unioacuten entre los dos tubos evitando grietas por las que pudiera
ingresar aire al vaciacuteo Otro mecanismo que se utiliza para mantener el vaciacuteo son los
llamados getters en ingleacutes que son colocados en el vaciacuteo debido a su propiedad de
reaccionar quiacutemicamente o por absorcioacuten con cualquier moleacutecula de gas que pudiera
penetrar al espacio confinado atrapaacutendolo y asiacute manteniendo el espacio libre de
cualquier elemento
Figura 7 Esquema del tubo de absorcioacuten o Receptor
El Sistema de Seguimiento Solar El seguimiento del Sol se hace con el objetivo
de aprovechar la mayor parte de horas posibles de luz de forma que la radiacioacuten
solar llegue lo maacutes perpendicularmente posible al colector y se mantengan en el foco
lineal continuamente Los CCPacutes pueden tener seguimiento a dos ejes o a un uacutenico
eje Normalmente el seguimiento se realiza a un eje pues mecaacutenicamente es maacutes
sencillo esto implica menos costos y menores peacuterdidas teacutermicas por no haber
tuberiacuteas pasivas La orientacioacuten puede ser Norte-Sur o Este-Oeste Los mecanismos
de accionamiento que mueven al colector pueden ser eleacutectricos (apropiado para
equipos pequentildeos) hidraacuteulicos (para lazos de colectores) y mecaacutenicos (reloj de
pesas) (Paredes 2012)
16
Figura 8 Esquema del seguimiento solar a un eje de un CCP Fuente Greenpeace
Cimentacioacuten y estructura metaacutelica La cimentacioacuten soporta los colectores y los fija
al suelo de forma que el conjunto estructural soporte las cargas para las que fue
disentildeado La misioacuten de la estructura metaacutelica del colector es la de dar rigidez al
conjunto de elementos que lo componen a la vez que hacer de interface con la
cimentacioacuten del propio colector (Hidalgo 2012)
La tecnologiacutea cilindro paraboacutelica es una tecnologiacutea limpia madura y con un extenso
historial que demuestra estar preparada para la instalacioacuten a gran escala Esta
tecnologiacutea lleva siendo instalada a nivel comercial desde los antildeos 80 con un
excepcional comportamiento Desde entonces ha experimentado importantes
mejoras a nivel de costes y rendimientos Actualmente hay maacutes de 1 GWe en
operacioacuten maacutes de 800 MWe en construccioacuten y maacutes de 2 GWe en promocioacuten a nivel
mundial Por lo que es esta la tecnologiacutea maacutes segura a aplicar
16 Orientacioacuten del colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Los captadores cilindro paraboacutelicos suelen estar instalados en los campos solares de
tal manera que sus ejes de rotacioacuten queden orientados bien Norte-Sur o bien Este-
Oeste Con la configuracioacuten Este-Oeste las variaciones estacionales suelen ser
pequentildeas permitiendo tener un aporte teacutermico maacutes estable durante el antildeo a costa
de perder parte de la energiacutea anual disponible Con la configuracioacuten Norte-Sur esa
energiacutea anual suministrada es optimizada al maacuteximo con el punto en contra de tener
variaciones estacionales mucho mayores que con la configuracioacuten Este-Oeste que
en ocasiones y dependiendo de la latitud y de las condiciones atmosfeacutericas del
emplazamiento pueden suponer relaciones de 3 a 1 entre verano e invierno En el
caso de la planta Termo solar acoplada al economizador de la caldera para la
produccioacuten de electricidad de la UEB umlGeorge Washingtonuml se ha realizado el disentildeo
atendiendo al criterio de maximizacioacuten del aporte energeacutetico anual por lo que la
configuracioacuten elegida es la Norte-Sur
17
17 Peacuterdidas en un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Cuando la radiacioacuten solar alcanza la superficie de un colector paraboacutelico se pierde
una cantidad importante de ella debido a diferentes factores El total de las peacuterdidas
se puede dividir en tres grupos
171 Peacuterdidas geomeacutetricas Provocan la disminucioacuten del aacuterea efectiva de captacioacuten
solar de los colectores En un CCP se dividen en peacuterdidas debidas a la posicioacuten
relativa de los colectores entre siacute los cuales se pueden dar sombra unos a otros y
las peacuterdidas inherentes a cada colector que son motivo del aacutengulo de incidencia el
cual provoca que en los extremos del colector haya una peacuterdida de superficie reflexiva
uacutetil La existencia del aacutengulo de incidencia tambieacuten afecta a los valores de la
reflectividad absortividad y transmisividad ya que estos paraacutemetros presentan su
valor maacuteximo cuando el aacutengulo de incidencia es 0deg (Hidalgo 2012)
172 Peacuterdidas oacutepticas Se deben a imperfecciones en los materiales que componen
el colector la superficie del concentrador no es un reflector perfecto ni el vidrio del
tubo absorbedor es completamente transparente ni el recubrimiento selectivo del
tubo metaacutelico es un absorbedor perfecto Los cuatro paraacutemetros que intervienen en
las peacuterdidas oacutepticas de un canal paraboacutelico son la reflectividad de los espejos
paraboacutelicos la absortancia del tubo metaacutelico la transmitancia de la cubierta de vidrio
y el factor de interceptacioacuten (Hidalgo 2012)
Reflectancia ρ no toda la energiacutea incidente es reflejada hacia el tubo
absorbedor
Absortancia α cantidad de radiacioacuten que absorbe la superficie selectiva del
tubo metaacutelico
Transmitancia 120591 de aquella radiacioacuten que intercepta el tubo de vidrio solo
una parte consigue atravesarlo
Factor de interceptacioacuten γ no toda la radiacioacuten reflejada por los espejos
acaba incidiendo sobre el tubo absorbedor Las causas son diversas imperfecciones
en los espejos un mal posicionamiento de los colectores etc
173 Peacuterdidas teacutermicas Principalmente se encuentran asociadas a dos elementos
del sistema el tubo absorbedor y las tuberiacuteas de fluido teacutermico Las perdidas
asociadas estaacuten formadas por perdidas por conduccioacuten por conveccioacuten y por
radiacioacuten de los diferentes medios que conforman el conjunto del tubo absorbedor
es decir por el tubo metaacutelico la cubierta de cristal y la atmosfera De manera que
la potencia teacutermica disipada en el colector equivale a la suma de las peacuterdidas teacutermicas
en el receptor y las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas por donde circula el fluido
teacutermico (HTF) (Hidalgo 2012)
18
Peacuterdidas teacutermicas en el aceite teacutermico (HTF)
Las peacuterdidas teacutermicas asociadas al tubo absorbedor (119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905) se deben a la
diferencia de temperaturas entre eacuteste y el ambiente pudiendo ser por conduccioacuten
por radiacioacuten y por conveccioacuten desde el tubo absorbedor al ambiente Aunque cada
una de estas peacuterdidas podriacutea calcularse aplicando las ecuaciones que rigen los
mecanismos de transferencia de calor antes mencionados en la praacutectica las
peacuterdidas teacutermicas globales en un colector se cuantifican mediante ecuaciones
experimentales (Hidalgo 2012)
18 Rendimiento de un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Como consecuencia de todas las peacuterdidas oacutepticas geomeacutetricas y teacutermicas que
existen en un CCP la energiacutea teacutermica uacutetil que da un CCP es menor que la que dariacutea
en condiciones ideales cuando no existieran dichas peacuterdidas
En un CCP se suelen definir tres rendimientos diferentes y un paraacutemetro
I) Rendimiento oacuteptico con un aacutengulo de incidencia de 0ordm (rendimiento oacuteptico pico)
Tiene en cuenta todas las peacuterdidas oacutepticas que tienen lugar en el colector con un
aacutengulo de incidencia de 0ordm Su valor viene dado por el producto de estos cuatro
factores reflectividad de los espejos transmisividad del tubo de vidrio factor de
interceptacioacuten (que tiene en cuenta la parte de radiacioacuten reflejada que por cualquier
causa no alcanza el absorbente) y absortividad de la superficie selectiva que recubre
el tubo metaacutelico absorbente
II) Rendimiento teacutermico Considera todas las peacuterdidas teacutermicas que tienen lugar en
el colector
III) Rendimiento global Considera todas las peacuterdidas tanto oacutepticas como
geomeacutetricas y teacutermicas que tienen lugar en el colector
IV) Modificador por aacutengulo de incidencia Considera todas las peacuterdidas oacutepticas y
geomeacutetricas que tienen lugar en el colector para un aacutengulo de incidencia ϕ ne 0ordmy que
no se tienen en cuenta en rendimiento oacuteptico (peacuterdidas geomeacutetricas de final de
colector bloqueo de la radiacioacuten concentrada por parte de los soportes del tubo
absorbente e influencia del aacutengulo de incidencia en la absortividad y transmisividad
del tubo absorbente y en la reflectividad de los espejos) (Paredes 2012)
19 Disentildeos hiacutebridos
En general las formas de concentracioacuten de la energiacutea solar se pueden dividir en
tecnologiacuteas lineales y de enfoque puntual Los canales paraboacutelicos y los colectores
lineales Fresnel pertenecen a las tecnologiacuteas de enfoque lineal mientras que las
tecnologiacuteas de enfoque de puntos principales son el receptor central (torre solar) y el
reflector paraboacutelico (disco) Desde el punto de la disponibilidad del mercado y el
estado actual de desarrollo para el presente estudio de caso se han elegido las
siguientes tres opciones de tecnologiacutea Lineal Fresnel (LF) Ciliacutendrico Paraboacutelico
19
(CCP) y Torre Central (STC) Para todas las opciones de CSP nombradas hay
diferentes configuraciones de tecnologiacuteas posibles cuyo rango se muestra en la tabla
1 (E Burin 2016)
Tabla 1 Rangos para las 3 tecnologiacuteas posibles
Unidad LF CCP STC
Fluido teacutermico
(HTF)
- Aceite teacutermico
Agua
Sal
Aceite teacutermico
Agua
sal
Agua
Sal
Aire
Concentracioacuten - 25-100 70-80 300-1000
Rango de
temperatura
oC 380-600(ST) 380-600(ST) 565(ST)
Performance MWel 10-200 10-200 10-150
Capacidad de
corriente instalada
1 88 11
Proporcioacuten de las
obras (2012)
6 75 18
(ST) Steam Turbine
Fuente(Reuszlig 2012 Pitz-Paal 2013 REN 2013)
Debido a la diferente etapa de desarrollo teacutecnico de las tres tecnologiacuteas de CSP y
sus HTF para el estudio de caso se examinaron las siguientes combinaciones CCP
(aceite teacutermico) LF (agua vapor) y STC (agua vapor)
En cuanto a los disentildeos de integracioacuten de las tres tecnologiacuteas de CSP elegidas
desde el punto de vista termodinaacutemico es esforzarse por alcanzar un nivel de
temperatura lo maacutes alto posible para el calor solar agregado Por esa razoacuten el calor
solar agregado se usoacute aquiacute para proporcionar calor para el precalentamiento del agua
de alimentacioacuten a alta presioacuten asiacute como para la produccioacuten paralela de vapor
saturado y vapor vivo en paralelo con los generadores de vapor de bagazo Los
diagramas de flujo de proceso de los tres disentildeos de integracioacuten se muestran en la
siguiente figura
20
Figura 9 Diagramas de flujo de proceso de los tres disentildeos de integracioacuten posibles
En el disentildeo 1 el calor solar reemplaza completamente la extraccioacuten a alta presioacuten
de la turbina CEST Para este propoacutesito el campo solar proporciona en el punto de
disentildeo un rendimiento teacutermico equivalente a la demanda de calor requerida para el
calentador de agua de alimentacioacuten de alta presioacuten Debido al modo de operacioacuten de
ahorro de combustible este reemplazo y la cantidad reducida de bagazo quemado
afecta el rendimiento de la turbina CEST asiacute como la liacutenea de calentamiento del agua
de alimentacioacuten Debido a que no se realiza la extraccioacuten de vapor de alta presioacuten en
el tiempo en que el campo este trabajando se seleccionoacute las tecnologiacuteas CCP y LF
Cabe sentildealar que no es posible una operacioacuten de solo solar
El disentildeo de integracioacuten 2 permite una produccioacuten paralela de vapor saturado con
calor solar para reducir el consumo de bagazo Por lo tanto parte del flujo de masa
de agua de alimentacioacuten principal que va a los generadores de vapor se desviacutea Este
flujo maacutesico secundario pasa en el caso de CCP a traveacutes de un generador de vapor
solar tiacutepico mientras que en el caso de la LF se alimenta directamente al campo
solar En ambos casos se produce vapor saturado a 67 bar que luego se une al flujo
de masa principal dentro de los generadores de vapor para el sobrecalentamiento
En consecuencia el disentildeo de integracioacuten 2 solo afecta el rendimiento de los
21
generadores de vapor mientras que las condiciones de vapor vivo permanecen
iguales Al mantener el estudio de caso cerca de la viabilidad teacutecnica deben
respetarse las condiciones teacutecnicas de contorno de los generadores de vapor Con
el fin de evitar fuertes desequilibrios en estos componentes se asumioacute que se permite
reducir la carga del generador de vapor a un nivel miacutenimo del 85 Del mismo modo
este disentildeo no permite una operacioacuten solo solar
En el disentildeo de integracioacuten 3 el calor solar desplaza al generador de vapor de
carga teacutermica Una parte del agua de alimentacioacuten se deriva de los generadores de
vapor A medida que pasa a traveacutes del sistema de torre solar se produce vapor
sobrecalentado a 520 deg C y 67 bar Esta integracioacuten afecta solo el rendimiento teacutermico
de los generadores de vapor mientras que el ciclo agua vapor se opera en modo
normal En comparacioacuten con el disentildeo de integracioacuten 2 la operacioacuten de los
generadores de vapor se simplifica Eso significa que los generadores de vapor
funcionan aquiacute con una carga parcial normal de 100 a 65 de carga Con respecto
a eso al permitir una carga miacutenima del generador de vapor del 65 en el punto de
disentildeo solar la torre solar fue disentildeada para proporcionar todo el calor restante
necesario Cabe sentildealar que para el disentildeo de integracioacuten 3 es posible una
operacioacuten solo solar cuando la instalacioacuten de cantildea de azuacutecar estaacute fuera de servicio
Tabla 2 Muacuteltiplo solar simulado seguacuten la tecnologiacutea de CSP
Disentildeo Tecnologiacutea Muacuteltiplo solar
simulado
Disentildeo 1 CCP
LF
09 - 14
08 - 14
Disentildeo 2 CCP
LF
09 - 13
08 - 14
Disentildeo 3 STC 08 - 40
Seleccioacuten del Disentildeo y la tecnologiacutea
Luego del anaacutelisis acerca del disentildeo y la tecnologiacutea a emplear en este proyecto se
decidioacute elegir la tecnologiacutea de colectores ciliacutendricos paraboacutelicos (CCP) y el disentildeo
nuacutemero 1 Los colectores de canal paraboacutelico son los maacutes empleados en el mundo
actualmente y lleva siendo instalada a nivel comercial desde los antildeos 80 con un
excepcional comportamiento Desde entonces ha experimentado importantes
mejoras a nivel de costes y rendimientos Hoy diacutea hay maacutes de 1 GWe en operacioacuten
maacutes de 800 MWe en construccioacuten y maacutes de 2 GWe en promocioacuten a nivel mundial
22
Para las condiciones de nuestro paiacutes esta tecnologiacutea pudiera ser la maacutes factible y
segura tambieacuten contamos en Cuba con industrias que poseen capacidad
maquinaria y herramientas para llegar a construir gran parte del equipo como las
bases y estructuras metaacutelicas teniendo que importarse solamente el tubo
absolvedor Reduciendo esto los costos en gran medida ejemplo de esto es la faacutebrica
de antena de Santa Clara que ya han construido maquetas de un equipo de esta
tecnologiacutea y se encuentran en condiciones de comenzar una produccioacuten a mayor
escala
110 Influencia de la industria azucarera en Cuba
La escasez de recursos energeacuteticos primarios junto con la afectacioacuten ambiental
resultante de la utilizacioacuten irracional de la energiacutea asociada a la actividad humana
obliga a la buacutesqueda de fuentes alternativas en especial fuentes renovables de
energiacutea La biomasa ha sido fuente de energiacutea desde tiempos inmemoriales fue de
hecho el primer combustible que empleoacute el hombre pero no obstante sus milenios
de utilizacioacuten la biomasa continuacutea ocupando un lugar importante en la matriz
energeacutetica a nivel mundial y continuaraacute sieacutendolo La biomasa es un combustible
renovable se encuentra ampliamente distribuida a nivel mundial y resulta en muchas
ocasiones un subproducto de ciertos procesos productivos (agriacutecolas e industriales)
En Cuba existen diferentes tipos de biomasa con posibilidades econoacutemicas de
empleo entre las maacutes importantes estaacuten el bagazo y los residuos agriacutecolas de la
cantildea de azuacutecar la lentildea y el raleo de los bosques el marabuacute la cascara de arroz y
los residuos del cafeacute En la proyeccioacuten estrateacutegica de la generacioacuten de electricidad en
Cuba para el 2030 se considera que las fuentes renovables de energiacutea alcanzaran
el 24 del total (en la actualidad representan el 43 ) y la biomasa representaraacute el
14 del total por lo que ella representaraacute el 58 de la electricidad obtenida con
fuentes renovables Este proceso de generacioacuten de electricidad con biomasa se
centraraacute casi totalmente en la industria azucarera lo que conlleva a un problema
fundamental que consiste en que la zafra se realiza en tan solo 5 meses
aproximadamente y se necesita que la generacioacuten sea durante todo el antildeo En la
actualidad existen tecnologiacuteas disponibles y posibilidades para su empleo que
permiten valorar diferentes alternativas para incrementar sustantivamente el
potencial de generacioacuten eleacutectrica de los centrales azucareros como son las
bioeleacutectricas las cuales se plantea la instalacioacuten de alrededor de 25 en toda Cuba lo
que requiere de un suministro adicional de combustible para el resto del antildeo en que
no hay zafra Para esto planteamos en este trabajo la hibridacioacuten con un campo termo
solar que permita el ahorro de combustible y su posterior uso en los meses en que
no hay zafra
En nuestro paiacutes se sigue una poliacutetica de desarrollo sostenible y se ha comenzado
una serie de proyectos en la industria azucarera buscando modificaciones que
permitan un aumento en la energiacutea generada por toneladas de cantildea molida Para
23
esto se valoran aspectos como la variacioacuten de los paraacutemetros de explotacioacuten (presioacuten
y temperatura) de las plantas generadoras y las que consumen vapor mejorar el
secado del bagazo que se quema en las calderas hibridar los generadores de vapor
con energiacutea solar y aumentar la entrega al SEN haciendo un uso eficiente de la
electricidad que se consume asiacute como evitar las paradas imprevistas
Las Bioeleacutectricas suscitan hoy creciente intereacutes en el mundo y en Cuba ante la
necesidad de produccioacuten de energiacutea compatible con el medio ambiente Actualmente
una decena de naciones son paradigmas en el uso de esas instalaciones Isla
Reunioacuten India Isla Mauricio Australia Isla Guadalupe Belice Guatemala Estados
Unidos Costa Rica China y particularmente Brasil que posee 160 de 188 existentes
en el orbe Globalmente estas unidades tienen un potencia instalada de maacutes 2800
megavatios y de esa cifra al menos dos mil corresponden a Brasil secundado en
cuanto a cantidad de Bioeleacutectricas por India (14) Isla Mauricio (3) Isla Reunioacuten (2)
mientras que los restantes paiacuteses mencionados poseen una individualmente
(Salomoacuten 2016)
111 Propuesta para la hibridacioacuten de la bioeleacutectrica con energiacutea renovable
En el paiacutes se lucha hoy por un acercamiento hacia las tecnologiacuteas de energiacutea
renovables Con el propoacutesito de convertir todos los sistemas de generacioacuten de
energiacutea eleacutectrica en sistemas maacutes compatibles con el medio ambiente La hibridacioacuten
de la caldera del central George Washington consiste en disentildear un campo de
Colectores Ciliacutendricos Paraboacutelicos prototipo (EUROTrough-150) Con el fin de elevar
la temperatura del agua proveniente del proceso hasta los 260 oC e inyectarla al
economizador de la caldera para ahorrar bagazo que pudiera ser utilizado en los
restantes meses del antildeo cuando no hay zafra para la produccioacuten de energiacutea eleacutectrica
y su entrega al sistema energeacutetico nacional En el siguiente esquema se muestra la
propuesta planteada para la hibridacioacuten
24
Figura 10 Esquema de la hibridacion con colectores solares
25
Seguacuten un documento sobre eficiencia energeacutetica emitido por el Instituto Cubano de
Investigaciones Azucareras (ICINAZ) a todos los centrales del paiacutes se hace relacioacuten
en cuanto a la temperatura del agua de alimentacioacuten de la caldera y cuanto incide
esto en la eficiencia de dicha caldera Quedando que por cada 5 ordmC que se
incrementa la temperatura del agua de alimentacioacuten se incrementa 1 la eficiencia
de la caldera Siendo esto una justificacioacuten razonable para la propuesta planteada
que eleva la temperatura del agua de alimentacioacuten de 166 ordmC a 260 ordmC Alterando
la temperatura unos 94 ordmC influyendo esto en el aumento de la eficiencia en 18
puntos porcentuales
Conclusiones parciales
En este capiacutetulo se realizoacute una amplia revisioacuten bibliograacutefica que abordoacute el estado
del arte y avances tecnoloacutegicos maacutes importantes para los temas relacionados con
esta investigacioacuten que fueron el de energiacutea solar teacutermica y todo lo relacionado con
las bioeleacutectricas a nivel mundial y en nuestro paiacutes Tambieacuten se realizoacute un anaacutelisis
exhaustivo para la determinacioacuten de la tecnologiacutea de sistemas de concentracioacuten
solar lo que resulto que el sistema de Colectores Ciliacutendricos Paraboacutelicos prototipo
EUROTrough-150 es el maacutes factible para su instalacioacuten en Cuba y posteriormente
pudiera ser fabricado por industrias nacionales El disentildeo de incorporacioacuten del
campo al esquema termodinaacutemico de la bioeleacutectrica resulto ser maacutes factible y de
menores transformaciones tecnoloacutegicas en la estructura del central el de
incorporarlo antes de la caldera y que este inyecte el agua calentada directamente
al economizador realizando el salto teacutermico del agua en un intercambiador de calor
existente en la interseccioacuten del campo con la tuberiacutea del agua proveniente de las
bombas
26
Capiacutetulo 2 Materiales y Meacutetodos En este capiacutetulo se describen los programas y foacutermulas utilizadas para el caacutelculo de los objetivos planteados
La presente investigacioacuten se realizoacute desde enero hasta mayo del 2018 Para la realizacioacuten de los caacutelculos se utilizaron los softwares Engineering Equation Solver (EES) (2004) Matlab (2010) y Excel (2016)
Tabla 3 Condiciones de frontera para la bioeleacutectrica
21 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB uml George Washington uml
En este apartado se realizaraacute la evaluacioacuten del recurso solar disponible en el emplazamiento analizado El estudio del potencial solar en el emplazamiento consiste en el anaacutelisis de los datos de radiacioacuten disponibles el tratamiento de los mismos la estimacioacuten de las variabilidades asociadas y el caacutelculo de la produccioacuten una vez consideradas todas las peacuterdidas A la hora de evaluar el recurso solar y a falta de una medida precisa y especiacutefica en el propio emplazamiento se ha recurrido a diversas fuentes para la obtencioacuten de datos de radiacioacuten con el fin de realizar un ajuste estadiacutestico de los mismos y minimizar los errores asociados a ellos
Para el caacutelculo del potencial solar en la zona del central umlGeorge Washingtonuml fue necesario calcular la radiacioacuten solar directa (DNI) que incide en ese lugar y la duracioacuten diurna del diacutea
211 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa
Para el caacutelculo de la radiacioacuten solar directa en la zona de la UEB uml George Washington uml se tomaron como coordenadas de referencia la latitud y la longitud Lat 22587 Long -80244
Para ello se utilizaron modelos estadiacutesticos que permitieron obtener varios valores de radiacioacuten solar directa (DNI) teniendo en cuenta la posicioacuten geograacutefica del lugar y el diacutea del antildeo que se analiza dicha radiacioacuten En este caso se usoacute la foacutermula para condiciones normales
DNI = 1230 ∙ e^ (minus1
38∙cos∙(120579120579120579minus16)) (1)
27
Doacutende
Aacutengulo de incidencia solar θs El valor del aacutengulo de incidencia (θs) sobre la normal a una superficie plana estaacute dado por la siguiente foacutermulaθs
120579119904 = cosminus1(sin 119889 ∙ sin 119871 ∙ cos 119904 minus sin 119889 ∙ cos 119871 ∙ sin 119904 ∙ cos 119892 + cos 119889 cos 119871 ∙ cos 119904 ∙ cos 119908 +cos 119889 ∙ sin 119871 ∙ sin 119904 ∙ cos 119908 ∙ cos 119892 + cos 119892 ∙ sin 119904 ∙ sin 119892 ∙ sin 119908) (2)
Doacutende
d- Aacutengulo de declinacioacuten L- Latitud geograacutefica s- Inclinacioacuten del colector g- Orientacioacuten del colector w- Aacutengulo horario
212 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea (nuacutemero de horas en que el sol estaacute
sobre el horizonte)
119915 = 120784 ∙119934119930
120783120787 (3)
Doacutende
119830119826 = 119836119848119852minus120783(minus 119853119834119847 119923 ∙ 119853119834119847 119941) (4)
L-Latitud geograacutefica
d-Declinacioacuten
Se compararon los resultados de DNI por la metodologiacutea utilizada en este trabajo con la base de datos de la NASA (httpeosweblarcnasagovsse 2017)
Aun asiacute los lugares para desarrollar aplicaciones de energiacutea solar teacutermica por concentracioacuten deben cumplir con unos estaacutendares de acuerdo a la radiacioacuten solar perpendicular a la superficie incidente sobre un metro cuadrado para que sea eficiente dicha instalacioacuten lo cual se valora de la siguiente manera
Se tuvieron en cuenta los valores de radiacioacuten solar directa (kWm2diacutea) (GESIME 2014)
No idoacuteneos Hasta 1700 kWhmsup2antildeo (47 kWhmsup2diacutea)
Idoacuteneos Entre 1700 y 2700 kWhmsup2antildeo (47 y 74 kWhmsup2diacutea)
Oacuteptimos Maacutes de 2700 kWhmsup2antildeo (74 kWhmsup2diacutea)
28
213 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
El colector ciliacutendrico paraboacutelico que se propuso fue el (Eurotrough-150) cuyas caracteriacutesticas se observaran en la tabla4 y figura 11
Tabla 4 Caracteriacutesticas del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico Eurotrough-150 (ET-150)
Figura 11 Prototipo EUROTrough en la Plataforma Solar de Almeriacutea Espantildea
Para el caacutelculo del rendimiento global de un Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico hay que realizar un balance energeacutetico teniendo en cuenta las peacuterdidas que suceden en el mismo
Caracteriacutesticas um
Ancho de apertura 577 m
Longitud total de cada colector 150 m
Aacuterea de apertura del colector 8175 m2
Longitud focal 171 m
Longitud del absorbedor 41 m
Radio exterior del absorbedor 0035 m
Radio interior del absorbedor 00325 m
Distancia entre filas de colectores 17 m
Rendimiento Oacuteptico pico 78
Factor de ensuciamiento 95
Disponibilidad 97
29
214 Peacuterdidas geomeacutetricas
La geometriacutea del canal paraboacutelico lleva asociada una disminucioacuten del aacuterea efectiva de captacioacuten Estas peacuterdidas se dividen en dos grupos Peacuterdidas debidas a la posicioacuten relativa de los colectores los cuales se pueden dar sombra unos a otros Peacuterdidas inherentes a cada colector son las debidas al aacutengulo de incidencia de
la radiacioacuten solar (g) respecto a la normal del plano de apertura del colector (figura
12)
Figura 12 Aacutengulo de incidencia en un Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
Como consecuencia de este aacutengulo existe una peacuterdida de superficie reflexiva uacutetil en los extremos del colector Por tanto el aacutengulo de incidencia tiene gran importancia sobre el comportamiento teacutermico del colector puesto que limita la cantidad de radiacioacuten solar que se puede aprovechar Se hizo una comparacioacuten del aacutengulo de incidencia en cuanto a la orientacioacuten y el seguimiento solar del colector ciliacutendrico paraboacutelico
Si la orientacioacuten (g) es de Norte-Sur con seguimiento solar Este-Oeste g = 0ordm
Si la orientacioacuten (g) es de Este-Oeste con seguimiento solar Norte-Sur g = 90ordm
Declinacioacuten seguacuten foacutermula de Cooper (Ribot J 2001)
119889 = 2345 ∙ 119904119890119899 [360 ∙(284+119899)
365] (5)
Siendo ldquonrdquo el nuacutemero de diacutea natural para el 1 de enero n=1 y para el 31 de diciembre
n=365
El aacutengulo horario se calcula seguacuten la foacutermula
30
120591 = 15deg ∙ (ℎ119904 minus 12) (6)
Siendo ldquohsrdquo las horas de reloj El valor es negativo por la mantildeana y positivo tras el mediodiacutea y cero al mediodiacutea solar
Se consideroacute el aacutengulo horario 0ordm por ser el mediodiacutea solar donde maacutes radiacioacuten incide sobre la tierra con el objetivo de simplificar los caacutelculos
Se consideroacute el aacutengulo de inclinacioacuten igual a 0ordm (disposicioacuten horizontal) por ser maacutes eficiente
La latitud del lugar en estudio (UEB uml George Washington uml) Santo Domingo es de 22587ordm
Las peacuterdidas asociadas al aacutengulo de incidencia son miacutenimas cuando el aacutengulo es
0ordm cos 120579119904 = 1 y maacuteximas cuando es 90ordm Por tanto cuanto menor sea el aacutengulo de incidencia mayor es la energiacutea solar incidente sobre el colector y mayor es el rendimiento del mismo
215 Peacuterdidas oacutepticas
Caacutelculo del rendimiento oacuteptico pico del colector 120578119900119901119905119874119900 que es aquel que tiene en
cuenta todas las peacuterdidas oacutepticas que tienen lugar en el captador con un aacutengulo de incidencia de 0ordm 120578119900119901119905119874119900 = 120588 ∙ 120574 ∙ 120591 ∙ 120572 (7)
Donde
120588 Reflectancia no toda la energiacutea incidente es reflejada hacia el tubo absorbedor
120574 Factor de interceptacioacuten no toda la radiacioacuten reflejada por los espejos acaba incidiendo sobre el tubo absorbedor Las causas son diversas imperfecciones en los espejos un mal posicionamiento de los colectores etc
120591 Transmitancia de aquella radiacioacuten que intercepta el tubo de vidrio solo una parte consigue atravesarlo
α Absortancia cantidad de radiacioacuten que absorbe la superficie selectiva del tubo metaacutelico
Ademaacutes de las peacuterdidas debidas al aacutengulo de incidencia existen otras peacuterdidas que se asocian a dicho aacutengulo El efecto del aacutengulo de incidencia en el rendimiento del CCP se cuantifica mediante el modificador por aacutengulo de incidencia 119870(120579119904) Eacuteste considera todas las peacuterdidas oacutepticas y geomeacutetricas que tienen lugar en el captador
para un aacutengulo de incidencia 120579119904 ne 0ordm y que no se tienen en cuenta en el rendimiento oacuteptico pico
31
El modificador por el aacutengulo de incidencia depende directamente del aacutengulo de
incidencia siendo 119870(120579119904) = 1 para 120579119904 = 0deg y siendo 119870(120579119904) =0 para 120579119904 = 90deg y se
obtiene como funcioacuten de eacuteste seguacuten la expresioacuten
119870(120579119904) = 1 minus 223073 ∙ 10minus4 ∙ (120579119904) minus 11 ∙ 10minus4 ∙ (1205791199042) + 318596 ∙ 10minus6 ∙ (120579119904
3) minus 485509 ∙
10minus9 ∙ (1205791199044) (8)
216 Peacuterdidas teacutermicas
Las peacuterdidas teacutermicas que tiene lugar en un CCP dan como consecuencia que la energiacutea teacutermica uacutetil sea menor que la energiacutea solar absorbida por el colector Teniendo en cuenta esto la potencia teacutermica uacutetil por colector seraacute igual la diferencia entre los calores absorbido y perdido
119906119905119894119897 = 119886119887119904 minus 119901119890119903119889 (9)
Doacutende
119906119905119894119897 ∶ 119875119900119905119890119899119888119894119886 119905eacute119903119898119894119888119886 uacute119905119894119897 119901119900119903 119888119900119897119890119888119905119900119903 (119882)
119886119887119904 119862119886119897119900119903 119886119887119904119900119903119887119894119889119900 119901119900119903 119890119897 119891119897119906119894119889119900 119889119890 119905119903119886119899119904119891119890119903119890119899119888119894119886 119889119890 119888119886119897119900119903 (119867119879119865) (119882)
119901119890119903119889 119875eacute119903119889119894119889119886119904 119905eacute119903119898119894119888119886119904 119889119890119897 119867119879119865 119886119897 119886119898119887119894119890119899119905119890 (119882)
Peacuterdidas teacutermicas en el aceite teacutermico (HTF) Las peacuterdidas teacutermicas se producen a lo largo del circuito por donde se mueve el fluido teacutermico principalmente en dos lugares en el tubo absorbedor y en las tuberiacuteas del campo de colectores De manera que la potencia teacutermica disipada en el colector equivale a la suma de las peacuterdidas teacutermicas en el receptor y las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas por donde circula el fluido teacutermico (HTF)
119876119901119890119903119889 = 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 + 119875119890119903119889119905119906119887119890119903 (10)
Las peacuterdidas teacutermicas asociadas al tubo absorbedor 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 se deben a la diferencia de temperaturas entre eacuteste y el ambiente pudiendo ser por conduccioacuten por radiacioacuten y por conveccioacuten desde el tubo absobedor al ambiente Aunque cada una de estas peacuterdidas podriacutea calcularse aplicando las ecuaciones que rigen los mecanismos de transferencia de calor antes mencionados en la praacutectica las peacuterdidas teacutermicas globales en un colector se cuantifican mediante ecuaciones experimentales Asiacute las peacuterdidas teacutermicas en el tubo absorbedor por metro longitudinal de colector vienen dadas por la ecuacioacuten
119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 =1198751198901199031198891+1198751198901199031198892+1198751198901199031198893+1198751198901199031198894
119879119904minus119879119890 (11)
32
Doacutende
1198751198901199031198891 = (1198600 + 1198605 ∙ radic119907) ∙ (119879119904 minus 119879119890) (12)
1198751198901199031198892 = (1198601 + 1198606 ∙ radic119907) ∙ (119879119904
2minus1198791198902
2minus 119879119886119898119887 ∙ (119879119904 minus 119879119890)) (13)
1198751198901199031198893 = (1198602+1198604∙119863119873119868∙119870(120579119904)∙cos(120579119904)
3∙ (119879119904
3 minus 1198791198903)) (14)
1198751198901199031198894 =1198603
4∙ (119879119904
4 minus 1198791198904) (15)
Siendo
119879119904 Temperatura del HTF a la salida del campo solar
119879119890 Temperaturas del HTF a la entrada del campo solar
119879119886119898119887 Temperatura ambiente
119907 Velocidad del viento (ms)
Los coeficientes empleados en las foacutermulas se recogen en la tabla 5
Tabla 5 Coeficientes de peacuterdidas teacutermicas
A0 405
A1 0247
A2 -000146
A3 565E-06
A4 762E-08
A5 -17
A6 00125
En general las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas (119875119890119903119889119905119906119887119890119903 ) del campo de colectores son pequentildeas del orden de 8 Wm2 Finalmente la potencia teacutermica disipada por el aceite teacutermico a su paso por un colector es
33
119901119890119903119889 = 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 ∙ 119871119888119900119897119890119888119905119900119903 + 119875119890119903119889119905119906119887119890119903 ∙ 119878119888 (16)
Doacutende
119878119888 Aacuterea de apertura del colector (Ver tabla 1)
Un colector como todos los sistemas de concentracioacuten de la energiacutea solar solo puede aprovechar la radiacioacuten solar que incide normal a su plano de apertura De esta forma la energiacutea solar por unidad de tiempo y en el punto de disentildeo que incide sobre la superficie de apertura de un CCP viene dada por la ecuacioacuten
119904119900119897 = 119863119873119868 ∙ cos(120579119904) ∙ 119878119888 (17)
La potencia absorbida por el colector 119886119887119904 va a ser menor que la 119904119900119897 ya que eacutesta uacuteltima no tiene en cuenta las peacuterdidas oacutepticas y geomeacutetricas en el colector ni la limpieza de los espejos ni la disponibilidad del campo solar La radiacioacuten solar absorbida en un colector CCP viene dada por la ecuacioacuten
119886119887119904 = 119863119873119868 ∙ cos(120579119904) ∙ 119878119888 ∙ 119870 ∙ (120579119904) ∙ Ƞ1199001199011199050ordm ∙ 119865119888 ∙ 119865119889119894119904119901 (18)
Siendo
119865119888 Factor de ensuciamiento de los espejos (95 )Tiene en cuenta que aunque los espejos se limpien no recuperan su estado inicial 119865119889119894119904119901 Factor de disponibilidad (97 ) Fraccioacuten del campo solar que estaacute en
operacioacuten y captando la energiacutea solar El rendimiento global de un CCP viene dado por el cociente entre el aumento de entalpia en el HTF a su paso por el colector y la energiacutea solar incidente sobre el captador
Ƞ119888119900119897119890119888 =119876119906119905119894119897
119876119904119900119897 (19)
22 Dimensionamiento del campo solar de la zona de la UEB uml George
Washington uml
El dimensionamiento del campo solar consiste en determinar el nuacutemero de CCPs (o nuacutemero de lazos) necesarios para aportar la energiacutea que demanda este en el punto de disentildeo (Hidalgo 2012)
Para dimensionar el campo solar es necesario evaluar las condiciones del terreno
donde se va a realizar el montaje de los colectores y hacer un balance energeacutetico
del generador de vapor solar
34
221 Caracterizacioacuten del terrero
Se tuvo en cuenta el relieve y el tamantildeo del terreno cercano al central lo que resulto favorable para abaratar la inversioacuten en cuanto a movimientos de tierra y compra de terrenos Los recursos hiacutedricos ya tienen una infraestructura creada puesto que son necesarios para el proceso que realiza la faacutebrica actualmente Esto se basa en posos que bombean el agua hasta los filtros donde se realiza el tratamiento externo al agua y van luego al proceso todo este sistema ya se encuentra instalado y en buenas condiciones lo que resulta de gran ayuda para el proyecto futuro de Bioeleacutectrica
222 Balance energeacutetico en el generador de vapor solar (GVS)
Para calcular el nuacutemero de lazos necesarios en el campo solar es preciso conocer primero la potencia teacutermica que puede aportar el campo solar en el punto de disentildeo esto se determina mediante la foacutermula
119888119886119898119901119900 =119882119890119897119890119888119905
120578119905119906119903119887 (20)
Doacutende
119888119886119898119901119900 Potencia teacutermica del campo solar
119882119890119897119890119888119905 Potencia eleacutectrica de la turbina
120578119905119906119903119887 Eficiencia termo-mecaacutenica de la turbina (Se asumioacute de 68)
Seguidamente hay que establecer el balance de masas y energiacutea en el Generador de vapor solar (GVS) El GVS se disentildea para recuperar la energiacutea del fluido teacutermico procedente del campo solar Para el intercambiador de calor (GVS) se cumple que la cantidad de calor transferido por unidad de tiempo permanece constante o lo que es lo mismo la energiacutea total es la misma antes y despueacutes de cada transformacioacuten El balance energeacutetico en un intercambiador de calor se resuelve mediante la ecuacioacuten
119886119892119906119886 ∙ ∆119867119886119892119906119886 = 119886119888119890119894119905119890 ∙ ∆119867119886119888119890119894119905119890 (21)
Ademaacutes para cada fluido de forma individual se cumple que
= 119886119888119890119894119905119890 ∙ 119862119901119886119888119890119894119905119890∙ ∆119879 = 119898119886119888119890119894119905119890 ∙ (ℎ119904 minus ℎ119890) (22)
Doacutende
∆H Diferencia de entalpiacuteas a la entrada y a la salida del intercambiador (kJkg)
Q Potencia teacutermica intercambiada (kW)
35
m Caudal maacutesico (kgs) Cp Calor especiacutefico (kJkg ordmC)
∆T Diferencia de temperaturas a la entrada y la salida del intercambiador (ordmC) hs he Entalpiacuteas a la entrada y a la salida respectivamente (kJKg) Y seguacuten el teorema de conservacioacuten de la masa se tiene que
119890119899119905119903119886 = 119904119886119897119890
223 Caacutelculo del nuacutemero de lazos
Los caacutelculos que se han desarrollado en los acaacutepites anteriores constituyen los datos de partida para el caacutelculo del nuacutemero de colectores requeridos en el campo solar para poder alcanzar la potencia teacutermica demandada al campo solar
Caracteriacutesticas del aceite teacutermico (HTF)
El aceite teacutermico que se ha empleado como fluido calo-portador es Therminol VP-1 cuyo rango de temperatura de trabajo se encuentra entre 12-400ordmC La temperatura a la salida del campo solar no debe excederse de los 400ordmC ya que para temperaturas superiores el aceite se degrada y pierde sus propiedades teacutermicas A continuacioacuten se presentan las graacuteficas correspondientes a variacioacuten de densidad y entalpiacutea del aceite teacutermico Therminol VP-1 con la temperatura figuras 13 y 14 respectivamente y que han sido elaboradas a partir de datos del fabricante
Figura 13 Therminol VP-1 Entalpiacutea vs Temperatura
36
Figura 14 Therminol VP-1 Densidad vs Temperatura(Hidalgo 2012)
Para determinar el nuacutemero de lazos necesarios en el campo solar se ha seguido la siguiente metodologiacutea de caacutelculo
Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF
Incremento de temperatura del HTF en un colector
Nuacutemero de colectores necesarios por lazo Nuacutemero de lazos en el campo solar
224 Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF por cada lazo
El caudal de aceite estaacute controlado por la temperatura de salida del campo Cuando la radiacioacuten solar es baja el flujo se reduce con el objetivo de mantener la temperatura de salida del campo y por el contrario cuando la radiacioacuten solar es superior a la del punto de disentildeo los colectores se desenfocan para evitar que el aceite exceda los 393ordmC La velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor se calcula a partir de la expresioacuten del nuacutemero de Reynolds
119877119890 =119907∙119863∙120588
120583 (23)
Doacutende
119907 Velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor (ms) (Se asumioacute una
velocidad de 3 ms la cual es una velocidad econoacutemica)
119877119890 Nuacutemero de Reynolds (-)
120583 Viscosidad dinaacutemica del HTF a la temperatura media de trabajo (Pas)
119863 Diaacutemetro interior del tubo absorbedor (m)
120588 Densidad del HTF a la temperatura media de trabajo (kgm3)
37
Para cumplir con los requisitos de flujo turbulento el caudal miacutenimo de aceite que circula por un lazo en el punto de disentildeo es
= 119907 ∙ 119878 ∙ 120588 (24)
Siendo S en m2 la seccioacuten transversal interior del tubo absorbedor
225 Incremento de temperatura del HTF en un colector
La potencia teacutermica uacutetil del colector se invierte en aumentar la temperatura del aceite De esta forma el incremento de temperatura que sufre el aceite teacutermico a su paso por un colector es decir desde que entra en el colector y hasta que sale del mismo es
∆119879119888119900119897119890119888 = 119879119904 minus 119879119888 =uacute119905119894119897
∙119862119901 (25)
∆119879119888119900119897119890119888 Incremento de temperatura del aceite teacutermico en el colector (ordmC)
119879119888 119879119904 Temperatura del HTF a la entrada y a la salida del colector respectivamente
(ordmC)
119906119905119894119897 Potencia teacutermica uacutetil por colector (W)
Caudal maacutesico de aceite teacutermico por colector (kgs)
119862119901 Calor especiacutefico del aceite teacutermico a la temperatura media de trabajo (kJkg ordmC)
226 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
El incremento total de temperatura del HTF por lazo ΔT lazo es igual a la diferencia entre las temperaturas a la salida y a la entrada del campo solar Por tanto el nuacutemero teoacuterico de colectores en serie por lazo seraacute igual a
119873119888119900119897119890119888 =∆119879119897119886119911119900
∆119879119888119900119897119890119888 (26)
119873119888119900119897119890119888 Nuacutemero teoacuterico de colectores por lazo
∆119879119897119886119911119900 Incremento de temperatura por lazo (ordmC)
Esto implica el salto teacutermico y caudal maacutesico por lazo que es necesario tener el aceite para asiacute poder alcanzar la temperatura de entrada del agua en el economizador
227 Nuacutemero de lazos en el campo solar
A diferencia del nuacutemero de colectores que viene fijado por el salto de temperatura del aceite teacutermico en el campo el nuacutemero de lazos paralelos que conforman el campo solar depende de la potencia teacutermica demanda por el campo El nuacutemero de lazos es igual al cociente entre la potencia teacutermica del campo solar y la potencia teacutermica uacutetil por colector
38
119925119949119938119963119952 =119940119938119950119953119952
uacute119957119946119949 119935119949119938119963119952 (27)
Doacutende
119925119949119938119963119952 Nuacutemero de lazos
119940119938119950119953119952 Potencia teacutermica del campo solar (kW)
uacute119957119946119949 Potencia teacutermica uacutetil por lazo (kW)
23 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un
antildeo)
Para el caacutelculo de las toneladas de CO2 dejadas de emitir se utilizaraacute el iacutendice de
generacioacuten de una planta convencional de combustible foacutesil que para Cuba es de
270 gkWh Con este iacutendice y el aumento de la produccioacuten de energiacutea eleacutectrica con
la incorporacioacuten del campo solar se calcularaacute el ahorro de combustible foacutesil y a este
valor de combustible sustituido y el uso de los factores de emisioacuten de CO2 mostrados
en la siguiente (tabla 6) se podraacute determinar cuaacutentas toneladas de CO2 es capaz de
evitar la instalacioacuten del campo solar
Tabla 6 Factores de emisioacuten de especies especificadas
Tecnologiacutea CO (gkgf) SO2 (gkgf) NO2eq (gkgf) PM10
(gkgf)
CO2
(kgkgf)
CIE-HFO 24 27 128 528 306
CIE-DO 12 4 84 195 313
Fuente (EPA 2004)
24 Factibilidad econoacutemica del proyecto
Para el caacutelculo de la rentabilidad econoacutemica se optimizoacute la dimensioacuten del campo solar que fuera maacutes rentable para este trabajo donde se tuvo en cuenta el nuacutemero de lazos necesarios del campo y la tasa interna de retorno
241 Valor actual neto (VAN)
El VAN permite calcular el valor presente de un determinado nuacutemero de flujos de caja futuros originados por una inversioacuten teniendo en cuenta la peacuterdida de valor del dinero en el tiempo a traveacutes de una tasa de descuento (Martiacutenez 2017) y se calcula mediante la siguiente ecuacioacuten
39
(28)
Donde
119868119900 Costo inicial de la inversioacuten FC Flujo de caja n El tiempo para el cual se requiere calcular el VAN i La tasa de descuento Meacutetodo de caacutelculo mediante el Excel Para calcular el VAN es necesario conocer el flujo de caja teniendo en cuenta los ingresos y los gastos Ingresos El ingreso es debido a la venta de energiacutea eleacutectrica a la red para ello se utilizoacute un precio de 021 (USDkWh) Ingresos por ventas
119868119899119892119903119890119904119900=119875119903119890119888119894119900 (119880119878119863119896119882ℎ)lowast119864119899119890119903119892iacute119886 (29) Gastos Costo fijo de operacioacuten y mantenimiento Se calcula primero la inversioacuten total mediante la ecuacioacuten siguiente
119894119899119907119890119903119904119894oacute119899 119905119900119905119886119897=119862119900119904119905119900 119906119899119894119905119886119903119894119900 119889119890 119894119899119907119890119903119904119894oacuten (119880119878119863119896119882119890)lowast119875119900119905119890119899119888119894119886 (kWe) (30) Entonces se calcula el costo fijo de operacioacuten y mantenimiento
119862119891=119894119899119907119890119903119904119894oacute119899 119905119900119905119886119897lowast02 (31) Donde
119862119891 Costo fijo de operacioacuten y mantenimiento
Costo variable de operacioacuten y mantenimiento
119862119907=119864119899119903119892iacute119886 (119896119882ℎ)lowast002(119880119878119863119896119882ℎ) (32)
Donde
119862119907 Es el costo variable de operacioacuten y mantenimiento A continuacioacuten se calcula la utilidad antes de impuesto que es la diferencia entre los ingresos y los costos de operacioacuten fijo y variable 119880119879119860=119894119899119892119903119890119904119900minus(119862119891+119862119907) (33)
Donde
119880119879119860 Es la utilidad antes de impuesto o neta Entonces el impuesto en Cuba es del 35 de la utilidad neta
40
119868119898119901119906119890119904119905119900=035lowast(119880119878119863) (34)
El flujo de caja quedariacutea como
119865119888=119880119879119860 (119880119878119863)minus119868119898119901119906119890119904119905119900 (119880119878119863) (35)
Teniendo el flujo de caja se puede calcular el VAN aplicando la tasa de descuento
del 10
Si VAN gt 0 El proyecto es rentable
Si VAN = 0 El proyecto es postergado
Si VAN lt 0 El proyecto no es rentable
242 Tasa interna de retorno (TIR)
Se define como la tasa de descuento que iguala el VAN a cero
Si TIR gt tasa de descuento (r) El proyecto es aceptable
Si TIR = tasa de descuento (r) El proyecto es postergado
Si TIR lt tasa de descuento (r) El proyecto no es aceptable La TIR es aquella tasa de descuento que iguala el valor actual de la corriente de cobros con el valor actual de la corriente de pagos por lo que es la tasa de descuento que hace al VAN igual a cero y puede utilizarse como indicador de la rentabilidad de un proyecto se utiliza como uno de los criterios para decidir sobre la aceptacioacuten o rechazo de un proyecto de inversioacuten (Martiacutenez 2017) y se puede expresar de la siguiente forma
(36) Para simplificacioacuten de los caacutelculos se utilizoacute el software Microsoft Excel que de forma iterativa busca este valor se utilizoacute la estimacioacuten de los flujos de caja para 25 antildeos al igual que para el caacutelculo del VAN
243 Periacuteodo de recuperacioacuten de la inversioacuten
El periacuteodo de recuperacioacuten se cumple cuando la suma de los flujos de caja consecutivos desde el primer antildeo da como resultado el valor de la inversioacuten pero teniendo en cuenta el efecto del tiempo sobre el dinero Calculado de esta manera se conoce como periacuteodo de recuperacioacuten de la inversioacuten descontado Para obtenerlo se hallaron todos los flujos de caja para 25 antildeos consecutivos que es el tiempo de estudio del proyecto entonces se le restoacute el descuento correspondiente a cada antildeo y se graficoacute el resultado quedando como una curva
41
Conclusiones parciales
En este capiacutetulo se realizoacute un estudio de la metodologiacutea de caacutelculo para la
realizacioacuten del dimensionamiento del campo solar para la tecnologiacutea de colectores
cilindro paraboacutelico para esto se escogioacute la metodologiacutea planteada por (Hidalgo
2012) Siendo fundamental el estudio de la radiacioacuten solar de la zona en que estaacute
situada la instalacioacuten Tambieacuten se tuvo en cuenta el acceso a los recursos hiacutedricos
y la cercaniacutea a la red eleacutectrica nacional lo cual no tuvo ninguna dificultad puesto
que donde se pretende ubicar el campo ya existe una instalacioacuten con todas estas
necesidades cubiertas que es el central al cual se pretende convertir en
bioeleacutectrica Luego de estos anaacutelisis y una vez dimensionado el campo solar se
realizoacute el caacutelculo de la rentabilidad econoacutemica seguacuten lo planteado por (Martiacutenez
2017) planteaacutendose como principales indicadores econoacutemicos el costo nivelado de
la energiacutea generada costo de inversioacuten VAN y TIR El impacto ambiental se tuvo
en cuenta mediante el caacutelculo de las emisiones de CO2 dejadas de emitir si la
energiacutea generada con el excedente de bagazo ahorrado por la insercioacuten del campo
hubiera sido generada por una planta teacutermica convencional
42
Capiacutetulo 3 Resultados y Discusioacuten
En este capiacutetulo se exponen los resultados de los caacutelculos efectuados y a la vez se
interpreta el porqueacute de estos asiacute como la discusioacuten de las bibliografiacuteas consultadas
31 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB umlGeorge Washington uml
311 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa
Para el caacutelculo de la radiacioacuten solar directa (DNI) primeramente se halloacute el aacutengulo
de declinacioacuten de cada mes Dicho aacutengulo se anuloacute para el 22 de Marzo y el 23 de
Septiembre puesto que ocurren los equinoccios momento del antildeo en que el sol estaacute
situado en el plano del ecuador terrestre y alcanzoacute el valor maacuteximo positivo el 22 de
Junio y el valor maacuteximo negativo el 22 de diciembre diacuteas en que ocurren los
solsticios que son los momentos del antildeo en los que el sol alcanza su mayor o menor
altura aparente en el cielo y la duracioacuten del diacutea o de la noche son las maacuteximas del
antildeo respectivamente (figura 15)
Figura 15 Aacutengulo de declinacioacuten para los diferentes meses del antildeo
Los valores de DNI que inciden en la zona de la UEB umlGeorge Washingtonuml se
mantuvieron como promedio por encima de 10 kWhm2diacutea seguacuten la metodologiacutea
de caacutelculo empleada siendo oacuteptimos para la instalacioacuten de este tipo de tecnologiacutea
Esto pudiera ser debido a que por la metodologiacutea de caacutelculo solo se tuvo en cuenta
la latitud geograacutefica y el diacutea del antildeo en que se analizoacute dicha radiacioacuten por esta
razoacuten se observoacute que sus valores fueron mayores que los valores de radiacioacuten solar
-30
-20
-10
0
10
20
30
Gra
dos s
exagesim
ale
s
Aacutengulo de declinacioacuten
43
directa que aporta la base de datos de la NASA (httpeosweblarcnasagovsse
2017) como promedio 506 kWhm2diacutea y los aportados por el Instituto de
Meteorologiacutea cubano para esta zona (como promedio 582 kWhm2diacutea) idoacuteneo para
este tipo de tecnologiacutea de los datos de radiacioacuten analizados se utilizoacute para los
caacutelculos siguientes de dimensionamiento del campo los aportados por el instituto de
meteorologiacutea cubano por ser los maacutes especiacuteficos y detallados de todas las fuentes
consultadas Algunos meses como noviembre y diciembre no alcanzan el valor
idoacuteneo de 47 kWhm2-diacutea sin embargo (La Rosa 2014) planteoacute que Cuba se
localiza en una zona geograacutefica de alta radiacioacuten solar y que se caracteriza por la
gran cantidad de diacuteas soleados en el antildeo
Figura 16 Comparacioacuten entre el DNI calculado por la metodologiacutea el aportado por la NASA
y el obtenido por el Instituto de Meteorologiacutea cubano
En cada metro cuadrado del territorio cubano se recibe diariamente una cantidad de
energiacutea solar equivalente a medio kilogramo de petroacuteleo combustible valor
promedio praacutecticamente invariable durante todo el antildeo Otra de las caracteriacutesticas
de la radiacioacuten solar en Cuba es que su valor es casi igual en todo el paiacutes ya que
la diferencia en latitud desde el lugar maacutes bajo hasta el maacutes alto es de soacutelo 3 grados
Por lo tanto la radiacioacuten solar en Cuba es utilizable en todo el territorio y durante
todo el antildeo con un valor medio de maacutes de 5 kWhm2diacutea tanto en su forma de
bioenergiacutea o biomasa energiacutea hidraacuteulica energiacutea eoacutelica o directamente convertida
en calor o electricidad (Beacuterriz 2000)
0
2
4
6
8
10
12
14
DN
I (k
Whm
2-d
iacutea)
meses
Radiacioacuten solar
Calculado NASA Meteorologiacutea cubana
44
312 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea
Luego de haber calculado la semiduracioacuten diurna en grados sexagesimales (WS)
para cada diacutea del antildeo en la zona de la UEB umlGeorge Washingtonuml se calcularon las
horas de luz solar durante el diacutea lo cual se muestra promediado en la tabla 7 donde
se ve que esta es mayor que 10 horas asiacute como tambieacuten se observa que son maacutes
largos los diacuteas en los meses de verano (Abril-Agosto)
Tabla 7 promedio de horas de sol al diacutea por meses del antildeo
32 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
Se realizoacute el balance energeacutetico del CCP teniendo en cuenta las peacuterdidas que
sucedieron en el mismo debido a su fabricacioacuten y a su posicioacuten
321 Peacuterdidas geomeacutetricas
Peacuterdidas debidas a la posicioacuten relativa de los colectores
En este trabajo no se tuvo en cuenta las peacuterdidas por sombras ya que se asumioacute
que la construccioacuten de estos colectores iba a estar lo suficientemente separados
para que no se pudieran dar sombra unos a otros
Peacuterdidas inherentes a cada colector
Se comparoacute el aacutengulo de incidencia en cuanto a la orientacioacuten y el seguimiento solar
del colector ciliacutendrico paraboacutelico Se seleccionoacute la orientacioacuten N-S con seguimiento
solar E-O por lo que se seleccionoacute para el caacutelculo del resto de las variables (g = 0)
Para la inclinacioacuten del colector se tomoacute con eje horizontal (s = 0) Se consideroacute el
aacutengulo horario 0ordm por ser el mediodiacutea solar donde maacutes radiacioacuten incide sobre la
tierra con el objetivo de simplificar los caacutelculos
Con los datos calculados anteriormente se halloacute el aacutengulo de incidencia (figura 17)
En este caso se observa que a diferencia de la radiacioacuten solar directa el aacutengulo de
incidencia es menor para los meses de verano reafirmando que a menor aacutengulo de
incidencia mayor la radiacioacuten que va a captar el colector
enero febrero marzo abril mayo junio julio agosto septiembre octubre noviembre diciembre
108 112 119 125 131 134 132 127 121 114 109 106
45
Figura 17 Aacutengulo de incidencia por meses para una orientacioacuten N-S con seguimiento solar
E-O
322 Peacuterdidas oacutepticas
Las caracteriacutesticas oacutepticas del colector ET-150 se reflejaron en la tabla 8 y con estas
se calculoacute el rendimiento oacuteptico
Tabla 8 Caacutelculo del rendimiento oacuteptico
Rendimiento oacuteptico
ntilde Reflectividad superficie reflectora 090
ocirc Transmisividad del cristal absorbedor 095
aacute Absortividad del tubo del absorbedor 096
ɣ Factor de interceptacioacuten 095
Ƞopt0ordm= 078
Cuanto mayor es el valor del rendimiento oacuteptico mayor seraacute el rendimiento del
captador Asiacute cuanto mayor sea el valor de las variables que lo definen mejor seraacute
el rendimiento de los captadores (Rojas 2013)
Ademaacutes de las peacuterdidas debidas al aacutengulo de incidencia existen otras peacuterdidas que
se asocian a dicho aacutengulo El efecto del aacutengulo de incidencia en el rendimiento del
CCP se cuantifica mediante el modificador por aacutengulo de incidencia 119870(120579119904)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Gra
do
s se
xage
sim
ale
s
Aacutengulo de incidencia
46
323 Peacuterdidas teacutermicas
Se calculoacute la potencia teacutermica uacutetil la potencia teacutermica absorbida y la potencia
teacutermica perdida La energiacutea teacutermica uacutetil fue menor que la energiacutea teacutermica absorbida
Esto es debido a las peacuterdidas teacutermicas que se presentan en este tipo de tecnologiacutea
Durante los meses de verano existioacute un descenso de las diferentes potencias
calculadas a causa de las condiciones de nubosidad (lluvia) para esta eacutepoca del
antildeo (figura 18) Para los meses de invierno las potencias decrecieron debido a la
disminucioacuten de la radiacioacuten solar tiacutepico en esta eacutepoca del antildeo
Figura 18 Energiacutea solar por unidad de tiempo radiacioacuten solar absorbida en un colector
peacuterdidas teacutermicas y potencia teacutermica uacutetil para todos los meses del antildeo
Estas peacuterdidas teacutermicas influyeron negativamente en el rendimiento global del
colector CCP ET-150 que tuvo un valor aproximado al 70 Para los meses de
verano hubo un mayor rendimiento aunque este se vio afectado por la nubosidad
El funcionamiento teacutermico de cualquier captador solar estaacute determinado por el
llamado rendimiento global definido como la relacioacuten entre la potencia teacutermica que
es capaz de proporcionar o potencia teacutermica uacutetil y la potencia procedente del Sol
que se tome como referencia No toda la potencia solar puede ser absorbida por el
receptor Existen una serie de peacuterdidas de energiacutea debidas tanto a la geometriacutea y
oacuteptica del captador como a las propiedades de los materiales del propio receptor
que hay que tener en cuenta (Rojas 2013)
16
161
162
163
164
165
166
167
168
169
17
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Qp
er(
kW
h)
Qso
lu
til(
kW
h)
meses
Peacuterdidas teacutermicas
Qsol Qutil Qperd
47
33 Dimensionamiento del campo solar
331 Caracterizacioacuten del terrero
El terreno del central George Washington es llano desprovisto de grandes
obstaacuteculos que puedan crear dificultades en la construccioacuten del campo y crear
sombras que entorpezcan la radiacioacuten del sol en los espejos reflectores Estaacute
cercano a la carretera y consta con posos que facilita el acceso a los recursos
hiacutedricos en el emplazamiento Estaacute solucionado el problema de la conectividad a la
red eleacutectrica nacional puesto que el central ya contaba con esta infraestructura Por
lo tanto posee las condiciones idoacuteneas para la instalacioacuten de un campo solar
332 Balance energeacutetico en el intercambiador de calor
A partir de la temperatura que se quiere elevar el agua de alimentacioacuten de la caldera
(260 oC) y el flujo de esta (255 kgs) se determina una cantidad de energiacutea teacutermica
que debe suministrar el campo para suplir esta demanda Dicha energiacutea teacutermica se
logra a traveacutes de la radiacioacuten solar captada por los colectores la cual es transferida
en forma de calor a un fluido portador en este caso aceite HTF Este necesita un
determinado flujo para absorber toda esa energiacutea y luego transferirla al agua Los
caudales necesarios para la captacioacuten de este calor se encuentran en la (tabla 9)
Tabla 9 Paraacutemetros termodinaacutemicos en el intercambiador de calor
Datos Agua de
alimentacioacuten Aceite teacutermico
Caudal(kgs) 255 462
Temperatura(ordmC) 166 300
Presioacuten (bar) 67 25
Entalpiacutea (kJkg) 6974 490
Con estos datos se concluye que para calentar un flujo de agua de 255 kgs (a
temperatura de 166ordmC y presioacuten de 67 bar) hasta alcanzar una temperatura de
260ordmC se necesita un flujo de energiacutea teacutermica de 106225 kW lo cual es
proporcionada por 462 kgs de aceite teacutermico proveniente del campo solar que estaacute
a una temperatura de 300ordmC y presioacuten de 25 bar
48
333 Caacutelculo del nuacutemero de lazos
3331 Caacutelculo del caudal miacutenimo de circulacioacuten del fluido de transferencia de
calor (HTF) por cada lazo
Para que exista un flujo turbulento por el interior del tubo absorbedor a una velocidad
del fluido econoacutemica de 3 ms el caudal miacutenimo de circulacioacuten debe ser de 86 kgs
(tabla 10)
Tabla 10 Caudal miacutenimo de circulacioacuten del fluido de transferencia de calor (HTF) por
cada lazo
Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF por cada lazo 86 kgs
Nuacutemero de Reynolds 874E+5
Velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor 3 ms
Viscosidad dinaacutemica del HTF a la temperatura media de
trabajo 194E-04 kgmmiddots
Densidad del HTF a la temperatura media de trabajo 870 Kgm3
3332 Incremento de la temperatura del HTF en un colector
Para calentar el flujo de aceite de 200 a 300ordmC lo cual equivale a un salto teacutermico
por lazo de 100ordmC es necesario 4 colectores por lazo Por tanto el salto de
temperatura promedio del HTF a su paso por un colector es aproximadamente de
283ordmC (tabla 11)
Tabla 11 Salto de temperatura promedio del HTF a su paso por un colector
meses ∆119931119949119938119963119952() ∆119827119836119848119845119838119836() 119821119845119834119859119848119852
Enero 100 248 40
Febrero 100 263 38
Marzo 100 301 33
Abril 100 343 29
Mayo 100 333 30
Junio 100 318 31
Julio 100 325 31
Agosto 100 330 30
Septiembre 100 286 35
Octubre 100 262 38
Noviembre 100 202 50
Diciembre 100 186 54
49
3333 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
El nuacutemero de colectores necesarios por lazo para cada mes se refleja en la (tabla
12) Con este resultado se concluye que la cantidad de colectores totales que debe
tener cada lazo del campo solar es aproximadamente de 4
Tabla 12 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo para cada mes del antildeo
Meses Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
Enero 40
Febrero 38
Marzo 33
Abril 29
Mayo 30
Junio 31
Julio 31
Agosto 30
Septiembre 35
Octubre 38
Noviembre 50
Diciembre 54
3334 Nuacutemero de lazos en el campo solar
Al ser la potencia teacutermica del campo solar 106225 kW y ser la potencia teacutermica uacutetil
promedio por lazo aproximadamente de 26556 kW el nuacutemero de lazos necesarios
por campo solar debe ser aproximadamente de 4
Para generar 106 MW teacutermico con una radiacioacuten promedio de 5355 Wm2 para todo
un antildeo la dimensioacuten del campo solar debe ser de 44448 m2 Esto se logra con un
total de 4 lazos con 4 colectores cada uno
334 Caacutelculo del ahorro de bagazo propiciado por el campo
Una de las ideas fundamentales de este proyecto es el ahorro de bagazo para su
uso fuera de temporada y asiacute no parar la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica por la
ausencia de combustible Para esto se halloacute el iacutendice de generacioacuten con el campo
(tabla 13) quedando un ahorro de maacutes de 25 mil toneladas de bagazo Pudiendo
dar un margen de 30 diacuteas maacutes de generacioacuten de electricidad lo que equivale a maacutes
de 14 mil MWe
50
Tabla 13 Generacioacuten en el periacuteodo de zafra y ahorro de bagazo propiciados por el campo
solar
Generacioacuten eleacutectrica total 111063 MWh
Iacutendice de generacioacuten sin campo 500 kWhtb
Iacutendice de generacioacuten con campo 575 kWhtb
Ahorro de bagazo 251586 TonZafra
Porciento de bagazo ahorrado 14
Generacioacuten con el excedente de Bagazo 14463 MWh
Seguacuten los datos de la tabla 13 y suponiendo que la zafra sea de 120 diacuteas sin contar
las paradas este resultado extenderiacutea la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica a 232 diacuteas
aproximadamente maacutes de la mitad del antildeo y solo se necesitariacutea para los restantes
133 diacuteas del antildeo abastecerse por medio de otra fuente como pudiera ser bagazo
aportado por centrales cercanos que funcionaran como tributarios o utilizar otro
combustible complementario como los residuos agriacutecolas cantildeero lentildea o carboacuten de
marabuacute
34 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un
antildeo)
Para el caacutelculo se halloacute el ahorro de combustible foacutesil con la incorporacioacuten del campo
solar De la (tabla 14) mostrada en el capiacutetulo anterior se tomoacute el valor para las
emisiones de CO2 que fue de 306 kgkgf lo que reflejoacute los siguientes resultados
Tabla 14 Ahorro de combustible y emisiones de CO2 dejadas de emitir propiciado por el campo
Iacutendice de generacioacuten de una planta
teacutermica convencional en Cuba 270 gkWh
Ahorro de combustible Foacutesil 3888 TCC
CO2 dejado de emitir 11897 Ton
35 Factibilidad econoacutemica del proyecto
Para los caacutelculos de factibilidad econoacutemica en este proyecto se ha tomado los
siguientes valores (tabla 15)
51
Tabla 15 Valores necesarios para el caacutelculo de la factibilidad econoacutemica
Precio de la electricidad 021 $kWh
Impuestos 30
Tasa de descuento 10
Vida uacutetil 25 antildeos
Tambieacuten se tuvieron en cuenta los costos de inversioacuten del campo solar (tabla 16)
Tabla 16 Costos de Inversioacuten del campo solar Fuente (IDEA 2013)
Captacioacuten y concentracioacuten de
energiacutea solar
Campo solar(CCP)
espejos 35 Eur m2
apertura
130800 m2
457800
euros
estructuras
metaacutelicas
72 Eur m2
apertura
13080
m2
941760
euros
sistemas de
posicionamiento
6600 Eurunid
16
unidades
108585
euros
movimiento de
tierras
21 Eur m2
apertura
13080
m2 27468000 euros
cimentacioacuten 37 Eur m2
apertura
13080
m2 48396000 euros
montaje 43 Eur m2
apertura
13080
m2 56244000 euros
nave de montaje 545 Eur m2
apertura
13080
m2 7128600 euros
costo total
2900511
euros
Sistema de conversioacuten solar teacutermico
aceite teacutermico 283 Eurkg
100
Kg 283 euros
tubos
absorbedores
892 Eurtubo
16
tubos
14675
euros
juntas rotativas 190 Eur unid 33 unidades 625187 euros
tuverias valvulas y
accesorios
13400 Eurlazo 4 lazos 4915834 euros
sistTrasiego
aceites
87000 Eurlazo 4 lazos 31916236 euros
sistPurificacioacuten
de aceite
380000 Eur unid 1 unidades 380000 euros
ProteccContra
incendios
11400 Eurlazo 1 lazos 11400 euros
sistInertizacioacuten 5900 Eurlazo 1 lazos 5900 euros
52
Intercambiador
aceite-vapor
240 EurkW 10623 kWe 2549400 euros
calderas GV 53 EurkWt - 0 euros
costo total 33362310 euros
TOTAL DEL COSTO DE INVERSIOacuteN
9137253
euros
9959606
doacutelares
Tabla 17 Costos de operacioacuten y mantenimiento (OampM) del campo solar en millones de
euros (MEUR MWantildeo) Fuente (IDEA 2013)
Personal 001 MEUR MWantildeo
Mantenimiento 004 MEUR MWantildeo
Otros 002 MEUR MWantildeo
total 007 MEUR MWantildeo
Tabla 18 Costos de operacioacuten y mantenimiento (OampM) del campo solar en MEUR Fuente
(IDEA 2013)
Potencia del
campo solar
11 MW
Personal 011
Mantenimiento 042
Otros 021
total 074
Esto equivale a un costo fijo de 1772000 doacutelares en operacioacuten y mantenimiento
Paraacutemetros operativos
Venta de electricidad 21 centkWh
Produccioacuten de electricidad solar 144626 MWhantildeo
Costos OampM campo solar 289252 USD antildeo
Costo nivelado de la energiacutea generada
Este costo se determinoacute al sumar los costos variables el de inversioacuten total y los
costos de operacioacuten y mantenimiento luego se dividioacute entre la generacioacuten total de
la planta en los 25 antildeos de vida uacutetil de esta tecnologiacutea quedando de 0032$kWh
351 Tasa interna de retorno (TIR)
Con un campo de 16 colectores y para las condiciones de este proyecto se obtuvo
una TIR de
TIR= 30
La TIR calculada fue mayor que la tasa de descuento por tanto el proyecto es
aceptable
53
352 Valor actual neto (VAN)
El valor actual neto es positivo con un valor que asciende a $ 34116545 por lo que
se cumple la condicioacuten de VAN mayor que cero por lo que el proyecto es rentable
353 Periacuteodo de recuperacioacuten (PR)
El tiempo en que se recupera esta inversioacuten es de aproximadamente 9 antildeos (figura
18)
Los costos de inversioacuten incluyen costes de Ingenieriacutea obtencioacuten de los permisos
necesarios y autorizaciones administrativas obra civil y equipo electromecaacutenico
Los beneficios corresponden a las ventas anuales de electricidad una vez
deducidos los gastos de operacioacuten y mantenimiento En general se estima en el
sector que para que una inversioacuten sea interesante el periacuteodo de recuperacioacuten no
debe exceder de 7 antildeos (Penche 1998) Este proyecto excede en dos antildeos lo
planteado por (Penche 1998) aunque sigue siendo factible e interesante para las
condiciones del paiacutes ya que como plantea el problema de investigacioacuten el principal
intereacutes de este trabajo es aumentar los diacuteas de generacioacuten de electricidad Debido
al problema que presenta Cuba con los iacutendices de generacioacuten se hace necesario
una mejora en este sector a toda costa priorizando esto quedando asiacute los periodos
de recuperacioacuten por detraacutes de este intereacutes primordial
Figura 19 Periacuteodo de recuperacioacuten en antildeos
Teniendo en cuenta estos tres iacutendices econoacutemicos calculados que se tuvieron en
cuenta para la rentabilidad econoacutemica de este proyecto se obtiene como resultado
que dicho proyecto es econoacutemicamente factible
-15000000
-10000000
-5000000
0
5000000
10000000
15000000
20000000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Doacutela
res
Antildeos
Periacuteodo de recuperacioacuten de la invercioacuten
54
Conclusiones
La tecnologiacutea de plantas hibridas solar-biomasa para el caso de Cuba es
potencialmente factible a partir de los valores encontrados de radiacioacuten solar
directa en todo el territorio alcanzando estos maacutes de 5 kWhm2-dia durante
todo el antildeo siendo favorable para la implementacioacuten de esta tecnologiacutea
El rendimiento global de cada colector tiene un valor aproximado del 70
debido a las peacuterdidas geomeacutetricas oacutepticas teacutermicas y por las condiciones
meteoroloacutegicas del lugar puesto que al ser Cuba una isla rodeada de mar
hay ocurrencia de un gran nuacutemero de precipitaciones y cielos nublados al
antildeo que afectan considerablemente el factor de disponibilidad del campo
solar
El campo solar tendraacute 4 colectores por lazo y 4 lazos por campo con una
potencia teacutermica de 106 MW lo que representa un aacuterea de casi 45 ha
aumentaacutendose el iacutendice de generacioacuten de electricidad de la planta con su
conversioacuten en planta hibrida (solar-biomasa) de 500 kWhtb a 575 kWhtb
Con la implementacioacuten del proyecto propuesto (hibridacioacuten biomasa-energiacutea
solar) se puede lograr un ahorro de 251586 toneladas de bagazo por zafra
lo que equivale a 30 diacuteas adicionales de generacioacuten eleacutectrica de la planta lo
que extenderiacutea la generacioacuten en la bioeleacutectrica a unos 230 diacuteas acercaacutendose
cada vez maacutes a lo previsto por la poliacutetica existente en el paiacutes de conversioacuten
de centrales en bioeleacutectricas de llegar a los 300 diacuteas Pudieacutendose saldar los
70 diacuteas faltantes con combustibles alternativos como el RAC y el marabuacute con
gran abundancia en nuestros campos
La implementacioacuten en la UEB George Washington de la hibridacioacuten permitiriacutea
anualmente con el excedente de bagazo obtenido una generacioacuten de
electricidad adicional de 145 GWh con una disminucioacuten de 11897 toneladas
de emisiones de CO2 funcionando como una fuente de empleo considerable
para los habitantes de este lugar
El estudio de la hibridacioacuten solar-biomasa en la UEB George Washington
indica que un proyecto de este tipo es factible con una inversioacuten de casi 10
millones de doacutelares logra como resultados maacutes importantes un VAN de maacutes
de 34 millones una TIR de 30 un PRD de aproximadamente 9 antildeos y un
costo nivelado de la electricidad de 0032 $kWh valor de gran motivacioacuten
para la implementacioacuten de esta tecnologiacutea
55
Recomendaciones
Extender el estudio de factibilidad de plantas de energiacutea hiacutebridas biomasa
solar a otros centrales azucareros del paiacutes que se prevean convertir en
bioeleacutectricas
Incluir en la metodologiacutea de anaacutelisis empleada en este trabajo para futuros
estudios otro tipo de tecnologiacuteas de concentracioacuten como pudiera ser la de
colector lineal Fresnel cuya aplicacioacuten ha venido en aumento en los uacuteltimos
antildeos a nivel mundial
Profundizar en el estudio de factibilidad de este proyecto analizando la
influencia de la variacioacuten de paraacutemetros como el salto entaacutelpico en el
intercambiador de calor del campo solar para la optimizacioacuten del disentildeo del
campo solar
56
Bibliografiacutea
BEacuteRRIZ L MADRUGA E 2000 Cuba y las fuentes renovables de energiacutea CUBASOLAR pp 29
CENGEL Y 2012 Termodinaacutemica Meacutexico DF
DAVID A 2007 Business and Finance Israeli Company to build largest solar park in world in US [Online] Available (httpwwwynetnewscom) [Accessed 10 febrero 2018]
E BURIN T V S MULTHAUPT A THELEN G OELJEKLAUS K GOumlRNER E BAZZO 2016 Thermodynamic and economic evaluation of a solar aided sugarcane bagasse cogeneration power plant THE 28TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON EFFICIENCY COST OPTIMIZATION SIMULATION AND ENVIRONMENTAL IMPACT OF ENERGY SYSTEMS
EPA Factor Information REtrieval (FIRE) Software Technology Transfer Network Clearinghouse for Inventories amp Emissions Factors 2004
GACETA 2007 Estrategia Ambiental Nacional Ministerio de Justicia 30 ed Gaceta Oficial Republica de Cuba
GESIME 2014 Conceptualizacioacuten del programa de desarrollo de la energiacutea solar teacutermica en Cuba 2014-2020 MINEM Desarrollado por grupo de desarrollo de la energiacutea solar teacutermica Grupo Empresarial de la Industria Sidero-Mecaacutenica 36
GUTIEacuteRREZ E 2013 ldquoEl azuacutecar cubano adquiere protagonismo energeacuteticordquo Diarios latinoamericanos de Tierrameacuterica
HERRERA I 2016 Poligeneration Workshop KTH Universidad Central Marta Abreu de Las Villas
HIDALGO L 2012 Estudio Teacutecnico-econoacutemico de una central hiacutebrida solar-ciclo combinado Proyecto final de carrera para optar por el tiacutetulo ingeniero teacutecnico de minas Departamento de sistemas energeacuteticos 79
HTTPEOSWEBLARCNASAGOVSSE 2017 Surface Meteorology and Solar Energy [Online] [Accessed 22 noviembre]
HTTPWWWWIKIPEDIAORG 2017 Energiacutea solar teacutermica [Online] [Accessed 17 diciembre 2017]
IDEA 2013 Plan de Energiacuteas (PER) 2011-2020 Instituto para la Diversificacioacuten y Ahorro de la Energiacutea
LA ROSA D 2014 Recuperacioacuten de la disponibilidad de generacioacuten en el ciclo combinado de Energas Varadero con aporte termosolar httpwwwcubasolarcu
MARTIacuteN S 2017 Colector ciliacutendrico paraboacutelico Available from httpwwwtecnoblogsanmartinwordpresscom]
57
MARTIacuteNEZ L 2017 Conjunto de alternativas tecnoloacutegicas para la ingenieriacutea conceptual del estudio de oportunidad de la conversioacuten en bioeleacutectrica del central George Washington Trabajo de diploma Universidad Central ldquoMarta Abreurdquo de Las Villas
MAXWELL E L RENNE DS 1994 Measures of Renewable Energy National Renewable Energy Laboratory
PAREDES C 2012 Disentildeo de captador solar ciliacutendrico paraboacutelico para aplicaciones rurales en Paraguay Proyecto final de carrera para optar por el tiacutetulo de ingeniero teacutecnico de minas Especialidad en recursos energeacuteticos combustibles y explosivos 57
PENCHE C 1998 Manual de pequentildea hidroeleacutectrica D I R E C C I Oacute N G E N E R A L D
E E N E R G I A ( D G X V I I ) 259
PETROLEUM B 2006 BP Statistical Review of World Energy June 2006 Quantifying Energy
PETROLEUM B 2018 Statistical Review of World Energy [Online] Available httpwwwbpcomenergyoutlook [Accessed 12 febrero de 2018]
PITZ-PAAL 2013 Solar thermal power plants BINE-Themeninfo FIZ Karlsruhe GmbH
REN 2013 Global Status Report Paris
REUszlig N 2012 Modern Gas- amp Steam Turbines in Solarthermic Applications 14th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery Honolulu
RIBOT J E A ROVIRA P ROVIRA A BAROacuteN JL 2001 Curso de Energiacutea Solar Centro de Tecnologiacutea Educativa CTE Barcelona Espantildea Obra completa 4ta edicioacuten Leccioacuten 3 El potencial real de la energiacutea solar
RODRIacuteGUEZ J 2015 Metodologiacutea para la caracterizacioacuten termoeconoacutemica de plantas hiacutebridas de generacioacuten de electricidad Tesis Doctoral Universidad Politeacutecnica de Madrid
ROJAS E 2013 Energiacutea Solar Teacutermica Observatorio de energiacutea renovable para Ameacuterica Latina y Caribe Programa de capacitacioacuten de energiacuteas renovables ONUDI 68
SALOMOacuteN R 2016 ldquoBioeleacutectricas despiertan creciente intereacutes mundialrdquo
SALOMOacuteN R 2018 Biomasa fuente de electricidad inagotable para Cuba Diaacutelogos del Sur Prensa Latina de La Habana
SEBASTIAacuteN E 2011 Sistemas de colector ciliacutendrico paraboacutelico para generar energiacutea httpeliseosebastiancom
SHILLING Z NORMAN 2003 IGCC Clean Power Generation Alternative For Solid Fuels Product Line Leader
58
WWWSOLARBUZZCOM H 2016 Abener Signs Contract for Solar Thermal Electric-Combined Cycle Hybrid Plant [Online] [Accessed 16 diciembre 2017]
4
Capiacutetulo 1 Revisioacuten Bibliograacutefica
En este capiacutetulo se realizoacute una recopilacioacuten seleccioacuten y anaacutelisis de la literatura
consultada que constituye el marco teoacuterico del trabajo Se reconocieron las
contribuciones de otros autores buscaacutendose una loacutegica entre los propoacutesitos
investigativos y el conocimiento que existe acerca del problema que se abordoacute
11 Ciclo termodinaacutemico de la industria azucarera
En la industria azucarera cubana al igual que en todo el mundo se emplea un ciclo
de potencia de vapor especiacuteficamente un ciclo Rankine con algunas desviaciones
Se consideran ciclos de potencia de vapor en los que el fluido de trabajo se evapora
y condensa alternadamente Asimismo se analiza la generacioacuten de potencia
acoplada con un proceso de calentamiento llamada cogeneracioacuten La constante
demanda de eficiencias teacutermicas maacutes altas ha producido algunas modificaciones
innovadoras en el ciclo baacutesico de potencia de vapor Entre eacutestos se estudian ciclos
con recalentamiento y regenerativo asiacute como ciclos combinados de potencia de gas
y vapor El vapor de agua es el fluido de trabajo usado para estos ciclos de potencia
de vapor en la industria azucarera debido a sus muchas y atractivas caracteriacutesticas
como bajo costo disponibilidad y alta entalpiacutea de vaporizacioacuten(Cengel 2012)
El ciclo Rankine ideal simple consta de cuatro procesos que son los siguientes
1-2 Compresioacuten isentroacutepica en una bomba
2-3 Adicioacuten de calor a presioacuten constante en una caldera
3-4 Expansioacuten isentroacutepica en una turbina
4-1 Rechazo de calor a presioacuten constante en un condensador
Figura 1 Ciclo Rankine ideal simple
5
En la industria azucarera este ciclo de potencia no se encuentra asiacute del todo puesto
que se le realizan algunas modificaciones ya que el proceso es el que funciona como
condensador del ciclo y en otros casos como es el de las bioeleacutectricas que se
pretenden instalar se realiza un recalentamiento a la salida de la turbina de alta para
luego ser insertado en una turbina de baja Tambieacuten se colocan calentadores
regenerativos con el fin de calentar el agua a la entrada de la caldera o como se
plantea en este trabajo se puede hibridar con un campo termosolar que funcione
como calentador del agua que entra a la caldera todas estas medidas con el fin de
aumentar la eficiencia del ciclo
Al existir una generacioacuten de potencia en forma de energiacutea eleacutectrica y una demanda
de calor necesaria para el proceso de fabricacioacuten de azuacutecar el ciclo termodinaacutemico
pasa a ser un esquema de cogeneracioacuten (Herrera 2016) el cual se muestra en la
figura siguiente
Lo centrales azucareros convencionales no presentan condensador la funcioacuten de
este la realiza netamente el proceso Por lo que existe una equivalencia entre los
flujos de vapor utilizados para la generacioacuten y los que se usan en el proceso sin
poder realizar un aumento considerable de estos limitando asiacute la generacioacuten de
potencia eleacutectrica En el caso de la bioeleacutectrica no ocurre asiacute puesto que aumentan
los paraacutemetros del ciclo y con este los flujos de la sustancia termoportadora Siendo
necesaria la presencia de un condensador ya que con el proceso no basta para
Figura 2 Ciclo de cogeneracioacuten
6
condensar las enormes cantidades de vapor y que luego puedan ser transportadas
por las bombas asiacutea la caldera
12 Concepto de bioeleacutectrica
Una bioeleacutectrica es una planta de cogeneracioacuten que se construye en un aacuterea aledantildea
al central lo que facilita no detener las zafras durante el periacuteodo de construccioacuten y
montaje Su funcionamiento consiste en un ciclo Rankin con mejoras que consta de
una caldera de alta presioacuten para el proceso de adiccioacuten de calor posteriormente se
expande en una turbina de vapor y se realiza una extraccioacuten para el proceso luego
se condensa el vapor de escape de la turbina y se bombea nuevamente a la caldera
Cuando se realiza su puesta en marcha opera abastecieacutendose de todo el bagazo
producido residuos agriacutecolas y del condensado de vapor puro procedente de los
equipos de calentamiento evaporacioacuten y tachos provenientes de la faacutebrica de azuacutecar
a la que a su vez suministra el vapor de escape de los turbogeneradores para el
proceso de fabricacioacuten del endulzante asiacute como la electricidad que necesita El
excedente eleacutectrico del proceso fabril del azuacutecar se vende al Sistema Eleacutectrico
Nacional (SEN)(Salomoacuten 2018)
13 Planta hiacutebrida
Una planta hiacutebrida se define como una planta que utiliza dos o maacutes recursos
energeacuteticos en este caso solar y biomasa aprovechando las ventajas de cada uno y
disminuyendo sus desventajas como por ejemplo
Se mejora la eficiencia solar eleacutectrica
Se eliminan los arranques y paradas de la turbina que limitan su eficiencia y
encarecen su mantenimiento
Se garantiza un suministro eleacutectrico independientemente del recurso solar Ya no
es necesario el uso de sistemas de almacenamiento para satisfacer la curva de
demanda
Los costes de inversioacuten se reducen se reducen los riesgos de inversioacuten al estar
garantizada la generacioacuten de electricidad Adicionalmente se pueden aprovechar las
instalaciones ya existentes La reduccioacuten en los costes permite operar en lugares con
menor radiacioacuten solar
Sin embargo las plantas hibridas presentan incertidumbre sobre su comportamiento
a lo largo del tiempo debido a la variabilidad temporal del recurso solar de la
demanda eleacutectrica y del solapamiento de ambos Es necesario establecer coacutemo se
van a comportar las instalaciones a lo largo d un antildeo y de este modo poder determinar
su idoneidad bajo unas condiciones de radiacioacuten y de demanda eleacutectrica
dependientes del tiempo(Rodriacuteguez 2015)
7
Los principales componentes que forman parte de una planta hiacutebrida solar-biomasa
se distinguen como el bloque solar el bloque de potencia y la hibridacioacuten
Bloque solar Es donde la energiacutea del sol es convertida en energiacutea teacutermica La
tecnologiacutea solar empleada depende del rango de temperaturas de operacioacuten de la
planta hibrida Es necesario que sean compatibles con las del bloque de potencia
Bloque de potencia es el ciclo termodinaacutemico que convierte la energiacutea teacutermica en
eleacutectrica
Hibridacioacuten es el modo en que el bloque de potencia y el bloque solar son
conectados
14 La energiacutea solar
El Sol es un enorme reactor de fusioacuten nuclear formado por una esfera de materia
gaseosa caliente de 139 millones de kiloacutemetros de diaacutemetro que constituye la
principal fuente de energiacutea para la Tierra situada a una distancia media de 149106
km Debido a la radiacioacuten solar la temperatura en la superficie terrestre es alrededor
de 250ordmC superior a la temperatura que habriacutea en la superficie si eacutesta dependiera
solo del calor interno El Sol radia continuamente una potencia de 38middot1023 kW de
los cuales la Tierra intercepta 17middot1014 kW La energiacutea solar recibida en la atmoacutesfera
exterior de la Tierra en un antildeo se conoce con el nombre de SERPY (Solar Energy
Received Per Year) y corresponde a 155middot1015 MWh cantidad que equivale
aproximadamente a 12000 veces la energiacutea consumida en el mundo si se tienen en
cuenta los datos publicados de produccioacuten y consumo energeacutetico mundial durante el
antildeo 2005 (Petroleum 2006) De la radiacioacuten recibida en la superficie exterior el 30
se refleja al espacio el 47 es absorbido por la atmoacutesfera mares y tierra para
mantener la temperatura ambiente y el restante 23 se usa para mantener la
conveccioacuten atmosfeacuterica y el ciclo hidroloacutegico (Rojas 2013)
La radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera tiene un valor constante de unos 1300 Wm
denominaacutendose constante solar Sin embargo toda esta energiacutea no puede ser
aprovechada debido a diferentes fenoacutemenos que se interponen en su camino desde
el Sol hasta la superficie terrestre Al atravesar la atmoacutesfera las nubes dispersan la
radiacioacuten separaacutendola en radiacioacuten directa y difusa Las sombras causadas por
objetos proacuteximos tambieacuten contribuyen a atenuar el valor de la radiacioacuten Finalmente
el hecho de que la direccioacuten del Sol y la superficie captadora no sea la misma
tambieacuten influye en la disminucioacuten de la constante solar Todos estos factores hacen
que la energiacutea que llega a la Tierra sea de unos 1000 Wm en un diacutea claro a las 12
horas del mediodiacutea solar y a nivel del mar Esta energiacutea no es suficiente para alcanzar
las temperaturas que se requieren por lo que se utilizan elementos concentradores
La energiacutea solar tiene muchas aplicaciones donde ser utilizada Estas actividades se
clasifican en tres grupos generacioacuten teacutermica generacioacuten de trabajo y generacioacuten de
friacuteo El primer grupo contiene la generacioacuten de calor para calefaccioacuten agua caliente
8
sanitaria (ACS) desecacioacuten y refrigeracioacuten Dentro de esta divisioacuten existen
diferencias seguacuten la temperatura alcanzada Podemos distinguir procesos de baja
temperatura que usan colectores planos para ACS hasta 60ordmC procesos de media
temperatura para calefaccioacuten y produccioacuten de friacuteo y procesos de alta temperatura en
la industria La generacioacuten teacutermica tambieacuten incluye la arquitectura bioclimaacutetica La
generacioacuten de trabajo se puede dar de forma teacutermica y de forma fotovoltaica Los
parques de heliostatos o concentradores ciliacutendrico-paraboacutelicos producen vapor que
se utiliza en ciclos de potencia mientras que los paneles fotovoltaicos convierten la
luz en electricidad por medio de semiconductores Por uacuteltimo la generacioacuten de friacuteo
se produce por medio de maacutequinas de absorcioacuten
Las tecnologiacuteas usadas para este tipo de energiacutea son colectores planos para
calefaccioacuten y ACS concentracioacuten en torre discos paraboacutelicos colectores ciliacutendricos
paraboacutelicos y colectores Fresnel para la produccioacuten de electricidad Maacutes adelante se
explicaraacuten con maacutes detalle todas estas tecnologiacuteas
La principal ventaja con la que cuenta la energiacutea solar es que se trata de un recurso
inagotable que estaacute al alcance de todos pero uno de los problemas de esta reside
que la demanda no coincide con la produccioacuten Para ajustar la demanda a la
produccioacuten se hace necesario el uso de sistemas de almacenamiento Otro problema
a tener en cuenta es la intermitencia del recurso solar A lo largo del antildeo hay
numerosos diacuteas en los que las nubes impiden el correcto aprovechamiento de la
energiacutea solar La solucioacuten a este problema es la instalacioacuten de un sistema de apoyo
consistente generalmente en una caldera auxiliar operada con un combustible foacutesil
De este modo se puede prescindir de los sistemas de almacenaje (Paredes 2012)
15 Sistemas teacutermicos solares El objetivo esencial de cualquier sistema teacutermico solar es captar la radiacioacuten que
proviene del sol para transformarla en energiacutea teacutermica de un fluido y transportarla de
la manera maacutes econoacutemica y eficaz posible a un usuario Las aplicaciones del
aprovechamiento solar pueden ser directas en forma de calor o bien indirectas
utilizando este calor para obtener trabajo mecaacutenico en un eje y finalmente
electricidad Entre las tecnologiacuteas existentes hay tres que destacan por su grado de
desarrollo los sistemas de colectores cilindro paraboacutelicos (CCP) los sistemas de
receptor central (SRC) o sistemas de torre central (STC) y los discos paraboacutelicos
(DP) o maacutes propiamente paraboloides de revolucioacuten Tambieacuten existen los sistemas
de concentradores lineales Fresnel (CLF) que a pesar de no estar ampliamente
desarrollados en cuanto a tecnologiacutea se refiere merecen una mencioacuten Aunque los
campos de aplicacioacuten de los Sistemas Termo-solares de Concentracioacuten (CSTS) son
diversos es en los campos de generacioacuten de electricidad vapor de proceso o de
ambos simultaacuteneamente donde estos sistemas han alcanzado su mayor grado de
desarrollo dando lugar a Centrales Energeacuteticas Termo-solares (CETS) Las CETS
son entre los sistemas basados en el aprovechamiento de las energiacuteas renovables
uno de los de mayor potencial de contribucioacuten a la satisfaccioacuten de la demanda
9
energeacutetica especialmente en las regiones situadas en el llamado ldquocinturoacuten solarrdquo
que son aquellas que se encuentran entre las latitudes 35o norte y 35o sur (Paredes
2012)
151 Sistemas de torre central (STC)
Este sistema se caracteriza porque el conjunto colector estaacute compuesto por un grupo
maacutes o menos numeroso de concentradores planos individuales llamados heliostatos
los cuales dirigen la radiacioacuten solar concentrada hacia un receptor central situado en
lo alto de una torre Por tanto la concentracioacuten de la radiacioacuten se produce en tres
dimensiones por lo que el valor de la razoacuten de concentracioacuten es muy elevado asiacute
como las temperaturas que se alcanzan pudiendo llegar eacutestas a los 1500 degC
Figura 3 Esquema de un STC Fuente Greenpeace
A parte de los componentes principales del sistema que se detallan maacutes adelante
para un correcto funcionamiento del sistema se requieren una serie de equipos y
sistemas auxiliares como el sistema de caracterizacioacuten de imaacutegenes blancos
lambertianos para evaluacioacuten de imaacutegenes ajustes de offsets etc
El sistema colector El heliostato es junto con el receptor uno de los componentes
que representa mayor importancia dentro del sistema llegando a suponer hasta un
60 del coste total de la parte solar Su funcioacuten es la de captar la radiacioacuten solar y
redirigirla hacia el receptor
Estaacute compuesto baacutesicamente por una superficie reflectante ndashespejos de vidrio como
los de los CCPs ademaacutes de una estructura soporte mecanismos de movimiento y
un sistema de control
En cuanto al tamantildeo existen de varias dimensiones desde 40 o 50 m2 hasta su
evolucioacuten a los 150 m2 Aunque actualmente se tiende a los heliostatos maacutes
10
pequentildeos pues suponen una simplificacioacuten y abaratamiento en los procesos de
transporte instalacioacuten y puesta en servicio El campo de heliostatos en relacioacuten al
receptor estaacute condicionado en gran parte por la orografiacutea del terreno por el tamantildeo
de la planta y por la disposicioacuten del receptor Las dos formas claacutesicas de colocar los
heliostatos son
Campo circundante heliostatos alrededor de la torre
Campo Norte-Sur heliostatos a un lado de la Torre La orientacioacuten dependeraacute de
en queacute latitud se encuentre el emplazamiento
No obstante existen otras disposiciones que tratan de aprovechar la orografiacutea del
terreno (por ejemplo una ladera orientada al Sur) o usan un concentrador secundario
para evitar los inconvenientes derivados de situar el receptor sobre una torre
La torre La funcioacuten de la torre es la de servir de soporte al receptor que
normalmente debe situarse a una cierta altura sobre el nivel del campo de helioacutestatos
para reducir las sombras y bloqueos entre eacutestos y a diversos elementos auxiliares
(blancos lambertianos sistemas de medida etc) Hasta hoy las torres construidas
han sido de estructuras metaacutelicas o de hormigoacuten
El receptor Es el dispositivo donde se produce la conversioacuten de la radiacioacuten solar
concentrada en energiacutea teacutermica
152 Disco Paraboacutelico (DP)
Los sistemas de discos paraboacutelicos se componen baacutesicamente en un reflector o en
un conjunto de reflectores que tienen forma de paraboloide de revolucioacuten Ademaacutes
poseen un receptor situado en el foco puntual de dicho paraboloide y de un sistema
de generacioacuten eleacutectrica compacto (un motor o una turbina maacutes un alternador) Por lo
general receptor y sistema de generacioacuten suelen formar parte de un mismo conjunto
El principio de funcionamiento es el mismo que para los CCPacutes es decir la radiacioacuten
concentrada por el paraboloide incide sobre el receptor donde se convierte en
energiacutea teacutermica (pudiendo alcanzar los 1500 oC que permite generar electricidad Los
elementos principales del colector Disco Paraboacutelico son los siguientes
Concentrador La forma de la superficie reflexiva en este tipo de sistema es la de
un paraboloide de revolucioacuten cuyo tamantildeo depende de la potencia nominal y de la
energiacutea que se desea generar en un determinado tiempo y bajo unas condiciones de
radiacioacuten determinadas
Receptor Es un sistema de discos paraboacutelicos que tienen dos funciones
fundamentales por un lado la de absorber la radiacioacuten solar reflejada por el
concentrador y por el otro transferir la energiacutea absorbida al fluido de trabajo de la
maacutequina asociada Hasta la fecha existen dos tipos de reflectores tubos
directamente iluminados por la reflexioacuten de los rayos y receptores de reflujo
11
Sistema de Seguimiento Con objeto de seguir la posicioacuten del sol en todo momento
los discos paraboacutelicos realizan un seguimiento de eacuteste en dos ejes Se realiza seguacuten
dos tipos de montaje
Seguimiento en acimut-elevacioacuten en el que el movimiento se realiza seguacuten dos
ejes el vertical y el horizontal
Seguimiento polar en el que el movimiento en un eje es muy lento pues solo se
debe seguir las variaciones estacionales del sol y el movimiento en el otro eje es a
velocidad constante
Actualmente el uso de discos paraboacutelicos para generar electricidad se encuentra en
fase de desarrollo en algunas plantas experimentales como la de Planta Solar de
Almeriacutea pero la falta de fiabilidad y su elevado coste constituyen los principales
obstaacuteculos para su introduccioacuten real en la generacioacuten eleacutectrica En cambio
atendiendo a la misma forma estructural y con el mismo principio de reflexioacuten en un
foco puntual del paraboloide de revolucioacuten es muy comuacuten encontrar a nivel
particular cocinas solares
Figura 4 Esquema de un Disco Paraboacutelico Fuente Greenpeace
12
153 Concentrador lineal Fresnel
Esta tecnologiacutea es la maacutes nueva de las cuatro que actualmente hay disponible para
los sistemas solares de concentracioacuten Son captadores de foco lineal en los que
largos reflectores que poseen ejes de giros independientes y paralelos reflejan la
radiacioacuten solar directa sobre un tubo receptor situado sobre ellos Es la tecnologiacutea
maacutes joven de las cuatro descritas por lo que existen actualmente solo dos plantas
comerciales en funcionamiento con una potencia eleacutectrica total de 64 MWe
Figura 5 Concentrador Lineal Fresnel
154 Colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Esta tecnologiacutea cilindro-paraboacutelica basa su funcionamiento en seguimiento solar y en
la concentracioacuten de los rayos solares en unos tubos receptores de alta eficiencia
teacutermica localizados en la liacutenea focal de los cilindros En estos tubos un fluido
transmisor de calor tal como aceite sinteacutetico es calentado aproximadamente a
400ordmC por los rayos solares concentrados El aceite es bombeado a traveacutes de una
serie de intercambiadores de calor para producir vapor sobrecalentado El calor
presente en este vapor se convierte en energiacutea eleacutectrica en una turbina de vapor
convencional Los colectores cilindro-paraboacutelicos se emplean maacutes a escala industrial
de 10 a 100 MW para la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica en un campo solar y en un
sistema de potencia En el campo solar la energiacutea de la radiacioacuten solar se transforma
en energiacutea teacutermica en una serie de filas paralelas de colectores cilindro-paraboacutelicos
cada uno de ellos con seguimiento solar La eficiencia durabilidad y costo de una
central con colectores cilindro-paraboacutelicos depende fuertemente de la estructura y
robustez del colector Un moacutedulo colector generalmente compuesto de elementos
de 12 m de largo conectados en serie puede tener hasta 150 m de longitud Sus
espejos paraboacutelicos reflejan la radiacioacuten solar y la concentran sobre un tubo
absorbente en su liacutenea focal (Sebastiaacuten 2011)
13
A principios del siglo pasado (1912) la primera planta de canal paraboacutelico fue
construida en Meadi Egipto para bombeo de agua Con 79 plantas 31425 MW
instalados esta tecnologiacutea es la maacutes madura de las tecnologiacuteas CSP (maacutes de 100
antildeos de experiencia en operacioacuten) (GESIME 2014)
Las primeras centrales con colectores cilindro-paraboacutelicos operan comercialmente en
California desde 1985 En este periodo de tiempo han generado maacutes de doce mil
millones de kilowatts hora de electricidad lo que es suficiente para suministrar
electricidad a aproximadamente doce millones de personas durante un antildeo Al igual
que en centrales teacutermicas con combustibles convencionales y tambieacuten en centrales
nucleares la corriente se genera en las centrales solares teacutermicas con una turbina a
vapor y un generador acoplado (Martiacuten 2017)
El Sistema de Generacioacuten de Energiacutea solar (en ingleacutes Solar Energy Generating
System SEGS) es un conjunto de nueve plantas con una capacidad total de 350 MW
Actualmente es el sistema solar operacional maacutes grande (tanto del tipo termal o no)
La planta Nevada Solar One tiene una capacidad de 64 MW Estaacuten en construccioacuten
las plantas Andasol 1 y 2 en Espantildea cada planta tiene una capacidad de 50 MW sin
embargo estas plantas son de un disentildeo que tiene un sistema de almacenamiento
de calor que requiere un terreno con colectores solares mayor en relacioacuten al tamantildeo
del que deberiacutea tener para su generacioacuten El almacenamiento de calor permite una
mejor utilizacioacuten de las turbinas de vapor Con una operacioacuten diurna y parcialmente
nocturna la turbina de vapor de Andasol 1 con una capacidad de punta de 50 MW
produce maacutes energiacutea que Nevada Solar One con una capacidad de punta de 64 MW
debido al sistema de almacenamiento de calor y un terreno de colectores maacutes grande
que posee la planta de Andasol 1(httpwwwwikipediaorg 2017)
Existiacutea la propuesta de instalar 553 MW adicionales en el Mojave Solar Park
California (David 2007) pero este proyecto fue cancelado en el antildeo 2011 Tambieacuten
IBERDROLA (2013) puso en marcha en Egipto la central de Kuraymat de 150
megavatios (MW) de potencia Se trata de una instalacioacuten pionera en el mundo dado
que incorpora una tecnologiacutea que utiliza de forma combinada el gas y la energiacutea solar
lo que contribuye a disminuir las emisiones de CO2 y a mejorar el rendimiento global
de la planta Tambieacuten se generan 25 MW de vapor como aporte para una planta de
gas en Hassi Rmel Argelia (wwwsolarbuzzcom 2016)
El gobierno de India ha comenzado a desarrollar una iniciativa llamada Jawaharlal
Nehru National Solar Mission (tambieacuten conocida como la misioacuten solar nacional) para
resolver el problema de abastecimiento de energiacutea eleacutectrica
(httpwwwwikipediaorg 2017)
14
Figura 6 Esquema de un CCP Fuente Greenpeace
En la figura 6 se pueden ver los elementos principales del conjunto del colector de
forma maacutes detallada se definen del siguiente modo
El Reflector Ciliacutendrico Paraboacutelico su misioacuten es la de reflejar y concentrar sobre el
Receptor la radiacioacuten solar directa incidente sobre la superficie A grandes rasgos es
un espejo curvo que forma en una de sus dimensiones una paraacutebola de forma que
concentra sobre su liacutenea focal toda la radiacioacuten reflejada Entre los materiales usados
para la reflexioacuten encontramos plaacutesticos recubiertos con peliacuteculas de plata o aluminio
chapas metaacutelicas o el maacutes usado vidrios sobre los que se depositan una capa de
plata junto con un protector de base de cobre y pintura epoxi
El tubo de absorcioacuten o Receptor El tubo absorbedor consta de dos tubos
conceacutentricos separados por un espacio de vaciacuteo El tubo interior por el que circula
el fluido calo-portador es metaacutelico y el exterior es de cristal
El tubo interior es tratado con un recubrimiento metaacutelico selectivo que puede consistir
en una fina capa de cromo niacutequel cobalto o alguacuten otro acabado logrado por
Sputtering o Deposicioacuten Fiacutesica de Vapor (PVD por sus siglas en ingleacutes) Dicho
recubrimiento otorga al tubo sus propiedades uacutetiles para eacuteste uso elevada
absortividad a lo largo de todo el espectro solar y una baja emisividad en el espectro
infrarrojo lo cual se traduce en un elevado rendimiento teacutermico El tubo exterior de
vidrio cumple dos propoacutesitos de igual importancia el primero es proteger el
recubrimiento selectivo del tubo interior y minimizar las perdidas teacutermicas por
conveccioacuten Para aumentar el rendimiento oacuteptico del captador es comuacuten la utilizacioacuten
de un tratamiento antireflexivo en ambas caras del tubo de vidrio que logra mejorar
15
la transmisividad Para lograr mantener el vaciacuteo necesario entre los dos tubos se suele
soldar cada tubo el de vidrio y el de metal por separado a un fuelle metaacutelico que
soporta las diferentes dilataciones de cada material al variar la temperatura Con esto
se logra flexibilizar la unioacuten entre los dos tubos evitando grietas por las que pudiera
ingresar aire al vaciacuteo Otro mecanismo que se utiliza para mantener el vaciacuteo son los
llamados getters en ingleacutes que son colocados en el vaciacuteo debido a su propiedad de
reaccionar quiacutemicamente o por absorcioacuten con cualquier moleacutecula de gas que pudiera
penetrar al espacio confinado atrapaacutendolo y asiacute manteniendo el espacio libre de
cualquier elemento
Figura 7 Esquema del tubo de absorcioacuten o Receptor
El Sistema de Seguimiento Solar El seguimiento del Sol se hace con el objetivo
de aprovechar la mayor parte de horas posibles de luz de forma que la radiacioacuten
solar llegue lo maacutes perpendicularmente posible al colector y se mantengan en el foco
lineal continuamente Los CCPacutes pueden tener seguimiento a dos ejes o a un uacutenico
eje Normalmente el seguimiento se realiza a un eje pues mecaacutenicamente es maacutes
sencillo esto implica menos costos y menores peacuterdidas teacutermicas por no haber
tuberiacuteas pasivas La orientacioacuten puede ser Norte-Sur o Este-Oeste Los mecanismos
de accionamiento que mueven al colector pueden ser eleacutectricos (apropiado para
equipos pequentildeos) hidraacuteulicos (para lazos de colectores) y mecaacutenicos (reloj de
pesas) (Paredes 2012)
16
Figura 8 Esquema del seguimiento solar a un eje de un CCP Fuente Greenpeace
Cimentacioacuten y estructura metaacutelica La cimentacioacuten soporta los colectores y los fija
al suelo de forma que el conjunto estructural soporte las cargas para las que fue
disentildeado La misioacuten de la estructura metaacutelica del colector es la de dar rigidez al
conjunto de elementos que lo componen a la vez que hacer de interface con la
cimentacioacuten del propio colector (Hidalgo 2012)
La tecnologiacutea cilindro paraboacutelica es una tecnologiacutea limpia madura y con un extenso
historial que demuestra estar preparada para la instalacioacuten a gran escala Esta
tecnologiacutea lleva siendo instalada a nivel comercial desde los antildeos 80 con un
excepcional comportamiento Desde entonces ha experimentado importantes
mejoras a nivel de costes y rendimientos Actualmente hay maacutes de 1 GWe en
operacioacuten maacutes de 800 MWe en construccioacuten y maacutes de 2 GWe en promocioacuten a nivel
mundial Por lo que es esta la tecnologiacutea maacutes segura a aplicar
16 Orientacioacuten del colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Los captadores cilindro paraboacutelicos suelen estar instalados en los campos solares de
tal manera que sus ejes de rotacioacuten queden orientados bien Norte-Sur o bien Este-
Oeste Con la configuracioacuten Este-Oeste las variaciones estacionales suelen ser
pequentildeas permitiendo tener un aporte teacutermico maacutes estable durante el antildeo a costa
de perder parte de la energiacutea anual disponible Con la configuracioacuten Norte-Sur esa
energiacutea anual suministrada es optimizada al maacuteximo con el punto en contra de tener
variaciones estacionales mucho mayores que con la configuracioacuten Este-Oeste que
en ocasiones y dependiendo de la latitud y de las condiciones atmosfeacutericas del
emplazamiento pueden suponer relaciones de 3 a 1 entre verano e invierno En el
caso de la planta Termo solar acoplada al economizador de la caldera para la
produccioacuten de electricidad de la UEB umlGeorge Washingtonuml se ha realizado el disentildeo
atendiendo al criterio de maximizacioacuten del aporte energeacutetico anual por lo que la
configuracioacuten elegida es la Norte-Sur
17
17 Peacuterdidas en un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Cuando la radiacioacuten solar alcanza la superficie de un colector paraboacutelico se pierde
una cantidad importante de ella debido a diferentes factores El total de las peacuterdidas
se puede dividir en tres grupos
171 Peacuterdidas geomeacutetricas Provocan la disminucioacuten del aacuterea efectiva de captacioacuten
solar de los colectores En un CCP se dividen en peacuterdidas debidas a la posicioacuten
relativa de los colectores entre siacute los cuales se pueden dar sombra unos a otros y
las peacuterdidas inherentes a cada colector que son motivo del aacutengulo de incidencia el
cual provoca que en los extremos del colector haya una peacuterdida de superficie reflexiva
uacutetil La existencia del aacutengulo de incidencia tambieacuten afecta a los valores de la
reflectividad absortividad y transmisividad ya que estos paraacutemetros presentan su
valor maacuteximo cuando el aacutengulo de incidencia es 0deg (Hidalgo 2012)
172 Peacuterdidas oacutepticas Se deben a imperfecciones en los materiales que componen
el colector la superficie del concentrador no es un reflector perfecto ni el vidrio del
tubo absorbedor es completamente transparente ni el recubrimiento selectivo del
tubo metaacutelico es un absorbedor perfecto Los cuatro paraacutemetros que intervienen en
las peacuterdidas oacutepticas de un canal paraboacutelico son la reflectividad de los espejos
paraboacutelicos la absortancia del tubo metaacutelico la transmitancia de la cubierta de vidrio
y el factor de interceptacioacuten (Hidalgo 2012)
Reflectancia ρ no toda la energiacutea incidente es reflejada hacia el tubo
absorbedor
Absortancia α cantidad de radiacioacuten que absorbe la superficie selectiva del
tubo metaacutelico
Transmitancia 120591 de aquella radiacioacuten que intercepta el tubo de vidrio solo
una parte consigue atravesarlo
Factor de interceptacioacuten γ no toda la radiacioacuten reflejada por los espejos
acaba incidiendo sobre el tubo absorbedor Las causas son diversas imperfecciones
en los espejos un mal posicionamiento de los colectores etc
173 Peacuterdidas teacutermicas Principalmente se encuentran asociadas a dos elementos
del sistema el tubo absorbedor y las tuberiacuteas de fluido teacutermico Las perdidas
asociadas estaacuten formadas por perdidas por conduccioacuten por conveccioacuten y por
radiacioacuten de los diferentes medios que conforman el conjunto del tubo absorbedor
es decir por el tubo metaacutelico la cubierta de cristal y la atmosfera De manera que
la potencia teacutermica disipada en el colector equivale a la suma de las peacuterdidas teacutermicas
en el receptor y las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas por donde circula el fluido
teacutermico (HTF) (Hidalgo 2012)
18
Peacuterdidas teacutermicas en el aceite teacutermico (HTF)
Las peacuterdidas teacutermicas asociadas al tubo absorbedor (119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905) se deben a la
diferencia de temperaturas entre eacuteste y el ambiente pudiendo ser por conduccioacuten
por radiacioacuten y por conveccioacuten desde el tubo absorbedor al ambiente Aunque cada
una de estas peacuterdidas podriacutea calcularse aplicando las ecuaciones que rigen los
mecanismos de transferencia de calor antes mencionados en la praacutectica las
peacuterdidas teacutermicas globales en un colector se cuantifican mediante ecuaciones
experimentales (Hidalgo 2012)
18 Rendimiento de un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Como consecuencia de todas las peacuterdidas oacutepticas geomeacutetricas y teacutermicas que
existen en un CCP la energiacutea teacutermica uacutetil que da un CCP es menor que la que dariacutea
en condiciones ideales cuando no existieran dichas peacuterdidas
En un CCP se suelen definir tres rendimientos diferentes y un paraacutemetro
I) Rendimiento oacuteptico con un aacutengulo de incidencia de 0ordm (rendimiento oacuteptico pico)
Tiene en cuenta todas las peacuterdidas oacutepticas que tienen lugar en el colector con un
aacutengulo de incidencia de 0ordm Su valor viene dado por el producto de estos cuatro
factores reflectividad de los espejos transmisividad del tubo de vidrio factor de
interceptacioacuten (que tiene en cuenta la parte de radiacioacuten reflejada que por cualquier
causa no alcanza el absorbente) y absortividad de la superficie selectiva que recubre
el tubo metaacutelico absorbente
II) Rendimiento teacutermico Considera todas las peacuterdidas teacutermicas que tienen lugar en
el colector
III) Rendimiento global Considera todas las peacuterdidas tanto oacutepticas como
geomeacutetricas y teacutermicas que tienen lugar en el colector
IV) Modificador por aacutengulo de incidencia Considera todas las peacuterdidas oacutepticas y
geomeacutetricas que tienen lugar en el colector para un aacutengulo de incidencia ϕ ne 0ordmy que
no se tienen en cuenta en rendimiento oacuteptico (peacuterdidas geomeacutetricas de final de
colector bloqueo de la radiacioacuten concentrada por parte de los soportes del tubo
absorbente e influencia del aacutengulo de incidencia en la absortividad y transmisividad
del tubo absorbente y en la reflectividad de los espejos) (Paredes 2012)
19 Disentildeos hiacutebridos
En general las formas de concentracioacuten de la energiacutea solar se pueden dividir en
tecnologiacuteas lineales y de enfoque puntual Los canales paraboacutelicos y los colectores
lineales Fresnel pertenecen a las tecnologiacuteas de enfoque lineal mientras que las
tecnologiacuteas de enfoque de puntos principales son el receptor central (torre solar) y el
reflector paraboacutelico (disco) Desde el punto de la disponibilidad del mercado y el
estado actual de desarrollo para el presente estudio de caso se han elegido las
siguientes tres opciones de tecnologiacutea Lineal Fresnel (LF) Ciliacutendrico Paraboacutelico
19
(CCP) y Torre Central (STC) Para todas las opciones de CSP nombradas hay
diferentes configuraciones de tecnologiacuteas posibles cuyo rango se muestra en la tabla
1 (E Burin 2016)
Tabla 1 Rangos para las 3 tecnologiacuteas posibles
Unidad LF CCP STC
Fluido teacutermico
(HTF)
- Aceite teacutermico
Agua
Sal
Aceite teacutermico
Agua
sal
Agua
Sal
Aire
Concentracioacuten - 25-100 70-80 300-1000
Rango de
temperatura
oC 380-600(ST) 380-600(ST) 565(ST)
Performance MWel 10-200 10-200 10-150
Capacidad de
corriente instalada
1 88 11
Proporcioacuten de las
obras (2012)
6 75 18
(ST) Steam Turbine
Fuente(Reuszlig 2012 Pitz-Paal 2013 REN 2013)
Debido a la diferente etapa de desarrollo teacutecnico de las tres tecnologiacuteas de CSP y
sus HTF para el estudio de caso se examinaron las siguientes combinaciones CCP
(aceite teacutermico) LF (agua vapor) y STC (agua vapor)
En cuanto a los disentildeos de integracioacuten de las tres tecnologiacuteas de CSP elegidas
desde el punto de vista termodinaacutemico es esforzarse por alcanzar un nivel de
temperatura lo maacutes alto posible para el calor solar agregado Por esa razoacuten el calor
solar agregado se usoacute aquiacute para proporcionar calor para el precalentamiento del agua
de alimentacioacuten a alta presioacuten asiacute como para la produccioacuten paralela de vapor
saturado y vapor vivo en paralelo con los generadores de vapor de bagazo Los
diagramas de flujo de proceso de los tres disentildeos de integracioacuten se muestran en la
siguiente figura
20
Figura 9 Diagramas de flujo de proceso de los tres disentildeos de integracioacuten posibles
En el disentildeo 1 el calor solar reemplaza completamente la extraccioacuten a alta presioacuten
de la turbina CEST Para este propoacutesito el campo solar proporciona en el punto de
disentildeo un rendimiento teacutermico equivalente a la demanda de calor requerida para el
calentador de agua de alimentacioacuten de alta presioacuten Debido al modo de operacioacuten de
ahorro de combustible este reemplazo y la cantidad reducida de bagazo quemado
afecta el rendimiento de la turbina CEST asiacute como la liacutenea de calentamiento del agua
de alimentacioacuten Debido a que no se realiza la extraccioacuten de vapor de alta presioacuten en
el tiempo en que el campo este trabajando se seleccionoacute las tecnologiacuteas CCP y LF
Cabe sentildealar que no es posible una operacioacuten de solo solar
El disentildeo de integracioacuten 2 permite una produccioacuten paralela de vapor saturado con
calor solar para reducir el consumo de bagazo Por lo tanto parte del flujo de masa
de agua de alimentacioacuten principal que va a los generadores de vapor se desviacutea Este
flujo maacutesico secundario pasa en el caso de CCP a traveacutes de un generador de vapor
solar tiacutepico mientras que en el caso de la LF se alimenta directamente al campo
solar En ambos casos se produce vapor saturado a 67 bar que luego se une al flujo
de masa principal dentro de los generadores de vapor para el sobrecalentamiento
En consecuencia el disentildeo de integracioacuten 2 solo afecta el rendimiento de los
21
generadores de vapor mientras que las condiciones de vapor vivo permanecen
iguales Al mantener el estudio de caso cerca de la viabilidad teacutecnica deben
respetarse las condiciones teacutecnicas de contorno de los generadores de vapor Con
el fin de evitar fuertes desequilibrios en estos componentes se asumioacute que se permite
reducir la carga del generador de vapor a un nivel miacutenimo del 85 Del mismo modo
este disentildeo no permite una operacioacuten solo solar
En el disentildeo de integracioacuten 3 el calor solar desplaza al generador de vapor de
carga teacutermica Una parte del agua de alimentacioacuten se deriva de los generadores de
vapor A medida que pasa a traveacutes del sistema de torre solar se produce vapor
sobrecalentado a 520 deg C y 67 bar Esta integracioacuten afecta solo el rendimiento teacutermico
de los generadores de vapor mientras que el ciclo agua vapor se opera en modo
normal En comparacioacuten con el disentildeo de integracioacuten 2 la operacioacuten de los
generadores de vapor se simplifica Eso significa que los generadores de vapor
funcionan aquiacute con una carga parcial normal de 100 a 65 de carga Con respecto
a eso al permitir una carga miacutenima del generador de vapor del 65 en el punto de
disentildeo solar la torre solar fue disentildeada para proporcionar todo el calor restante
necesario Cabe sentildealar que para el disentildeo de integracioacuten 3 es posible una
operacioacuten solo solar cuando la instalacioacuten de cantildea de azuacutecar estaacute fuera de servicio
Tabla 2 Muacuteltiplo solar simulado seguacuten la tecnologiacutea de CSP
Disentildeo Tecnologiacutea Muacuteltiplo solar
simulado
Disentildeo 1 CCP
LF
09 - 14
08 - 14
Disentildeo 2 CCP
LF
09 - 13
08 - 14
Disentildeo 3 STC 08 - 40
Seleccioacuten del Disentildeo y la tecnologiacutea
Luego del anaacutelisis acerca del disentildeo y la tecnologiacutea a emplear en este proyecto se
decidioacute elegir la tecnologiacutea de colectores ciliacutendricos paraboacutelicos (CCP) y el disentildeo
nuacutemero 1 Los colectores de canal paraboacutelico son los maacutes empleados en el mundo
actualmente y lleva siendo instalada a nivel comercial desde los antildeos 80 con un
excepcional comportamiento Desde entonces ha experimentado importantes
mejoras a nivel de costes y rendimientos Hoy diacutea hay maacutes de 1 GWe en operacioacuten
maacutes de 800 MWe en construccioacuten y maacutes de 2 GWe en promocioacuten a nivel mundial
22
Para las condiciones de nuestro paiacutes esta tecnologiacutea pudiera ser la maacutes factible y
segura tambieacuten contamos en Cuba con industrias que poseen capacidad
maquinaria y herramientas para llegar a construir gran parte del equipo como las
bases y estructuras metaacutelicas teniendo que importarse solamente el tubo
absolvedor Reduciendo esto los costos en gran medida ejemplo de esto es la faacutebrica
de antena de Santa Clara que ya han construido maquetas de un equipo de esta
tecnologiacutea y se encuentran en condiciones de comenzar una produccioacuten a mayor
escala
110 Influencia de la industria azucarera en Cuba
La escasez de recursos energeacuteticos primarios junto con la afectacioacuten ambiental
resultante de la utilizacioacuten irracional de la energiacutea asociada a la actividad humana
obliga a la buacutesqueda de fuentes alternativas en especial fuentes renovables de
energiacutea La biomasa ha sido fuente de energiacutea desde tiempos inmemoriales fue de
hecho el primer combustible que empleoacute el hombre pero no obstante sus milenios
de utilizacioacuten la biomasa continuacutea ocupando un lugar importante en la matriz
energeacutetica a nivel mundial y continuaraacute sieacutendolo La biomasa es un combustible
renovable se encuentra ampliamente distribuida a nivel mundial y resulta en muchas
ocasiones un subproducto de ciertos procesos productivos (agriacutecolas e industriales)
En Cuba existen diferentes tipos de biomasa con posibilidades econoacutemicas de
empleo entre las maacutes importantes estaacuten el bagazo y los residuos agriacutecolas de la
cantildea de azuacutecar la lentildea y el raleo de los bosques el marabuacute la cascara de arroz y
los residuos del cafeacute En la proyeccioacuten estrateacutegica de la generacioacuten de electricidad en
Cuba para el 2030 se considera que las fuentes renovables de energiacutea alcanzaran
el 24 del total (en la actualidad representan el 43 ) y la biomasa representaraacute el
14 del total por lo que ella representaraacute el 58 de la electricidad obtenida con
fuentes renovables Este proceso de generacioacuten de electricidad con biomasa se
centraraacute casi totalmente en la industria azucarera lo que conlleva a un problema
fundamental que consiste en que la zafra se realiza en tan solo 5 meses
aproximadamente y se necesita que la generacioacuten sea durante todo el antildeo En la
actualidad existen tecnologiacuteas disponibles y posibilidades para su empleo que
permiten valorar diferentes alternativas para incrementar sustantivamente el
potencial de generacioacuten eleacutectrica de los centrales azucareros como son las
bioeleacutectricas las cuales se plantea la instalacioacuten de alrededor de 25 en toda Cuba lo
que requiere de un suministro adicional de combustible para el resto del antildeo en que
no hay zafra Para esto planteamos en este trabajo la hibridacioacuten con un campo termo
solar que permita el ahorro de combustible y su posterior uso en los meses en que
no hay zafra
En nuestro paiacutes se sigue una poliacutetica de desarrollo sostenible y se ha comenzado
una serie de proyectos en la industria azucarera buscando modificaciones que
permitan un aumento en la energiacutea generada por toneladas de cantildea molida Para
23
esto se valoran aspectos como la variacioacuten de los paraacutemetros de explotacioacuten (presioacuten
y temperatura) de las plantas generadoras y las que consumen vapor mejorar el
secado del bagazo que se quema en las calderas hibridar los generadores de vapor
con energiacutea solar y aumentar la entrega al SEN haciendo un uso eficiente de la
electricidad que se consume asiacute como evitar las paradas imprevistas
Las Bioeleacutectricas suscitan hoy creciente intereacutes en el mundo y en Cuba ante la
necesidad de produccioacuten de energiacutea compatible con el medio ambiente Actualmente
una decena de naciones son paradigmas en el uso de esas instalaciones Isla
Reunioacuten India Isla Mauricio Australia Isla Guadalupe Belice Guatemala Estados
Unidos Costa Rica China y particularmente Brasil que posee 160 de 188 existentes
en el orbe Globalmente estas unidades tienen un potencia instalada de maacutes 2800
megavatios y de esa cifra al menos dos mil corresponden a Brasil secundado en
cuanto a cantidad de Bioeleacutectricas por India (14) Isla Mauricio (3) Isla Reunioacuten (2)
mientras que los restantes paiacuteses mencionados poseen una individualmente
(Salomoacuten 2016)
111 Propuesta para la hibridacioacuten de la bioeleacutectrica con energiacutea renovable
En el paiacutes se lucha hoy por un acercamiento hacia las tecnologiacuteas de energiacutea
renovables Con el propoacutesito de convertir todos los sistemas de generacioacuten de
energiacutea eleacutectrica en sistemas maacutes compatibles con el medio ambiente La hibridacioacuten
de la caldera del central George Washington consiste en disentildear un campo de
Colectores Ciliacutendricos Paraboacutelicos prototipo (EUROTrough-150) Con el fin de elevar
la temperatura del agua proveniente del proceso hasta los 260 oC e inyectarla al
economizador de la caldera para ahorrar bagazo que pudiera ser utilizado en los
restantes meses del antildeo cuando no hay zafra para la produccioacuten de energiacutea eleacutectrica
y su entrega al sistema energeacutetico nacional En el siguiente esquema se muestra la
propuesta planteada para la hibridacioacuten
24
Figura 10 Esquema de la hibridacion con colectores solares
25
Seguacuten un documento sobre eficiencia energeacutetica emitido por el Instituto Cubano de
Investigaciones Azucareras (ICINAZ) a todos los centrales del paiacutes se hace relacioacuten
en cuanto a la temperatura del agua de alimentacioacuten de la caldera y cuanto incide
esto en la eficiencia de dicha caldera Quedando que por cada 5 ordmC que se
incrementa la temperatura del agua de alimentacioacuten se incrementa 1 la eficiencia
de la caldera Siendo esto una justificacioacuten razonable para la propuesta planteada
que eleva la temperatura del agua de alimentacioacuten de 166 ordmC a 260 ordmC Alterando
la temperatura unos 94 ordmC influyendo esto en el aumento de la eficiencia en 18
puntos porcentuales
Conclusiones parciales
En este capiacutetulo se realizoacute una amplia revisioacuten bibliograacutefica que abordoacute el estado
del arte y avances tecnoloacutegicos maacutes importantes para los temas relacionados con
esta investigacioacuten que fueron el de energiacutea solar teacutermica y todo lo relacionado con
las bioeleacutectricas a nivel mundial y en nuestro paiacutes Tambieacuten se realizoacute un anaacutelisis
exhaustivo para la determinacioacuten de la tecnologiacutea de sistemas de concentracioacuten
solar lo que resulto que el sistema de Colectores Ciliacutendricos Paraboacutelicos prototipo
EUROTrough-150 es el maacutes factible para su instalacioacuten en Cuba y posteriormente
pudiera ser fabricado por industrias nacionales El disentildeo de incorporacioacuten del
campo al esquema termodinaacutemico de la bioeleacutectrica resulto ser maacutes factible y de
menores transformaciones tecnoloacutegicas en la estructura del central el de
incorporarlo antes de la caldera y que este inyecte el agua calentada directamente
al economizador realizando el salto teacutermico del agua en un intercambiador de calor
existente en la interseccioacuten del campo con la tuberiacutea del agua proveniente de las
bombas
26
Capiacutetulo 2 Materiales y Meacutetodos En este capiacutetulo se describen los programas y foacutermulas utilizadas para el caacutelculo de los objetivos planteados
La presente investigacioacuten se realizoacute desde enero hasta mayo del 2018 Para la realizacioacuten de los caacutelculos se utilizaron los softwares Engineering Equation Solver (EES) (2004) Matlab (2010) y Excel (2016)
Tabla 3 Condiciones de frontera para la bioeleacutectrica
21 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB uml George Washington uml
En este apartado se realizaraacute la evaluacioacuten del recurso solar disponible en el emplazamiento analizado El estudio del potencial solar en el emplazamiento consiste en el anaacutelisis de los datos de radiacioacuten disponibles el tratamiento de los mismos la estimacioacuten de las variabilidades asociadas y el caacutelculo de la produccioacuten una vez consideradas todas las peacuterdidas A la hora de evaluar el recurso solar y a falta de una medida precisa y especiacutefica en el propio emplazamiento se ha recurrido a diversas fuentes para la obtencioacuten de datos de radiacioacuten con el fin de realizar un ajuste estadiacutestico de los mismos y minimizar los errores asociados a ellos
Para el caacutelculo del potencial solar en la zona del central umlGeorge Washingtonuml fue necesario calcular la radiacioacuten solar directa (DNI) que incide en ese lugar y la duracioacuten diurna del diacutea
211 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa
Para el caacutelculo de la radiacioacuten solar directa en la zona de la UEB uml George Washington uml se tomaron como coordenadas de referencia la latitud y la longitud Lat 22587 Long -80244
Para ello se utilizaron modelos estadiacutesticos que permitieron obtener varios valores de radiacioacuten solar directa (DNI) teniendo en cuenta la posicioacuten geograacutefica del lugar y el diacutea del antildeo que se analiza dicha radiacioacuten En este caso se usoacute la foacutermula para condiciones normales
DNI = 1230 ∙ e^ (minus1
38∙cos∙(120579120579120579minus16)) (1)
27
Doacutende
Aacutengulo de incidencia solar θs El valor del aacutengulo de incidencia (θs) sobre la normal a una superficie plana estaacute dado por la siguiente foacutermulaθs
120579119904 = cosminus1(sin 119889 ∙ sin 119871 ∙ cos 119904 minus sin 119889 ∙ cos 119871 ∙ sin 119904 ∙ cos 119892 + cos 119889 cos 119871 ∙ cos 119904 ∙ cos 119908 +cos 119889 ∙ sin 119871 ∙ sin 119904 ∙ cos 119908 ∙ cos 119892 + cos 119892 ∙ sin 119904 ∙ sin 119892 ∙ sin 119908) (2)
Doacutende
d- Aacutengulo de declinacioacuten L- Latitud geograacutefica s- Inclinacioacuten del colector g- Orientacioacuten del colector w- Aacutengulo horario
212 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea (nuacutemero de horas en que el sol estaacute
sobre el horizonte)
119915 = 120784 ∙119934119930
120783120787 (3)
Doacutende
119830119826 = 119836119848119852minus120783(minus 119853119834119847 119923 ∙ 119853119834119847 119941) (4)
L-Latitud geograacutefica
d-Declinacioacuten
Se compararon los resultados de DNI por la metodologiacutea utilizada en este trabajo con la base de datos de la NASA (httpeosweblarcnasagovsse 2017)
Aun asiacute los lugares para desarrollar aplicaciones de energiacutea solar teacutermica por concentracioacuten deben cumplir con unos estaacutendares de acuerdo a la radiacioacuten solar perpendicular a la superficie incidente sobre un metro cuadrado para que sea eficiente dicha instalacioacuten lo cual se valora de la siguiente manera
Se tuvieron en cuenta los valores de radiacioacuten solar directa (kWm2diacutea) (GESIME 2014)
No idoacuteneos Hasta 1700 kWhmsup2antildeo (47 kWhmsup2diacutea)
Idoacuteneos Entre 1700 y 2700 kWhmsup2antildeo (47 y 74 kWhmsup2diacutea)
Oacuteptimos Maacutes de 2700 kWhmsup2antildeo (74 kWhmsup2diacutea)
28
213 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
El colector ciliacutendrico paraboacutelico que se propuso fue el (Eurotrough-150) cuyas caracteriacutesticas se observaran en la tabla4 y figura 11
Tabla 4 Caracteriacutesticas del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico Eurotrough-150 (ET-150)
Figura 11 Prototipo EUROTrough en la Plataforma Solar de Almeriacutea Espantildea
Para el caacutelculo del rendimiento global de un Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico hay que realizar un balance energeacutetico teniendo en cuenta las peacuterdidas que suceden en el mismo
Caracteriacutesticas um
Ancho de apertura 577 m
Longitud total de cada colector 150 m
Aacuterea de apertura del colector 8175 m2
Longitud focal 171 m
Longitud del absorbedor 41 m
Radio exterior del absorbedor 0035 m
Radio interior del absorbedor 00325 m
Distancia entre filas de colectores 17 m
Rendimiento Oacuteptico pico 78
Factor de ensuciamiento 95
Disponibilidad 97
29
214 Peacuterdidas geomeacutetricas
La geometriacutea del canal paraboacutelico lleva asociada una disminucioacuten del aacuterea efectiva de captacioacuten Estas peacuterdidas se dividen en dos grupos Peacuterdidas debidas a la posicioacuten relativa de los colectores los cuales se pueden dar sombra unos a otros Peacuterdidas inherentes a cada colector son las debidas al aacutengulo de incidencia de
la radiacioacuten solar (g) respecto a la normal del plano de apertura del colector (figura
12)
Figura 12 Aacutengulo de incidencia en un Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
Como consecuencia de este aacutengulo existe una peacuterdida de superficie reflexiva uacutetil en los extremos del colector Por tanto el aacutengulo de incidencia tiene gran importancia sobre el comportamiento teacutermico del colector puesto que limita la cantidad de radiacioacuten solar que se puede aprovechar Se hizo una comparacioacuten del aacutengulo de incidencia en cuanto a la orientacioacuten y el seguimiento solar del colector ciliacutendrico paraboacutelico
Si la orientacioacuten (g) es de Norte-Sur con seguimiento solar Este-Oeste g = 0ordm
Si la orientacioacuten (g) es de Este-Oeste con seguimiento solar Norte-Sur g = 90ordm
Declinacioacuten seguacuten foacutermula de Cooper (Ribot J 2001)
119889 = 2345 ∙ 119904119890119899 [360 ∙(284+119899)
365] (5)
Siendo ldquonrdquo el nuacutemero de diacutea natural para el 1 de enero n=1 y para el 31 de diciembre
n=365
El aacutengulo horario se calcula seguacuten la foacutermula
30
120591 = 15deg ∙ (ℎ119904 minus 12) (6)
Siendo ldquohsrdquo las horas de reloj El valor es negativo por la mantildeana y positivo tras el mediodiacutea y cero al mediodiacutea solar
Se consideroacute el aacutengulo horario 0ordm por ser el mediodiacutea solar donde maacutes radiacioacuten incide sobre la tierra con el objetivo de simplificar los caacutelculos
Se consideroacute el aacutengulo de inclinacioacuten igual a 0ordm (disposicioacuten horizontal) por ser maacutes eficiente
La latitud del lugar en estudio (UEB uml George Washington uml) Santo Domingo es de 22587ordm
Las peacuterdidas asociadas al aacutengulo de incidencia son miacutenimas cuando el aacutengulo es
0ordm cos 120579119904 = 1 y maacuteximas cuando es 90ordm Por tanto cuanto menor sea el aacutengulo de incidencia mayor es la energiacutea solar incidente sobre el colector y mayor es el rendimiento del mismo
215 Peacuterdidas oacutepticas
Caacutelculo del rendimiento oacuteptico pico del colector 120578119900119901119905119874119900 que es aquel que tiene en
cuenta todas las peacuterdidas oacutepticas que tienen lugar en el captador con un aacutengulo de incidencia de 0ordm 120578119900119901119905119874119900 = 120588 ∙ 120574 ∙ 120591 ∙ 120572 (7)
Donde
120588 Reflectancia no toda la energiacutea incidente es reflejada hacia el tubo absorbedor
120574 Factor de interceptacioacuten no toda la radiacioacuten reflejada por los espejos acaba incidiendo sobre el tubo absorbedor Las causas son diversas imperfecciones en los espejos un mal posicionamiento de los colectores etc
120591 Transmitancia de aquella radiacioacuten que intercepta el tubo de vidrio solo una parte consigue atravesarlo
α Absortancia cantidad de radiacioacuten que absorbe la superficie selectiva del tubo metaacutelico
Ademaacutes de las peacuterdidas debidas al aacutengulo de incidencia existen otras peacuterdidas que se asocian a dicho aacutengulo El efecto del aacutengulo de incidencia en el rendimiento del CCP se cuantifica mediante el modificador por aacutengulo de incidencia 119870(120579119904) Eacuteste considera todas las peacuterdidas oacutepticas y geomeacutetricas que tienen lugar en el captador
para un aacutengulo de incidencia 120579119904 ne 0ordm y que no se tienen en cuenta en el rendimiento oacuteptico pico
31
El modificador por el aacutengulo de incidencia depende directamente del aacutengulo de
incidencia siendo 119870(120579119904) = 1 para 120579119904 = 0deg y siendo 119870(120579119904) =0 para 120579119904 = 90deg y se
obtiene como funcioacuten de eacuteste seguacuten la expresioacuten
119870(120579119904) = 1 minus 223073 ∙ 10minus4 ∙ (120579119904) minus 11 ∙ 10minus4 ∙ (1205791199042) + 318596 ∙ 10minus6 ∙ (120579119904
3) minus 485509 ∙
10minus9 ∙ (1205791199044) (8)
216 Peacuterdidas teacutermicas
Las peacuterdidas teacutermicas que tiene lugar en un CCP dan como consecuencia que la energiacutea teacutermica uacutetil sea menor que la energiacutea solar absorbida por el colector Teniendo en cuenta esto la potencia teacutermica uacutetil por colector seraacute igual la diferencia entre los calores absorbido y perdido
119906119905119894119897 = 119886119887119904 minus 119901119890119903119889 (9)
Doacutende
119906119905119894119897 ∶ 119875119900119905119890119899119888119894119886 119905eacute119903119898119894119888119886 uacute119905119894119897 119901119900119903 119888119900119897119890119888119905119900119903 (119882)
119886119887119904 119862119886119897119900119903 119886119887119904119900119903119887119894119889119900 119901119900119903 119890119897 119891119897119906119894119889119900 119889119890 119905119903119886119899119904119891119890119903119890119899119888119894119886 119889119890 119888119886119897119900119903 (119867119879119865) (119882)
119901119890119903119889 119875eacute119903119889119894119889119886119904 119905eacute119903119898119894119888119886119904 119889119890119897 119867119879119865 119886119897 119886119898119887119894119890119899119905119890 (119882)
Peacuterdidas teacutermicas en el aceite teacutermico (HTF) Las peacuterdidas teacutermicas se producen a lo largo del circuito por donde se mueve el fluido teacutermico principalmente en dos lugares en el tubo absorbedor y en las tuberiacuteas del campo de colectores De manera que la potencia teacutermica disipada en el colector equivale a la suma de las peacuterdidas teacutermicas en el receptor y las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas por donde circula el fluido teacutermico (HTF)
119876119901119890119903119889 = 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 + 119875119890119903119889119905119906119887119890119903 (10)
Las peacuterdidas teacutermicas asociadas al tubo absorbedor 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 se deben a la diferencia de temperaturas entre eacuteste y el ambiente pudiendo ser por conduccioacuten por radiacioacuten y por conveccioacuten desde el tubo absobedor al ambiente Aunque cada una de estas peacuterdidas podriacutea calcularse aplicando las ecuaciones que rigen los mecanismos de transferencia de calor antes mencionados en la praacutectica las peacuterdidas teacutermicas globales en un colector se cuantifican mediante ecuaciones experimentales Asiacute las peacuterdidas teacutermicas en el tubo absorbedor por metro longitudinal de colector vienen dadas por la ecuacioacuten
119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 =1198751198901199031198891+1198751198901199031198892+1198751198901199031198893+1198751198901199031198894
119879119904minus119879119890 (11)
32
Doacutende
1198751198901199031198891 = (1198600 + 1198605 ∙ radic119907) ∙ (119879119904 minus 119879119890) (12)
1198751198901199031198892 = (1198601 + 1198606 ∙ radic119907) ∙ (119879119904
2minus1198791198902
2minus 119879119886119898119887 ∙ (119879119904 minus 119879119890)) (13)
1198751198901199031198893 = (1198602+1198604∙119863119873119868∙119870(120579119904)∙cos(120579119904)
3∙ (119879119904
3 minus 1198791198903)) (14)
1198751198901199031198894 =1198603
4∙ (119879119904
4 minus 1198791198904) (15)
Siendo
119879119904 Temperatura del HTF a la salida del campo solar
119879119890 Temperaturas del HTF a la entrada del campo solar
119879119886119898119887 Temperatura ambiente
119907 Velocidad del viento (ms)
Los coeficientes empleados en las foacutermulas se recogen en la tabla 5
Tabla 5 Coeficientes de peacuterdidas teacutermicas
A0 405
A1 0247
A2 -000146
A3 565E-06
A4 762E-08
A5 -17
A6 00125
En general las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas (119875119890119903119889119905119906119887119890119903 ) del campo de colectores son pequentildeas del orden de 8 Wm2 Finalmente la potencia teacutermica disipada por el aceite teacutermico a su paso por un colector es
33
119901119890119903119889 = 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 ∙ 119871119888119900119897119890119888119905119900119903 + 119875119890119903119889119905119906119887119890119903 ∙ 119878119888 (16)
Doacutende
119878119888 Aacuterea de apertura del colector (Ver tabla 1)
Un colector como todos los sistemas de concentracioacuten de la energiacutea solar solo puede aprovechar la radiacioacuten solar que incide normal a su plano de apertura De esta forma la energiacutea solar por unidad de tiempo y en el punto de disentildeo que incide sobre la superficie de apertura de un CCP viene dada por la ecuacioacuten
119904119900119897 = 119863119873119868 ∙ cos(120579119904) ∙ 119878119888 (17)
La potencia absorbida por el colector 119886119887119904 va a ser menor que la 119904119900119897 ya que eacutesta uacuteltima no tiene en cuenta las peacuterdidas oacutepticas y geomeacutetricas en el colector ni la limpieza de los espejos ni la disponibilidad del campo solar La radiacioacuten solar absorbida en un colector CCP viene dada por la ecuacioacuten
119886119887119904 = 119863119873119868 ∙ cos(120579119904) ∙ 119878119888 ∙ 119870 ∙ (120579119904) ∙ Ƞ1199001199011199050ordm ∙ 119865119888 ∙ 119865119889119894119904119901 (18)
Siendo
119865119888 Factor de ensuciamiento de los espejos (95 )Tiene en cuenta que aunque los espejos se limpien no recuperan su estado inicial 119865119889119894119904119901 Factor de disponibilidad (97 ) Fraccioacuten del campo solar que estaacute en
operacioacuten y captando la energiacutea solar El rendimiento global de un CCP viene dado por el cociente entre el aumento de entalpia en el HTF a su paso por el colector y la energiacutea solar incidente sobre el captador
Ƞ119888119900119897119890119888 =119876119906119905119894119897
119876119904119900119897 (19)
22 Dimensionamiento del campo solar de la zona de la UEB uml George
Washington uml
El dimensionamiento del campo solar consiste en determinar el nuacutemero de CCPs (o nuacutemero de lazos) necesarios para aportar la energiacutea que demanda este en el punto de disentildeo (Hidalgo 2012)
Para dimensionar el campo solar es necesario evaluar las condiciones del terreno
donde se va a realizar el montaje de los colectores y hacer un balance energeacutetico
del generador de vapor solar
34
221 Caracterizacioacuten del terrero
Se tuvo en cuenta el relieve y el tamantildeo del terreno cercano al central lo que resulto favorable para abaratar la inversioacuten en cuanto a movimientos de tierra y compra de terrenos Los recursos hiacutedricos ya tienen una infraestructura creada puesto que son necesarios para el proceso que realiza la faacutebrica actualmente Esto se basa en posos que bombean el agua hasta los filtros donde se realiza el tratamiento externo al agua y van luego al proceso todo este sistema ya se encuentra instalado y en buenas condiciones lo que resulta de gran ayuda para el proyecto futuro de Bioeleacutectrica
222 Balance energeacutetico en el generador de vapor solar (GVS)
Para calcular el nuacutemero de lazos necesarios en el campo solar es preciso conocer primero la potencia teacutermica que puede aportar el campo solar en el punto de disentildeo esto se determina mediante la foacutermula
119888119886119898119901119900 =119882119890119897119890119888119905
120578119905119906119903119887 (20)
Doacutende
119888119886119898119901119900 Potencia teacutermica del campo solar
119882119890119897119890119888119905 Potencia eleacutectrica de la turbina
120578119905119906119903119887 Eficiencia termo-mecaacutenica de la turbina (Se asumioacute de 68)
Seguidamente hay que establecer el balance de masas y energiacutea en el Generador de vapor solar (GVS) El GVS se disentildea para recuperar la energiacutea del fluido teacutermico procedente del campo solar Para el intercambiador de calor (GVS) se cumple que la cantidad de calor transferido por unidad de tiempo permanece constante o lo que es lo mismo la energiacutea total es la misma antes y despueacutes de cada transformacioacuten El balance energeacutetico en un intercambiador de calor se resuelve mediante la ecuacioacuten
119886119892119906119886 ∙ ∆119867119886119892119906119886 = 119886119888119890119894119905119890 ∙ ∆119867119886119888119890119894119905119890 (21)
Ademaacutes para cada fluido de forma individual se cumple que
= 119886119888119890119894119905119890 ∙ 119862119901119886119888119890119894119905119890∙ ∆119879 = 119898119886119888119890119894119905119890 ∙ (ℎ119904 minus ℎ119890) (22)
Doacutende
∆H Diferencia de entalpiacuteas a la entrada y a la salida del intercambiador (kJkg)
Q Potencia teacutermica intercambiada (kW)
35
m Caudal maacutesico (kgs) Cp Calor especiacutefico (kJkg ordmC)
∆T Diferencia de temperaturas a la entrada y la salida del intercambiador (ordmC) hs he Entalpiacuteas a la entrada y a la salida respectivamente (kJKg) Y seguacuten el teorema de conservacioacuten de la masa se tiene que
119890119899119905119903119886 = 119904119886119897119890
223 Caacutelculo del nuacutemero de lazos
Los caacutelculos que se han desarrollado en los acaacutepites anteriores constituyen los datos de partida para el caacutelculo del nuacutemero de colectores requeridos en el campo solar para poder alcanzar la potencia teacutermica demandada al campo solar
Caracteriacutesticas del aceite teacutermico (HTF)
El aceite teacutermico que se ha empleado como fluido calo-portador es Therminol VP-1 cuyo rango de temperatura de trabajo se encuentra entre 12-400ordmC La temperatura a la salida del campo solar no debe excederse de los 400ordmC ya que para temperaturas superiores el aceite se degrada y pierde sus propiedades teacutermicas A continuacioacuten se presentan las graacuteficas correspondientes a variacioacuten de densidad y entalpiacutea del aceite teacutermico Therminol VP-1 con la temperatura figuras 13 y 14 respectivamente y que han sido elaboradas a partir de datos del fabricante
Figura 13 Therminol VP-1 Entalpiacutea vs Temperatura
36
Figura 14 Therminol VP-1 Densidad vs Temperatura(Hidalgo 2012)
Para determinar el nuacutemero de lazos necesarios en el campo solar se ha seguido la siguiente metodologiacutea de caacutelculo
Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF
Incremento de temperatura del HTF en un colector
Nuacutemero de colectores necesarios por lazo Nuacutemero de lazos en el campo solar
224 Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF por cada lazo
El caudal de aceite estaacute controlado por la temperatura de salida del campo Cuando la radiacioacuten solar es baja el flujo se reduce con el objetivo de mantener la temperatura de salida del campo y por el contrario cuando la radiacioacuten solar es superior a la del punto de disentildeo los colectores se desenfocan para evitar que el aceite exceda los 393ordmC La velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor se calcula a partir de la expresioacuten del nuacutemero de Reynolds
119877119890 =119907∙119863∙120588
120583 (23)
Doacutende
119907 Velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor (ms) (Se asumioacute una
velocidad de 3 ms la cual es una velocidad econoacutemica)
119877119890 Nuacutemero de Reynolds (-)
120583 Viscosidad dinaacutemica del HTF a la temperatura media de trabajo (Pas)
119863 Diaacutemetro interior del tubo absorbedor (m)
120588 Densidad del HTF a la temperatura media de trabajo (kgm3)
37
Para cumplir con los requisitos de flujo turbulento el caudal miacutenimo de aceite que circula por un lazo en el punto de disentildeo es
= 119907 ∙ 119878 ∙ 120588 (24)
Siendo S en m2 la seccioacuten transversal interior del tubo absorbedor
225 Incremento de temperatura del HTF en un colector
La potencia teacutermica uacutetil del colector se invierte en aumentar la temperatura del aceite De esta forma el incremento de temperatura que sufre el aceite teacutermico a su paso por un colector es decir desde que entra en el colector y hasta que sale del mismo es
∆119879119888119900119897119890119888 = 119879119904 minus 119879119888 =uacute119905119894119897
∙119862119901 (25)
∆119879119888119900119897119890119888 Incremento de temperatura del aceite teacutermico en el colector (ordmC)
119879119888 119879119904 Temperatura del HTF a la entrada y a la salida del colector respectivamente
(ordmC)
119906119905119894119897 Potencia teacutermica uacutetil por colector (W)
Caudal maacutesico de aceite teacutermico por colector (kgs)
119862119901 Calor especiacutefico del aceite teacutermico a la temperatura media de trabajo (kJkg ordmC)
226 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
El incremento total de temperatura del HTF por lazo ΔT lazo es igual a la diferencia entre las temperaturas a la salida y a la entrada del campo solar Por tanto el nuacutemero teoacuterico de colectores en serie por lazo seraacute igual a
119873119888119900119897119890119888 =∆119879119897119886119911119900
∆119879119888119900119897119890119888 (26)
119873119888119900119897119890119888 Nuacutemero teoacuterico de colectores por lazo
∆119879119897119886119911119900 Incremento de temperatura por lazo (ordmC)
Esto implica el salto teacutermico y caudal maacutesico por lazo que es necesario tener el aceite para asiacute poder alcanzar la temperatura de entrada del agua en el economizador
227 Nuacutemero de lazos en el campo solar
A diferencia del nuacutemero de colectores que viene fijado por el salto de temperatura del aceite teacutermico en el campo el nuacutemero de lazos paralelos que conforman el campo solar depende de la potencia teacutermica demanda por el campo El nuacutemero de lazos es igual al cociente entre la potencia teacutermica del campo solar y la potencia teacutermica uacutetil por colector
38
119925119949119938119963119952 =119940119938119950119953119952
uacute119957119946119949 119935119949119938119963119952 (27)
Doacutende
119925119949119938119963119952 Nuacutemero de lazos
119940119938119950119953119952 Potencia teacutermica del campo solar (kW)
uacute119957119946119949 Potencia teacutermica uacutetil por lazo (kW)
23 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un
antildeo)
Para el caacutelculo de las toneladas de CO2 dejadas de emitir se utilizaraacute el iacutendice de
generacioacuten de una planta convencional de combustible foacutesil que para Cuba es de
270 gkWh Con este iacutendice y el aumento de la produccioacuten de energiacutea eleacutectrica con
la incorporacioacuten del campo solar se calcularaacute el ahorro de combustible foacutesil y a este
valor de combustible sustituido y el uso de los factores de emisioacuten de CO2 mostrados
en la siguiente (tabla 6) se podraacute determinar cuaacutentas toneladas de CO2 es capaz de
evitar la instalacioacuten del campo solar
Tabla 6 Factores de emisioacuten de especies especificadas
Tecnologiacutea CO (gkgf) SO2 (gkgf) NO2eq (gkgf) PM10
(gkgf)
CO2
(kgkgf)
CIE-HFO 24 27 128 528 306
CIE-DO 12 4 84 195 313
Fuente (EPA 2004)
24 Factibilidad econoacutemica del proyecto
Para el caacutelculo de la rentabilidad econoacutemica se optimizoacute la dimensioacuten del campo solar que fuera maacutes rentable para este trabajo donde se tuvo en cuenta el nuacutemero de lazos necesarios del campo y la tasa interna de retorno
241 Valor actual neto (VAN)
El VAN permite calcular el valor presente de un determinado nuacutemero de flujos de caja futuros originados por una inversioacuten teniendo en cuenta la peacuterdida de valor del dinero en el tiempo a traveacutes de una tasa de descuento (Martiacutenez 2017) y se calcula mediante la siguiente ecuacioacuten
39
(28)
Donde
119868119900 Costo inicial de la inversioacuten FC Flujo de caja n El tiempo para el cual se requiere calcular el VAN i La tasa de descuento Meacutetodo de caacutelculo mediante el Excel Para calcular el VAN es necesario conocer el flujo de caja teniendo en cuenta los ingresos y los gastos Ingresos El ingreso es debido a la venta de energiacutea eleacutectrica a la red para ello se utilizoacute un precio de 021 (USDkWh) Ingresos por ventas
119868119899119892119903119890119904119900=119875119903119890119888119894119900 (119880119878119863119896119882ℎ)lowast119864119899119890119903119892iacute119886 (29) Gastos Costo fijo de operacioacuten y mantenimiento Se calcula primero la inversioacuten total mediante la ecuacioacuten siguiente
119894119899119907119890119903119904119894oacute119899 119905119900119905119886119897=119862119900119904119905119900 119906119899119894119905119886119903119894119900 119889119890 119894119899119907119890119903119904119894oacuten (119880119878119863119896119882119890)lowast119875119900119905119890119899119888119894119886 (kWe) (30) Entonces se calcula el costo fijo de operacioacuten y mantenimiento
119862119891=119894119899119907119890119903119904119894oacute119899 119905119900119905119886119897lowast02 (31) Donde
119862119891 Costo fijo de operacioacuten y mantenimiento
Costo variable de operacioacuten y mantenimiento
119862119907=119864119899119903119892iacute119886 (119896119882ℎ)lowast002(119880119878119863119896119882ℎ) (32)
Donde
119862119907 Es el costo variable de operacioacuten y mantenimiento A continuacioacuten se calcula la utilidad antes de impuesto que es la diferencia entre los ingresos y los costos de operacioacuten fijo y variable 119880119879119860=119894119899119892119903119890119904119900minus(119862119891+119862119907) (33)
Donde
119880119879119860 Es la utilidad antes de impuesto o neta Entonces el impuesto en Cuba es del 35 de la utilidad neta
40
119868119898119901119906119890119904119905119900=035lowast(119880119878119863) (34)
El flujo de caja quedariacutea como
119865119888=119880119879119860 (119880119878119863)minus119868119898119901119906119890119904119905119900 (119880119878119863) (35)
Teniendo el flujo de caja se puede calcular el VAN aplicando la tasa de descuento
del 10
Si VAN gt 0 El proyecto es rentable
Si VAN = 0 El proyecto es postergado
Si VAN lt 0 El proyecto no es rentable
242 Tasa interna de retorno (TIR)
Se define como la tasa de descuento que iguala el VAN a cero
Si TIR gt tasa de descuento (r) El proyecto es aceptable
Si TIR = tasa de descuento (r) El proyecto es postergado
Si TIR lt tasa de descuento (r) El proyecto no es aceptable La TIR es aquella tasa de descuento que iguala el valor actual de la corriente de cobros con el valor actual de la corriente de pagos por lo que es la tasa de descuento que hace al VAN igual a cero y puede utilizarse como indicador de la rentabilidad de un proyecto se utiliza como uno de los criterios para decidir sobre la aceptacioacuten o rechazo de un proyecto de inversioacuten (Martiacutenez 2017) y se puede expresar de la siguiente forma
(36) Para simplificacioacuten de los caacutelculos se utilizoacute el software Microsoft Excel que de forma iterativa busca este valor se utilizoacute la estimacioacuten de los flujos de caja para 25 antildeos al igual que para el caacutelculo del VAN
243 Periacuteodo de recuperacioacuten de la inversioacuten
El periacuteodo de recuperacioacuten se cumple cuando la suma de los flujos de caja consecutivos desde el primer antildeo da como resultado el valor de la inversioacuten pero teniendo en cuenta el efecto del tiempo sobre el dinero Calculado de esta manera se conoce como periacuteodo de recuperacioacuten de la inversioacuten descontado Para obtenerlo se hallaron todos los flujos de caja para 25 antildeos consecutivos que es el tiempo de estudio del proyecto entonces se le restoacute el descuento correspondiente a cada antildeo y se graficoacute el resultado quedando como una curva
41
Conclusiones parciales
En este capiacutetulo se realizoacute un estudio de la metodologiacutea de caacutelculo para la
realizacioacuten del dimensionamiento del campo solar para la tecnologiacutea de colectores
cilindro paraboacutelico para esto se escogioacute la metodologiacutea planteada por (Hidalgo
2012) Siendo fundamental el estudio de la radiacioacuten solar de la zona en que estaacute
situada la instalacioacuten Tambieacuten se tuvo en cuenta el acceso a los recursos hiacutedricos
y la cercaniacutea a la red eleacutectrica nacional lo cual no tuvo ninguna dificultad puesto
que donde se pretende ubicar el campo ya existe una instalacioacuten con todas estas
necesidades cubiertas que es el central al cual se pretende convertir en
bioeleacutectrica Luego de estos anaacutelisis y una vez dimensionado el campo solar se
realizoacute el caacutelculo de la rentabilidad econoacutemica seguacuten lo planteado por (Martiacutenez
2017) planteaacutendose como principales indicadores econoacutemicos el costo nivelado de
la energiacutea generada costo de inversioacuten VAN y TIR El impacto ambiental se tuvo
en cuenta mediante el caacutelculo de las emisiones de CO2 dejadas de emitir si la
energiacutea generada con el excedente de bagazo ahorrado por la insercioacuten del campo
hubiera sido generada por una planta teacutermica convencional
42
Capiacutetulo 3 Resultados y Discusioacuten
En este capiacutetulo se exponen los resultados de los caacutelculos efectuados y a la vez se
interpreta el porqueacute de estos asiacute como la discusioacuten de las bibliografiacuteas consultadas
31 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB umlGeorge Washington uml
311 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa
Para el caacutelculo de la radiacioacuten solar directa (DNI) primeramente se halloacute el aacutengulo
de declinacioacuten de cada mes Dicho aacutengulo se anuloacute para el 22 de Marzo y el 23 de
Septiembre puesto que ocurren los equinoccios momento del antildeo en que el sol estaacute
situado en el plano del ecuador terrestre y alcanzoacute el valor maacuteximo positivo el 22 de
Junio y el valor maacuteximo negativo el 22 de diciembre diacuteas en que ocurren los
solsticios que son los momentos del antildeo en los que el sol alcanza su mayor o menor
altura aparente en el cielo y la duracioacuten del diacutea o de la noche son las maacuteximas del
antildeo respectivamente (figura 15)
Figura 15 Aacutengulo de declinacioacuten para los diferentes meses del antildeo
Los valores de DNI que inciden en la zona de la UEB umlGeorge Washingtonuml se
mantuvieron como promedio por encima de 10 kWhm2diacutea seguacuten la metodologiacutea
de caacutelculo empleada siendo oacuteptimos para la instalacioacuten de este tipo de tecnologiacutea
Esto pudiera ser debido a que por la metodologiacutea de caacutelculo solo se tuvo en cuenta
la latitud geograacutefica y el diacutea del antildeo en que se analizoacute dicha radiacioacuten por esta
razoacuten se observoacute que sus valores fueron mayores que los valores de radiacioacuten solar
-30
-20
-10
0
10
20
30
Gra
dos s
exagesim
ale
s
Aacutengulo de declinacioacuten
43
directa que aporta la base de datos de la NASA (httpeosweblarcnasagovsse
2017) como promedio 506 kWhm2diacutea y los aportados por el Instituto de
Meteorologiacutea cubano para esta zona (como promedio 582 kWhm2diacutea) idoacuteneo para
este tipo de tecnologiacutea de los datos de radiacioacuten analizados se utilizoacute para los
caacutelculos siguientes de dimensionamiento del campo los aportados por el instituto de
meteorologiacutea cubano por ser los maacutes especiacuteficos y detallados de todas las fuentes
consultadas Algunos meses como noviembre y diciembre no alcanzan el valor
idoacuteneo de 47 kWhm2-diacutea sin embargo (La Rosa 2014) planteoacute que Cuba se
localiza en una zona geograacutefica de alta radiacioacuten solar y que se caracteriza por la
gran cantidad de diacuteas soleados en el antildeo
Figura 16 Comparacioacuten entre el DNI calculado por la metodologiacutea el aportado por la NASA
y el obtenido por el Instituto de Meteorologiacutea cubano
En cada metro cuadrado del territorio cubano se recibe diariamente una cantidad de
energiacutea solar equivalente a medio kilogramo de petroacuteleo combustible valor
promedio praacutecticamente invariable durante todo el antildeo Otra de las caracteriacutesticas
de la radiacioacuten solar en Cuba es que su valor es casi igual en todo el paiacutes ya que
la diferencia en latitud desde el lugar maacutes bajo hasta el maacutes alto es de soacutelo 3 grados
Por lo tanto la radiacioacuten solar en Cuba es utilizable en todo el territorio y durante
todo el antildeo con un valor medio de maacutes de 5 kWhm2diacutea tanto en su forma de
bioenergiacutea o biomasa energiacutea hidraacuteulica energiacutea eoacutelica o directamente convertida
en calor o electricidad (Beacuterriz 2000)
0
2
4
6
8
10
12
14
DN
I (k
Whm
2-d
iacutea)
meses
Radiacioacuten solar
Calculado NASA Meteorologiacutea cubana
44
312 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea
Luego de haber calculado la semiduracioacuten diurna en grados sexagesimales (WS)
para cada diacutea del antildeo en la zona de la UEB umlGeorge Washingtonuml se calcularon las
horas de luz solar durante el diacutea lo cual se muestra promediado en la tabla 7 donde
se ve que esta es mayor que 10 horas asiacute como tambieacuten se observa que son maacutes
largos los diacuteas en los meses de verano (Abril-Agosto)
Tabla 7 promedio de horas de sol al diacutea por meses del antildeo
32 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
Se realizoacute el balance energeacutetico del CCP teniendo en cuenta las peacuterdidas que
sucedieron en el mismo debido a su fabricacioacuten y a su posicioacuten
321 Peacuterdidas geomeacutetricas
Peacuterdidas debidas a la posicioacuten relativa de los colectores
En este trabajo no se tuvo en cuenta las peacuterdidas por sombras ya que se asumioacute
que la construccioacuten de estos colectores iba a estar lo suficientemente separados
para que no se pudieran dar sombra unos a otros
Peacuterdidas inherentes a cada colector
Se comparoacute el aacutengulo de incidencia en cuanto a la orientacioacuten y el seguimiento solar
del colector ciliacutendrico paraboacutelico Se seleccionoacute la orientacioacuten N-S con seguimiento
solar E-O por lo que se seleccionoacute para el caacutelculo del resto de las variables (g = 0)
Para la inclinacioacuten del colector se tomoacute con eje horizontal (s = 0) Se consideroacute el
aacutengulo horario 0ordm por ser el mediodiacutea solar donde maacutes radiacioacuten incide sobre la
tierra con el objetivo de simplificar los caacutelculos
Con los datos calculados anteriormente se halloacute el aacutengulo de incidencia (figura 17)
En este caso se observa que a diferencia de la radiacioacuten solar directa el aacutengulo de
incidencia es menor para los meses de verano reafirmando que a menor aacutengulo de
incidencia mayor la radiacioacuten que va a captar el colector
enero febrero marzo abril mayo junio julio agosto septiembre octubre noviembre diciembre
108 112 119 125 131 134 132 127 121 114 109 106
45
Figura 17 Aacutengulo de incidencia por meses para una orientacioacuten N-S con seguimiento solar
E-O
322 Peacuterdidas oacutepticas
Las caracteriacutesticas oacutepticas del colector ET-150 se reflejaron en la tabla 8 y con estas
se calculoacute el rendimiento oacuteptico
Tabla 8 Caacutelculo del rendimiento oacuteptico
Rendimiento oacuteptico
ntilde Reflectividad superficie reflectora 090
ocirc Transmisividad del cristal absorbedor 095
aacute Absortividad del tubo del absorbedor 096
ɣ Factor de interceptacioacuten 095
Ƞopt0ordm= 078
Cuanto mayor es el valor del rendimiento oacuteptico mayor seraacute el rendimiento del
captador Asiacute cuanto mayor sea el valor de las variables que lo definen mejor seraacute
el rendimiento de los captadores (Rojas 2013)
Ademaacutes de las peacuterdidas debidas al aacutengulo de incidencia existen otras peacuterdidas que
se asocian a dicho aacutengulo El efecto del aacutengulo de incidencia en el rendimiento del
CCP se cuantifica mediante el modificador por aacutengulo de incidencia 119870(120579119904)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Gra
do
s se
xage
sim
ale
s
Aacutengulo de incidencia
46
323 Peacuterdidas teacutermicas
Se calculoacute la potencia teacutermica uacutetil la potencia teacutermica absorbida y la potencia
teacutermica perdida La energiacutea teacutermica uacutetil fue menor que la energiacutea teacutermica absorbida
Esto es debido a las peacuterdidas teacutermicas que se presentan en este tipo de tecnologiacutea
Durante los meses de verano existioacute un descenso de las diferentes potencias
calculadas a causa de las condiciones de nubosidad (lluvia) para esta eacutepoca del
antildeo (figura 18) Para los meses de invierno las potencias decrecieron debido a la
disminucioacuten de la radiacioacuten solar tiacutepico en esta eacutepoca del antildeo
Figura 18 Energiacutea solar por unidad de tiempo radiacioacuten solar absorbida en un colector
peacuterdidas teacutermicas y potencia teacutermica uacutetil para todos los meses del antildeo
Estas peacuterdidas teacutermicas influyeron negativamente en el rendimiento global del
colector CCP ET-150 que tuvo un valor aproximado al 70 Para los meses de
verano hubo un mayor rendimiento aunque este se vio afectado por la nubosidad
El funcionamiento teacutermico de cualquier captador solar estaacute determinado por el
llamado rendimiento global definido como la relacioacuten entre la potencia teacutermica que
es capaz de proporcionar o potencia teacutermica uacutetil y la potencia procedente del Sol
que se tome como referencia No toda la potencia solar puede ser absorbida por el
receptor Existen una serie de peacuterdidas de energiacutea debidas tanto a la geometriacutea y
oacuteptica del captador como a las propiedades de los materiales del propio receptor
que hay que tener en cuenta (Rojas 2013)
16
161
162
163
164
165
166
167
168
169
17
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Qp
er(
kW
h)
Qso
lu
til(
kW
h)
meses
Peacuterdidas teacutermicas
Qsol Qutil Qperd
47
33 Dimensionamiento del campo solar
331 Caracterizacioacuten del terrero
El terreno del central George Washington es llano desprovisto de grandes
obstaacuteculos que puedan crear dificultades en la construccioacuten del campo y crear
sombras que entorpezcan la radiacioacuten del sol en los espejos reflectores Estaacute
cercano a la carretera y consta con posos que facilita el acceso a los recursos
hiacutedricos en el emplazamiento Estaacute solucionado el problema de la conectividad a la
red eleacutectrica nacional puesto que el central ya contaba con esta infraestructura Por
lo tanto posee las condiciones idoacuteneas para la instalacioacuten de un campo solar
332 Balance energeacutetico en el intercambiador de calor
A partir de la temperatura que se quiere elevar el agua de alimentacioacuten de la caldera
(260 oC) y el flujo de esta (255 kgs) se determina una cantidad de energiacutea teacutermica
que debe suministrar el campo para suplir esta demanda Dicha energiacutea teacutermica se
logra a traveacutes de la radiacioacuten solar captada por los colectores la cual es transferida
en forma de calor a un fluido portador en este caso aceite HTF Este necesita un
determinado flujo para absorber toda esa energiacutea y luego transferirla al agua Los
caudales necesarios para la captacioacuten de este calor se encuentran en la (tabla 9)
Tabla 9 Paraacutemetros termodinaacutemicos en el intercambiador de calor
Datos Agua de
alimentacioacuten Aceite teacutermico
Caudal(kgs) 255 462
Temperatura(ordmC) 166 300
Presioacuten (bar) 67 25
Entalpiacutea (kJkg) 6974 490
Con estos datos se concluye que para calentar un flujo de agua de 255 kgs (a
temperatura de 166ordmC y presioacuten de 67 bar) hasta alcanzar una temperatura de
260ordmC se necesita un flujo de energiacutea teacutermica de 106225 kW lo cual es
proporcionada por 462 kgs de aceite teacutermico proveniente del campo solar que estaacute
a una temperatura de 300ordmC y presioacuten de 25 bar
48
333 Caacutelculo del nuacutemero de lazos
3331 Caacutelculo del caudal miacutenimo de circulacioacuten del fluido de transferencia de
calor (HTF) por cada lazo
Para que exista un flujo turbulento por el interior del tubo absorbedor a una velocidad
del fluido econoacutemica de 3 ms el caudal miacutenimo de circulacioacuten debe ser de 86 kgs
(tabla 10)
Tabla 10 Caudal miacutenimo de circulacioacuten del fluido de transferencia de calor (HTF) por
cada lazo
Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF por cada lazo 86 kgs
Nuacutemero de Reynolds 874E+5
Velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor 3 ms
Viscosidad dinaacutemica del HTF a la temperatura media de
trabajo 194E-04 kgmmiddots
Densidad del HTF a la temperatura media de trabajo 870 Kgm3
3332 Incremento de la temperatura del HTF en un colector
Para calentar el flujo de aceite de 200 a 300ordmC lo cual equivale a un salto teacutermico
por lazo de 100ordmC es necesario 4 colectores por lazo Por tanto el salto de
temperatura promedio del HTF a su paso por un colector es aproximadamente de
283ordmC (tabla 11)
Tabla 11 Salto de temperatura promedio del HTF a su paso por un colector
meses ∆119931119949119938119963119952() ∆119827119836119848119845119838119836() 119821119845119834119859119848119852
Enero 100 248 40
Febrero 100 263 38
Marzo 100 301 33
Abril 100 343 29
Mayo 100 333 30
Junio 100 318 31
Julio 100 325 31
Agosto 100 330 30
Septiembre 100 286 35
Octubre 100 262 38
Noviembre 100 202 50
Diciembre 100 186 54
49
3333 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
El nuacutemero de colectores necesarios por lazo para cada mes se refleja en la (tabla
12) Con este resultado se concluye que la cantidad de colectores totales que debe
tener cada lazo del campo solar es aproximadamente de 4
Tabla 12 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo para cada mes del antildeo
Meses Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
Enero 40
Febrero 38
Marzo 33
Abril 29
Mayo 30
Junio 31
Julio 31
Agosto 30
Septiembre 35
Octubre 38
Noviembre 50
Diciembre 54
3334 Nuacutemero de lazos en el campo solar
Al ser la potencia teacutermica del campo solar 106225 kW y ser la potencia teacutermica uacutetil
promedio por lazo aproximadamente de 26556 kW el nuacutemero de lazos necesarios
por campo solar debe ser aproximadamente de 4
Para generar 106 MW teacutermico con una radiacioacuten promedio de 5355 Wm2 para todo
un antildeo la dimensioacuten del campo solar debe ser de 44448 m2 Esto se logra con un
total de 4 lazos con 4 colectores cada uno
334 Caacutelculo del ahorro de bagazo propiciado por el campo
Una de las ideas fundamentales de este proyecto es el ahorro de bagazo para su
uso fuera de temporada y asiacute no parar la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica por la
ausencia de combustible Para esto se halloacute el iacutendice de generacioacuten con el campo
(tabla 13) quedando un ahorro de maacutes de 25 mil toneladas de bagazo Pudiendo
dar un margen de 30 diacuteas maacutes de generacioacuten de electricidad lo que equivale a maacutes
de 14 mil MWe
50
Tabla 13 Generacioacuten en el periacuteodo de zafra y ahorro de bagazo propiciados por el campo
solar
Generacioacuten eleacutectrica total 111063 MWh
Iacutendice de generacioacuten sin campo 500 kWhtb
Iacutendice de generacioacuten con campo 575 kWhtb
Ahorro de bagazo 251586 TonZafra
Porciento de bagazo ahorrado 14
Generacioacuten con el excedente de Bagazo 14463 MWh
Seguacuten los datos de la tabla 13 y suponiendo que la zafra sea de 120 diacuteas sin contar
las paradas este resultado extenderiacutea la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica a 232 diacuteas
aproximadamente maacutes de la mitad del antildeo y solo se necesitariacutea para los restantes
133 diacuteas del antildeo abastecerse por medio de otra fuente como pudiera ser bagazo
aportado por centrales cercanos que funcionaran como tributarios o utilizar otro
combustible complementario como los residuos agriacutecolas cantildeero lentildea o carboacuten de
marabuacute
34 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un
antildeo)
Para el caacutelculo se halloacute el ahorro de combustible foacutesil con la incorporacioacuten del campo
solar De la (tabla 14) mostrada en el capiacutetulo anterior se tomoacute el valor para las
emisiones de CO2 que fue de 306 kgkgf lo que reflejoacute los siguientes resultados
Tabla 14 Ahorro de combustible y emisiones de CO2 dejadas de emitir propiciado por el campo
Iacutendice de generacioacuten de una planta
teacutermica convencional en Cuba 270 gkWh
Ahorro de combustible Foacutesil 3888 TCC
CO2 dejado de emitir 11897 Ton
35 Factibilidad econoacutemica del proyecto
Para los caacutelculos de factibilidad econoacutemica en este proyecto se ha tomado los
siguientes valores (tabla 15)
51
Tabla 15 Valores necesarios para el caacutelculo de la factibilidad econoacutemica
Precio de la electricidad 021 $kWh
Impuestos 30
Tasa de descuento 10
Vida uacutetil 25 antildeos
Tambieacuten se tuvieron en cuenta los costos de inversioacuten del campo solar (tabla 16)
Tabla 16 Costos de Inversioacuten del campo solar Fuente (IDEA 2013)
Captacioacuten y concentracioacuten de
energiacutea solar
Campo solar(CCP)
espejos 35 Eur m2
apertura
130800 m2
457800
euros
estructuras
metaacutelicas
72 Eur m2
apertura
13080
m2
941760
euros
sistemas de
posicionamiento
6600 Eurunid
16
unidades
108585
euros
movimiento de
tierras
21 Eur m2
apertura
13080
m2 27468000 euros
cimentacioacuten 37 Eur m2
apertura
13080
m2 48396000 euros
montaje 43 Eur m2
apertura
13080
m2 56244000 euros
nave de montaje 545 Eur m2
apertura
13080
m2 7128600 euros
costo total
2900511
euros
Sistema de conversioacuten solar teacutermico
aceite teacutermico 283 Eurkg
100
Kg 283 euros
tubos
absorbedores
892 Eurtubo
16
tubos
14675
euros
juntas rotativas 190 Eur unid 33 unidades 625187 euros
tuverias valvulas y
accesorios
13400 Eurlazo 4 lazos 4915834 euros
sistTrasiego
aceites
87000 Eurlazo 4 lazos 31916236 euros
sistPurificacioacuten
de aceite
380000 Eur unid 1 unidades 380000 euros
ProteccContra
incendios
11400 Eurlazo 1 lazos 11400 euros
sistInertizacioacuten 5900 Eurlazo 1 lazos 5900 euros
52
Intercambiador
aceite-vapor
240 EurkW 10623 kWe 2549400 euros
calderas GV 53 EurkWt - 0 euros
costo total 33362310 euros
TOTAL DEL COSTO DE INVERSIOacuteN
9137253
euros
9959606
doacutelares
Tabla 17 Costos de operacioacuten y mantenimiento (OampM) del campo solar en millones de
euros (MEUR MWantildeo) Fuente (IDEA 2013)
Personal 001 MEUR MWantildeo
Mantenimiento 004 MEUR MWantildeo
Otros 002 MEUR MWantildeo
total 007 MEUR MWantildeo
Tabla 18 Costos de operacioacuten y mantenimiento (OampM) del campo solar en MEUR Fuente
(IDEA 2013)
Potencia del
campo solar
11 MW
Personal 011
Mantenimiento 042
Otros 021
total 074
Esto equivale a un costo fijo de 1772000 doacutelares en operacioacuten y mantenimiento
Paraacutemetros operativos
Venta de electricidad 21 centkWh
Produccioacuten de electricidad solar 144626 MWhantildeo
Costos OampM campo solar 289252 USD antildeo
Costo nivelado de la energiacutea generada
Este costo se determinoacute al sumar los costos variables el de inversioacuten total y los
costos de operacioacuten y mantenimiento luego se dividioacute entre la generacioacuten total de
la planta en los 25 antildeos de vida uacutetil de esta tecnologiacutea quedando de 0032$kWh
351 Tasa interna de retorno (TIR)
Con un campo de 16 colectores y para las condiciones de este proyecto se obtuvo
una TIR de
TIR= 30
La TIR calculada fue mayor que la tasa de descuento por tanto el proyecto es
aceptable
53
352 Valor actual neto (VAN)
El valor actual neto es positivo con un valor que asciende a $ 34116545 por lo que
se cumple la condicioacuten de VAN mayor que cero por lo que el proyecto es rentable
353 Periacuteodo de recuperacioacuten (PR)
El tiempo en que se recupera esta inversioacuten es de aproximadamente 9 antildeos (figura
18)
Los costos de inversioacuten incluyen costes de Ingenieriacutea obtencioacuten de los permisos
necesarios y autorizaciones administrativas obra civil y equipo electromecaacutenico
Los beneficios corresponden a las ventas anuales de electricidad una vez
deducidos los gastos de operacioacuten y mantenimiento En general se estima en el
sector que para que una inversioacuten sea interesante el periacuteodo de recuperacioacuten no
debe exceder de 7 antildeos (Penche 1998) Este proyecto excede en dos antildeos lo
planteado por (Penche 1998) aunque sigue siendo factible e interesante para las
condiciones del paiacutes ya que como plantea el problema de investigacioacuten el principal
intereacutes de este trabajo es aumentar los diacuteas de generacioacuten de electricidad Debido
al problema que presenta Cuba con los iacutendices de generacioacuten se hace necesario
una mejora en este sector a toda costa priorizando esto quedando asiacute los periodos
de recuperacioacuten por detraacutes de este intereacutes primordial
Figura 19 Periacuteodo de recuperacioacuten en antildeos
Teniendo en cuenta estos tres iacutendices econoacutemicos calculados que se tuvieron en
cuenta para la rentabilidad econoacutemica de este proyecto se obtiene como resultado
que dicho proyecto es econoacutemicamente factible
-15000000
-10000000
-5000000
0
5000000
10000000
15000000
20000000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Doacutela
res
Antildeos
Periacuteodo de recuperacioacuten de la invercioacuten
54
Conclusiones
La tecnologiacutea de plantas hibridas solar-biomasa para el caso de Cuba es
potencialmente factible a partir de los valores encontrados de radiacioacuten solar
directa en todo el territorio alcanzando estos maacutes de 5 kWhm2-dia durante
todo el antildeo siendo favorable para la implementacioacuten de esta tecnologiacutea
El rendimiento global de cada colector tiene un valor aproximado del 70
debido a las peacuterdidas geomeacutetricas oacutepticas teacutermicas y por las condiciones
meteoroloacutegicas del lugar puesto que al ser Cuba una isla rodeada de mar
hay ocurrencia de un gran nuacutemero de precipitaciones y cielos nublados al
antildeo que afectan considerablemente el factor de disponibilidad del campo
solar
El campo solar tendraacute 4 colectores por lazo y 4 lazos por campo con una
potencia teacutermica de 106 MW lo que representa un aacuterea de casi 45 ha
aumentaacutendose el iacutendice de generacioacuten de electricidad de la planta con su
conversioacuten en planta hibrida (solar-biomasa) de 500 kWhtb a 575 kWhtb
Con la implementacioacuten del proyecto propuesto (hibridacioacuten biomasa-energiacutea
solar) se puede lograr un ahorro de 251586 toneladas de bagazo por zafra
lo que equivale a 30 diacuteas adicionales de generacioacuten eleacutectrica de la planta lo
que extenderiacutea la generacioacuten en la bioeleacutectrica a unos 230 diacuteas acercaacutendose
cada vez maacutes a lo previsto por la poliacutetica existente en el paiacutes de conversioacuten
de centrales en bioeleacutectricas de llegar a los 300 diacuteas Pudieacutendose saldar los
70 diacuteas faltantes con combustibles alternativos como el RAC y el marabuacute con
gran abundancia en nuestros campos
La implementacioacuten en la UEB George Washington de la hibridacioacuten permitiriacutea
anualmente con el excedente de bagazo obtenido una generacioacuten de
electricidad adicional de 145 GWh con una disminucioacuten de 11897 toneladas
de emisiones de CO2 funcionando como una fuente de empleo considerable
para los habitantes de este lugar
El estudio de la hibridacioacuten solar-biomasa en la UEB George Washington
indica que un proyecto de este tipo es factible con una inversioacuten de casi 10
millones de doacutelares logra como resultados maacutes importantes un VAN de maacutes
de 34 millones una TIR de 30 un PRD de aproximadamente 9 antildeos y un
costo nivelado de la electricidad de 0032 $kWh valor de gran motivacioacuten
para la implementacioacuten de esta tecnologiacutea
55
Recomendaciones
Extender el estudio de factibilidad de plantas de energiacutea hiacutebridas biomasa
solar a otros centrales azucareros del paiacutes que se prevean convertir en
bioeleacutectricas
Incluir en la metodologiacutea de anaacutelisis empleada en este trabajo para futuros
estudios otro tipo de tecnologiacuteas de concentracioacuten como pudiera ser la de
colector lineal Fresnel cuya aplicacioacuten ha venido en aumento en los uacuteltimos
antildeos a nivel mundial
Profundizar en el estudio de factibilidad de este proyecto analizando la
influencia de la variacioacuten de paraacutemetros como el salto entaacutelpico en el
intercambiador de calor del campo solar para la optimizacioacuten del disentildeo del
campo solar
56
Bibliografiacutea
BEacuteRRIZ L MADRUGA E 2000 Cuba y las fuentes renovables de energiacutea CUBASOLAR pp 29
CENGEL Y 2012 Termodinaacutemica Meacutexico DF
DAVID A 2007 Business and Finance Israeli Company to build largest solar park in world in US [Online] Available (httpwwwynetnewscom) [Accessed 10 febrero 2018]
E BURIN T V S MULTHAUPT A THELEN G OELJEKLAUS K GOumlRNER E BAZZO 2016 Thermodynamic and economic evaluation of a solar aided sugarcane bagasse cogeneration power plant THE 28TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON EFFICIENCY COST OPTIMIZATION SIMULATION AND ENVIRONMENTAL IMPACT OF ENERGY SYSTEMS
EPA Factor Information REtrieval (FIRE) Software Technology Transfer Network Clearinghouse for Inventories amp Emissions Factors 2004
GACETA 2007 Estrategia Ambiental Nacional Ministerio de Justicia 30 ed Gaceta Oficial Republica de Cuba
GESIME 2014 Conceptualizacioacuten del programa de desarrollo de la energiacutea solar teacutermica en Cuba 2014-2020 MINEM Desarrollado por grupo de desarrollo de la energiacutea solar teacutermica Grupo Empresarial de la Industria Sidero-Mecaacutenica 36
GUTIEacuteRREZ E 2013 ldquoEl azuacutecar cubano adquiere protagonismo energeacuteticordquo Diarios latinoamericanos de Tierrameacuterica
HERRERA I 2016 Poligeneration Workshop KTH Universidad Central Marta Abreu de Las Villas
HIDALGO L 2012 Estudio Teacutecnico-econoacutemico de una central hiacutebrida solar-ciclo combinado Proyecto final de carrera para optar por el tiacutetulo ingeniero teacutecnico de minas Departamento de sistemas energeacuteticos 79
HTTPEOSWEBLARCNASAGOVSSE 2017 Surface Meteorology and Solar Energy [Online] [Accessed 22 noviembre]
HTTPWWWWIKIPEDIAORG 2017 Energiacutea solar teacutermica [Online] [Accessed 17 diciembre 2017]
IDEA 2013 Plan de Energiacuteas (PER) 2011-2020 Instituto para la Diversificacioacuten y Ahorro de la Energiacutea
LA ROSA D 2014 Recuperacioacuten de la disponibilidad de generacioacuten en el ciclo combinado de Energas Varadero con aporte termosolar httpwwwcubasolarcu
MARTIacuteN S 2017 Colector ciliacutendrico paraboacutelico Available from httpwwwtecnoblogsanmartinwordpresscom]
57
MARTIacuteNEZ L 2017 Conjunto de alternativas tecnoloacutegicas para la ingenieriacutea conceptual del estudio de oportunidad de la conversioacuten en bioeleacutectrica del central George Washington Trabajo de diploma Universidad Central ldquoMarta Abreurdquo de Las Villas
MAXWELL E L RENNE DS 1994 Measures of Renewable Energy National Renewable Energy Laboratory
PAREDES C 2012 Disentildeo de captador solar ciliacutendrico paraboacutelico para aplicaciones rurales en Paraguay Proyecto final de carrera para optar por el tiacutetulo de ingeniero teacutecnico de minas Especialidad en recursos energeacuteticos combustibles y explosivos 57
PENCHE C 1998 Manual de pequentildea hidroeleacutectrica D I R E C C I Oacute N G E N E R A L D
E E N E R G I A ( D G X V I I ) 259
PETROLEUM B 2006 BP Statistical Review of World Energy June 2006 Quantifying Energy
PETROLEUM B 2018 Statistical Review of World Energy [Online] Available httpwwwbpcomenergyoutlook [Accessed 12 febrero de 2018]
PITZ-PAAL 2013 Solar thermal power plants BINE-Themeninfo FIZ Karlsruhe GmbH
REN 2013 Global Status Report Paris
REUszlig N 2012 Modern Gas- amp Steam Turbines in Solarthermic Applications 14th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery Honolulu
RIBOT J E A ROVIRA P ROVIRA A BAROacuteN JL 2001 Curso de Energiacutea Solar Centro de Tecnologiacutea Educativa CTE Barcelona Espantildea Obra completa 4ta edicioacuten Leccioacuten 3 El potencial real de la energiacutea solar
RODRIacuteGUEZ J 2015 Metodologiacutea para la caracterizacioacuten termoeconoacutemica de plantas hiacutebridas de generacioacuten de electricidad Tesis Doctoral Universidad Politeacutecnica de Madrid
ROJAS E 2013 Energiacutea Solar Teacutermica Observatorio de energiacutea renovable para Ameacuterica Latina y Caribe Programa de capacitacioacuten de energiacuteas renovables ONUDI 68
SALOMOacuteN R 2016 ldquoBioeleacutectricas despiertan creciente intereacutes mundialrdquo
SALOMOacuteN R 2018 Biomasa fuente de electricidad inagotable para Cuba Diaacutelogos del Sur Prensa Latina de La Habana
SEBASTIAacuteN E 2011 Sistemas de colector ciliacutendrico paraboacutelico para generar energiacutea httpeliseosebastiancom
SHILLING Z NORMAN 2003 IGCC Clean Power Generation Alternative For Solid Fuels Product Line Leader
58
WWWSOLARBUZZCOM H 2016 Abener Signs Contract for Solar Thermal Electric-Combined Cycle Hybrid Plant [Online] [Accessed 16 diciembre 2017]
5
En la industria azucarera este ciclo de potencia no se encuentra asiacute del todo puesto
que se le realizan algunas modificaciones ya que el proceso es el que funciona como
condensador del ciclo y en otros casos como es el de las bioeleacutectricas que se
pretenden instalar se realiza un recalentamiento a la salida de la turbina de alta para
luego ser insertado en una turbina de baja Tambieacuten se colocan calentadores
regenerativos con el fin de calentar el agua a la entrada de la caldera o como se
plantea en este trabajo se puede hibridar con un campo termosolar que funcione
como calentador del agua que entra a la caldera todas estas medidas con el fin de
aumentar la eficiencia del ciclo
Al existir una generacioacuten de potencia en forma de energiacutea eleacutectrica y una demanda
de calor necesaria para el proceso de fabricacioacuten de azuacutecar el ciclo termodinaacutemico
pasa a ser un esquema de cogeneracioacuten (Herrera 2016) el cual se muestra en la
figura siguiente
Lo centrales azucareros convencionales no presentan condensador la funcioacuten de
este la realiza netamente el proceso Por lo que existe una equivalencia entre los
flujos de vapor utilizados para la generacioacuten y los que se usan en el proceso sin
poder realizar un aumento considerable de estos limitando asiacute la generacioacuten de
potencia eleacutectrica En el caso de la bioeleacutectrica no ocurre asiacute puesto que aumentan
los paraacutemetros del ciclo y con este los flujos de la sustancia termoportadora Siendo
necesaria la presencia de un condensador ya que con el proceso no basta para
Figura 2 Ciclo de cogeneracioacuten
6
condensar las enormes cantidades de vapor y que luego puedan ser transportadas
por las bombas asiacutea la caldera
12 Concepto de bioeleacutectrica
Una bioeleacutectrica es una planta de cogeneracioacuten que se construye en un aacuterea aledantildea
al central lo que facilita no detener las zafras durante el periacuteodo de construccioacuten y
montaje Su funcionamiento consiste en un ciclo Rankin con mejoras que consta de
una caldera de alta presioacuten para el proceso de adiccioacuten de calor posteriormente se
expande en una turbina de vapor y se realiza una extraccioacuten para el proceso luego
se condensa el vapor de escape de la turbina y se bombea nuevamente a la caldera
Cuando se realiza su puesta en marcha opera abastecieacutendose de todo el bagazo
producido residuos agriacutecolas y del condensado de vapor puro procedente de los
equipos de calentamiento evaporacioacuten y tachos provenientes de la faacutebrica de azuacutecar
a la que a su vez suministra el vapor de escape de los turbogeneradores para el
proceso de fabricacioacuten del endulzante asiacute como la electricidad que necesita El
excedente eleacutectrico del proceso fabril del azuacutecar se vende al Sistema Eleacutectrico
Nacional (SEN)(Salomoacuten 2018)
13 Planta hiacutebrida
Una planta hiacutebrida se define como una planta que utiliza dos o maacutes recursos
energeacuteticos en este caso solar y biomasa aprovechando las ventajas de cada uno y
disminuyendo sus desventajas como por ejemplo
Se mejora la eficiencia solar eleacutectrica
Se eliminan los arranques y paradas de la turbina que limitan su eficiencia y
encarecen su mantenimiento
Se garantiza un suministro eleacutectrico independientemente del recurso solar Ya no
es necesario el uso de sistemas de almacenamiento para satisfacer la curva de
demanda
Los costes de inversioacuten se reducen se reducen los riesgos de inversioacuten al estar
garantizada la generacioacuten de electricidad Adicionalmente se pueden aprovechar las
instalaciones ya existentes La reduccioacuten en los costes permite operar en lugares con
menor radiacioacuten solar
Sin embargo las plantas hibridas presentan incertidumbre sobre su comportamiento
a lo largo del tiempo debido a la variabilidad temporal del recurso solar de la
demanda eleacutectrica y del solapamiento de ambos Es necesario establecer coacutemo se
van a comportar las instalaciones a lo largo d un antildeo y de este modo poder determinar
su idoneidad bajo unas condiciones de radiacioacuten y de demanda eleacutectrica
dependientes del tiempo(Rodriacuteguez 2015)
7
Los principales componentes que forman parte de una planta hiacutebrida solar-biomasa
se distinguen como el bloque solar el bloque de potencia y la hibridacioacuten
Bloque solar Es donde la energiacutea del sol es convertida en energiacutea teacutermica La
tecnologiacutea solar empleada depende del rango de temperaturas de operacioacuten de la
planta hibrida Es necesario que sean compatibles con las del bloque de potencia
Bloque de potencia es el ciclo termodinaacutemico que convierte la energiacutea teacutermica en
eleacutectrica
Hibridacioacuten es el modo en que el bloque de potencia y el bloque solar son
conectados
14 La energiacutea solar
El Sol es un enorme reactor de fusioacuten nuclear formado por una esfera de materia
gaseosa caliente de 139 millones de kiloacutemetros de diaacutemetro que constituye la
principal fuente de energiacutea para la Tierra situada a una distancia media de 149106
km Debido a la radiacioacuten solar la temperatura en la superficie terrestre es alrededor
de 250ordmC superior a la temperatura que habriacutea en la superficie si eacutesta dependiera
solo del calor interno El Sol radia continuamente una potencia de 38middot1023 kW de
los cuales la Tierra intercepta 17middot1014 kW La energiacutea solar recibida en la atmoacutesfera
exterior de la Tierra en un antildeo se conoce con el nombre de SERPY (Solar Energy
Received Per Year) y corresponde a 155middot1015 MWh cantidad que equivale
aproximadamente a 12000 veces la energiacutea consumida en el mundo si se tienen en
cuenta los datos publicados de produccioacuten y consumo energeacutetico mundial durante el
antildeo 2005 (Petroleum 2006) De la radiacioacuten recibida en la superficie exterior el 30
se refleja al espacio el 47 es absorbido por la atmoacutesfera mares y tierra para
mantener la temperatura ambiente y el restante 23 se usa para mantener la
conveccioacuten atmosfeacuterica y el ciclo hidroloacutegico (Rojas 2013)
La radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera tiene un valor constante de unos 1300 Wm
denominaacutendose constante solar Sin embargo toda esta energiacutea no puede ser
aprovechada debido a diferentes fenoacutemenos que se interponen en su camino desde
el Sol hasta la superficie terrestre Al atravesar la atmoacutesfera las nubes dispersan la
radiacioacuten separaacutendola en radiacioacuten directa y difusa Las sombras causadas por
objetos proacuteximos tambieacuten contribuyen a atenuar el valor de la radiacioacuten Finalmente
el hecho de que la direccioacuten del Sol y la superficie captadora no sea la misma
tambieacuten influye en la disminucioacuten de la constante solar Todos estos factores hacen
que la energiacutea que llega a la Tierra sea de unos 1000 Wm en un diacutea claro a las 12
horas del mediodiacutea solar y a nivel del mar Esta energiacutea no es suficiente para alcanzar
las temperaturas que se requieren por lo que se utilizan elementos concentradores
La energiacutea solar tiene muchas aplicaciones donde ser utilizada Estas actividades se
clasifican en tres grupos generacioacuten teacutermica generacioacuten de trabajo y generacioacuten de
friacuteo El primer grupo contiene la generacioacuten de calor para calefaccioacuten agua caliente
8
sanitaria (ACS) desecacioacuten y refrigeracioacuten Dentro de esta divisioacuten existen
diferencias seguacuten la temperatura alcanzada Podemos distinguir procesos de baja
temperatura que usan colectores planos para ACS hasta 60ordmC procesos de media
temperatura para calefaccioacuten y produccioacuten de friacuteo y procesos de alta temperatura en
la industria La generacioacuten teacutermica tambieacuten incluye la arquitectura bioclimaacutetica La
generacioacuten de trabajo se puede dar de forma teacutermica y de forma fotovoltaica Los
parques de heliostatos o concentradores ciliacutendrico-paraboacutelicos producen vapor que
se utiliza en ciclos de potencia mientras que los paneles fotovoltaicos convierten la
luz en electricidad por medio de semiconductores Por uacuteltimo la generacioacuten de friacuteo
se produce por medio de maacutequinas de absorcioacuten
Las tecnologiacuteas usadas para este tipo de energiacutea son colectores planos para
calefaccioacuten y ACS concentracioacuten en torre discos paraboacutelicos colectores ciliacutendricos
paraboacutelicos y colectores Fresnel para la produccioacuten de electricidad Maacutes adelante se
explicaraacuten con maacutes detalle todas estas tecnologiacuteas
La principal ventaja con la que cuenta la energiacutea solar es que se trata de un recurso
inagotable que estaacute al alcance de todos pero uno de los problemas de esta reside
que la demanda no coincide con la produccioacuten Para ajustar la demanda a la
produccioacuten se hace necesario el uso de sistemas de almacenamiento Otro problema
a tener en cuenta es la intermitencia del recurso solar A lo largo del antildeo hay
numerosos diacuteas en los que las nubes impiden el correcto aprovechamiento de la
energiacutea solar La solucioacuten a este problema es la instalacioacuten de un sistema de apoyo
consistente generalmente en una caldera auxiliar operada con un combustible foacutesil
De este modo se puede prescindir de los sistemas de almacenaje (Paredes 2012)
15 Sistemas teacutermicos solares El objetivo esencial de cualquier sistema teacutermico solar es captar la radiacioacuten que
proviene del sol para transformarla en energiacutea teacutermica de un fluido y transportarla de
la manera maacutes econoacutemica y eficaz posible a un usuario Las aplicaciones del
aprovechamiento solar pueden ser directas en forma de calor o bien indirectas
utilizando este calor para obtener trabajo mecaacutenico en un eje y finalmente
electricidad Entre las tecnologiacuteas existentes hay tres que destacan por su grado de
desarrollo los sistemas de colectores cilindro paraboacutelicos (CCP) los sistemas de
receptor central (SRC) o sistemas de torre central (STC) y los discos paraboacutelicos
(DP) o maacutes propiamente paraboloides de revolucioacuten Tambieacuten existen los sistemas
de concentradores lineales Fresnel (CLF) que a pesar de no estar ampliamente
desarrollados en cuanto a tecnologiacutea se refiere merecen una mencioacuten Aunque los
campos de aplicacioacuten de los Sistemas Termo-solares de Concentracioacuten (CSTS) son
diversos es en los campos de generacioacuten de electricidad vapor de proceso o de
ambos simultaacuteneamente donde estos sistemas han alcanzado su mayor grado de
desarrollo dando lugar a Centrales Energeacuteticas Termo-solares (CETS) Las CETS
son entre los sistemas basados en el aprovechamiento de las energiacuteas renovables
uno de los de mayor potencial de contribucioacuten a la satisfaccioacuten de la demanda
9
energeacutetica especialmente en las regiones situadas en el llamado ldquocinturoacuten solarrdquo
que son aquellas que se encuentran entre las latitudes 35o norte y 35o sur (Paredes
2012)
151 Sistemas de torre central (STC)
Este sistema se caracteriza porque el conjunto colector estaacute compuesto por un grupo
maacutes o menos numeroso de concentradores planos individuales llamados heliostatos
los cuales dirigen la radiacioacuten solar concentrada hacia un receptor central situado en
lo alto de una torre Por tanto la concentracioacuten de la radiacioacuten se produce en tres
dimensiones por lo que el valor de la razoacuten de concentracioacuten es muy elevado asiacute
como las temperaturas que se alcanzan pudiendo llegar eacutestas a los 1500 degC
Figura 3 Esquema de un STC Fuente Greenpeace
A parte de los componentes principales del sistema que se detallan maacutes adelante
para un correcto funcionamiento del sistema se requieren una serie de equipos y
sistemas auxiliares como el sistema de caracterizacioacuten de imaacutegenes blancos
lambertianos para evaluacioacuten de imaacutegenes ajustes de offsets etc
El sistema colector El heliostato es junto con el receptor uno de los componentes
que representa mayor importancia dentro del sistema llegando a suponer hasta un
60 del coste total de la parte solar Su funcioacuten es la de captar la radiacioacuten solar y
redirigirla hacia el receptor
Estaacute compuesto baacutesicamente por una superficie reflectante ndashespejos de vidrio como
los de los CCPs ademaacutes de una estructura soporte mecanismos de movimiento y
un sistema de control
En cuanto al tamantildeo existen de varias dimensiones desde 40 o 50 m2 hasta su
evolucioacuten a los 150 m2 Aunque actualmente se tiende a los heliostatos maacutes
10
pequentildeos pues suponen una simplificacioacuten y abaratamiento en los procesos de
transporte instalacioacuten y puesta en servicio El campo de heliostatos en relacioacuten al
receptor estaacute condicionado en gran parte por la orografiacutea del terreno por el tamantildeo
de la planta y por la disposicioacuten del receptor Las dos formas claacutesicas de colocar los
heliostatos son
Campo circundante heliostatos alrededor de la torre
Campo Norte-Sur heliostatos a un lado de la Torre La orientacioacuten dependeraacute de
en queacute latitud se encuentre el emplazamiento
No obstante existen otras disposiciones que tratan de aprovechar la orografiacutea del
terreno (por ejemplo una ladera orientada al Sur) o usan un concentrador secundario
para evitar los inconvenientes derivados de situar el receptor sobre una torre
La torre La funcioacuten de la torre es la de servir de soporte al receptor que
normalmente debe situarse a una cierta altura sobre el nivel del campo de helioacutestatos
para reducir las sombras y bloqueos entre eacutestos y a diversos elementos auxiliares
(blancos lambertianos sistemas de medida etc) Hasta hoy las torres construidas
han sido de estructuras metaacutelicas o de hormigoacuten
El receptor Es el dispositivo donde se produce la conversioacuten de la radiacioacuten solar
concentrada en energiacutea teacutermica
152 Disco Paraboacutelico (DP)
Los sistemas de discos paraboacutelicos se componen baacutesicamente en un reflector o en
un conjunto de reflectores que tienen forma de paraboloide de revolucioacuten Ademaacutes
poseen un receptor situado en el foco puntual de dicho paraboloide y de un sistema
de generacioacuten eleacutectrica compacto (un motor o una turbina maacutes un alternador) Por lo
general receptor y sistema de generacioacuten suelen formar parte de un mismo conjunto
El principio de funcionamiento es el mismo que para los CCPacutes es decir la radiacioacuten
concentrada por el paraboloide incide sobre el receptor donde se convierte en
energiacutea teacutermica (pudiendo alcanzar los 1500 oC que permite generar electricidad Los
elementos principales del colector Disco Paraboacutelico son los siguientes
Concentrador La forma de la superficie reflexiva en este tipo de sistema es la de
un paraboloide de revolucioacuten cuyo tamantildeo depende de la potencia nominal y de la
energiacutea que se desea generar en un determinado tiempo y bajo unas condiciones de
radiacioacuten determinadas
Receptor Es un sistema de discos paraboacutelicos que tienen dos funciones
fundamentales por un lado la de absorber la radiacioacuten solar reflejada por el
concentrador y por el otro transferir la energiacutea absorbida al fluido de trabajo de la
maacutequina asociada Hasta la fecha existen dos tipos de reflectores tubos
directamente iluminados por la reflexioacuten de los rayos y receptores de reflujo
11
Sistema de Seguimiento Con objeto de seguir la posicioacuten del sol en todo momento
los discos paraboacutelicos realizan un seguimiento de eacuteste en dos ejes Se realiza seguacuten
dos tipos de montaje
Seguimiento en acimut-elevacioacuten en el que el movimiento se realiza seguacuten dos
ejes el vertical y el horizontal
Seguimiento polar en el que el movimiento en un eje es muy lento pues solo se
debe seguir las variaciones estacionales del sol y el movimiento en el otro eje es a
velocidad constante
Actualmente el uso de discos paraboacutelicos para generar electricidad se encuentra en
fase de desarrollo en algunas plantas experimentales como la de Planta Solar de
Almeriacutea pero la falta de fiabilidad y su elevado coste constituyen los principales
obstaacuteculos para su introduccioacuten real en la generacioacuten eleacutectrica En cambio
atendiendo a la misma forma estructural y con el mismo principio de reflexioacuten en un
foco puntual del paraboloide de revolucioacuten es muy comuacuten encontrar a nivel
particular cocinas solares
Figura 4 Esquema de un Disco Paraboacutelico Fuente Greenpeace
12
153 Concentrador lineal Fresnel
Esta tecnologiacutea es la maacutes nueva de las cuatro que actualmente hay disponible para
los sistemas solares de concentracioacuten Son captadores de foco lineal en los que
largos reflectores que poseen ejes de giros independientes y paralelos reflejan la
radiacioacuten solar directa sobre un tubo receptor situado sobre ellos Es la tecnologiacutea
maacutes joven de las cuatro descritas por lo que existen actualmente solo dos plantas
comerciales en funcionamiento con una potencia eleacutectrica total de 64 MWe
Figura 5 Concentrador Lineal Fresnel
154 Colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Esta tecnologiacutea cilindro-paraboacutelica basa su funcionamiento en seguimiento solar y en
la concentracioacuten de los rayos solares en unos tubos receptores de alta eficiencia
teacutermica localizados en la liacutenea focal de los cilindros En estos tubos un fluido
transmisor de calor tal como aceite sinteacutetico es calentado aproximadamente a
400ordmC por los rayos solares concentrados El aceite es bombeado a traveacutes de una
serie de intercambiadores de calor para producir vapor sobrecalentado El calor
presente en este vapor se convierte en energiacutea eleacutectrica en una turbina de vapor
convencional Los colectores cilindro-paraboacutelicos se emplean maacutes a escala industrial
de 10 a 100 MW para la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica en un campo solar y en un
sistema de potencia En el campo solar la energiacutea de la radiacioacuten solar se transforma
en energiacutea teacutermica en una serie de filas paralelas de colectores cilindro-paraboacutelicos
cada uno de ellos con seguimiento solar La eficiencia durabilidad y costo de una
central con colectores cilindro-paraboacutelicos depende fuertemente de la estructura y
robustez del colector Un moacutedulo colector generalmente compuesto de elementos
de 12 m de largo conectados en serie puede tener hasta 150 m de longitud Sus
espejos paraboacutelicos reflejan la radiacioacuten solar y la concentran sobre un tubo
absorbente en su liacutenea focal (Sebastiaacuten 2011)
13
A principios del siglo pasado (1912) la primera planta de canal paraboacutelico fue
construida en Meadi Egipto para bombeo de agua Con 79 plantas 31425 MW
instalados esta tecnologiacutea es la maacutes madura de las tecnologiacuteas CSP (maacutes de 100
antildeos de experiencia en operacioacuten) (GESIME 2014)
Las primeras centrales con colectores cilindro-paraboacutelicos operan comercialmente en
California desde 1985 En este periodo de tiempo han generado maacutes de doce mil
millones de kilowatts hora de electricidad lo que es suficiente para suministrar
electricidad a aproximadamente doce millones de personas durante un antildeo Al igual
que en centrales teacutermicas con combustibles convencionales y tambieacuten en centrales
nucleares la corriente se genera en las centrales solares teacutermicas con una turbina a
vapor y un generador acoplado (Martiacuten 2017)
El Sistema de Generacioacuten de Energiacutea solar (en ingleacutes Solar Energy Generating
System SEGS) es un conjunto de nueve plantas con una capacidad total de 350 MW
Actualmente es el sistema solar operacional maacutes grande (tanto del tipo termal o no)
La planta Nevada Solar One tiene una capacidad de 64 MW Estaacuten en construccioacuten
las plantas Andasol 1 y 2 en Espantildea cada planta tiene una capacidad de 50 MW sin
embargo estas plantas son de un disentildeo que tiene un sistema de almacenamiento
de calor que requiere un terreno con colectores solares mayor en relacioacuten al tamantildeo
del que deberiacutea tener para su generacioacuten El almacenamiento de calor permite una
mejor utilizacioacuten de las turbinas de vapor Con una operacioacuten diurna y parcialmente
nocturna la turbina de vapor de Andasol 1 con una capacidad de punta de 50 MW
produce maacutes energiacutea que Nevada Solar One con una capacidad de punta de 64 MW
debido al sistema de almacenamiento de calor y un terreno de colectores maacutes grande
que posee la planta de Andasol 1(httpwwwwikipediaorg 2017)
Existiacutea la propuesta de instalar 553 MW adicionales en el Mojave Solar Park
California (David 2007) pero este proyecto fue cancelado en el antildeo 2011 Tambieacuten
IBERDROLA (2013) puso en marcha en Egipto la central de Kuraymat de 150
megavatios (MW) de potencia Se trata de una instalacioacuten pionera en el mundo dado
que incorpora una tecnologiacutea que utiliza de forma combinada el gas y la energiacutea solar
lo que contribuye a disminuir las emisiones de CO2 y a mejorar el rendimiento global
de la planta Tambieacuten se generan 25 MW de vapor como aporte para una planta de
gas en Hassi Rmel Argelia (wwwsolarbuzzcom 2016)
El gobierno de India ha comenzado a desarrollar una iniciativa llamada Jawaharlal
Nehru National Solar Mission (tambieacuten conocida como la misioacuten solar nacional) para
resolver el problema de abastecimiento de energiacutea eleacutectrica
(httpwwwwikipediaorg 2017)
14
Figura 6 Esquema de un CCP Fuente Greenpeace
En la figura 6 se pueden ver los elementos principales del conjunto del colector de
forma maacutes detallada se definen del siguiente modo
El Reflector Ciliacutendrico Paraboacutelico su misioacuten es la de reflejar y concentrar sobre el
Receptor la radiacioacuten solar directa incidente sobre la superficie A grandes rasgos es
un espejo curvo que forma en una de sus dimensiones una paraacutebola de forma que
concentra sobre su liacutenea focal toda la radiacioacuten reflejada Entre los materiales usados
para la reflexioacuten encontramos plaacutesticos recubiertos con peliacuteculas de plata o aluminio
chapas metaacutelicas o el maacutes usado vidrios sobre los que se depositan una capa de
plata junto con un protector de base de cobre y pintura epoxi
El tubo de absorcioacuten o Receptor El tubo absorbedor consta de dos tubos
conceacutentricos separados por un espacio de vaciacuteo El tubo interior por el que circula
el fluido calo-portador es metaacutelico y el exterior es de cristal
El tubo interior es tratado con un recubrimiento metaacutelico selectivo que puede consistir
en una fina capa de cromo niacutequel cobalto o alguacuten otro acabado logrado por
Sputtering o Deposicioacuten Fiacutesica de Vapor (PVD por sus siglas en ingleacutes) Dicho
recubrimiento otorga al tubo sus propiedades uacutetiles para eacuteste uso elevada
absortividad a lo largo de todo el espectro solar y una baja emisividad en el espectro
infrarrojo lo cual se traduce en un elevado rendimiento teacutermico El tubo exterior de
vidrio cumple dos propoacutesitos de igual importancia el primero es proteger el
recubrimiento selectivo del tubo interior y minimizar las perdidas teacutermicas por
conveccioacuten Para aumentar el rendimiento oacuteptico del captador es comuacuten la utilizacioacuten
de un tratamiento antireflexivo en ambas caras del tubo de vidrio que logra mejorar
15
la transmisividad Para lograr mantener el vaciacuteo necesario entre los dos tubos se suele
soldar cada tubo el de vidrio y el de metal por separado a un fuelle metaacutelico que
soporta las diferentes dilataciones de cada material al variar la temperatura Con esto
se logra flexibilizar la unioacuten entre los dos tubos evitando grietas por las que pudiera
ingresar aire al vaciacuteo Otro mecanismo que se utiliza para mantener el vaciacuteo son los
llamados getters en ingleacutes que son colocados en el vaciacuteo debido a su propiedad de
reaccionar quiacutemicamente o por absorcioacuten con cualquier moleacutecula de gas que pudiera
penetrar al espacio confinado atrapaacutendolo y asiacute manteniendo el espacio libre de
cualquier elemento
Figura 7 Esquema del tubo de absorcioacuten o Receptor
El Sistema de Seguimiento Solar El seguimiento del Sol se hace con el objetivo
de aprovechar la mayor parte de horas posibles de luz de forma que la radiacioacuten
solar llegue lo maacutes perpendicularmente posible al colector y se mantengan en el foco
lineal continuamente Los CCPacutes pueden tener seguimiento a dos ejes o a un uacutenico
eje Normalmente el seguimiento se realiza a un eje pues mecaacutenicamente es maacutes
sencillo esto implica menos costos y menores peacuterdidas teacutermicas por no haber
tuberiacuteas pasivas La orientacioacuten puede ser Norte-Sur o Este-Oeste Los mecanismos
de accionamiento que mueven al colector pueden ser eleacutectricos (apropiado para
equipos pequentildeos) hidraacuteulicos (para lazos de colectores) y mecaacutenicos (reloj de
pesas) (Paredes 2012)
16
Figura 8 Esquema del seguimiento solar a un eje de un CCP Fuente Greenpeace
Cimentacioacuten y estructura metaacutelica La cimentacioacuten soporta los colectores y los fija
al suelo de forma que el conjunto estructural soporte las cargas para las que fue
disentildeado La misioacuten de la estructura metaacutelica del colector es la de dar rigidez al
conjunto de elementos que lo componen a la vez que hacer de interface con la
cimentacioacuten del propio colector (Hidalgo 2012)
La tecnologiacutea cilindro paraboacutelica es una tecnologiacutea limpia madura y con un extenso
historial que demuestra estar preparada para la instalacioacuten a gran escala Esta
tecnologiacutea lleva siendo instalada a nivel comercial desde los antildeos 80 con un
excepcional comportamiento Desde entonces ha experimentado importantes
mejoras a nivel de costes y rendimientos Actualmente hay maacutes de 1 GWe en
operacioacuten maacutes de 800 MWe en construccioacuten y maacutes de 2 GWe en promocioacuten a nivel
mundial Por lo que es esta la tecnologiacutea maacutes segura a aplicar
16 Orientacioacuten del colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Los captadores cilindro paraboacutelicos suelen estar instalados en los campos solares de
tal manera que sus ejes de rotacioacuten queden orientados bien Norte-Sur o bien Este-
Oeste Con la configuracioacuten Este-Oeste las variaciones estacionales suelen ser
pequentildeas permitiendo tener un aporte teacutermico maacutes estable durante el antildeo a costa
de perder parte de la energiacutea anual disponible Con la configuracioacuten Norte-Sur esa
energiacutea anual suministrada es optimizada al maacuteximo con el punto en contra de tener
variaciones estacionales mucho mayores que con la configuracioacuten Este-Oeste que
en ocasiones y dependiendo de la latitud y de las condiciones atmosfeacutericas del
emplazamiento pueden suponer relaciones de 3 a 1 entre verano e invierno En el
caso de la planta Termo solar acoplada al economizador de la caldera para la
produccioacuten de electricidad de la UEB umlGeorge Washingtonuml se ha realizado el disentildeo
atendiendo al criterio de maximizacioacuten del aporte energeacutetico anual por lo que la
configuracioacuten elegida es la Norte-Sur
17
17 Peacuterdidas en un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Cuando la radiacioacuten solar alcanza la superficie de un colector paraboacutelico se pierde
una cantidad importante de ella debido a diferentes factores El total de las peacuterdidas
se puede dividir en tres grupos
171 Peacuterdidas geomeacutetricas Provocan la disminucioacuten del aacuterea efectiva de captacioacuten
solar de los colectores En un CCP se dividen en peacuterdidas debidas a la posicioacuten
relativa de los colectores entre siacute los cuales se pueden dar sombra unos a otros y
las peacuterdidas inherentes a cada colector que son motivo del aacutengulo de incidencia el
cual provoca que en los extremos del colector haya una peacuterdida de superficie reflexiva
uacutetil La existencia del aacutengulo de incidencia tambieacuten afecta a los valores de la
reflectividad absortividad y transmisividad ya que estos paraacutemetros presentan su
valor maacuteximo cuando el aacutengulo de incidencia es 0deg (Hidalgo 2012)
172 Peacuterdidas oacutepticas Se deben a imperfecciones en los materiales que componen
el colector la superficie del concentrador no es un reflector perfecto ni el vidrio del
tubo absorbedor es completamente transparente ni el recubrimiento selectivo del
tubo metaacutelico es un absorbedor perfecto Los cuatro paraacutemetros que intervienen en
las peacuterdidas oacutepticas de un canal paraboacutelico son la reflectividad de los espejos
paraboacutelicos la absortancia del tubo metaacutelico la transmitancia de la cubierta de vidrio
y el factor de interceptacioacuten (Hidalgo 2012)
Reflectancia ρ no toda la energiacutea incidente es reflejada hacia el tubo
absorbedor
Absortancia α cantidad de radiacioacuten que absorbe la superficie selectiva del
tubo metaacutelico
Transmitancia 120591 de aquella radiacioacuten que intercepta el tubo de vidrio solo
una parte consigue atravesarlo
Factor de interceptacioacuten γ no toda la radiacioacuten reflejada por los espejos
acaba incidiendo sobre el tubo absorbedor Las causas son diversas imperfecciones
en los espejos un mal posicionamiento de los colectores etc
173 Peacuterdidas teacutermicas Principalmente se encuentran asociadas a dos elementos
del sistema el tubo absorbedor y las tuberiacuteas de fluido teacutermico Las perdidas
asociadas estaacuten formadas por perdidas por conduccioacuten por conveccioacuten y por
radiacioacuten de los diferentes medios que conforman el conjunto del tubo absorbedor
es decir por el tubo metaacutelico la cubierta de cristal y la atmosfera De manera que
la potencia teacutermica disipada en el colector equivale a la suma de las peacuterdidas teacutermicas
en el receptor y las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas por donde circula el fluido
teacutermico (HTF) (Hidalgo 2012)
18
Peacuterdidas teacutermicas en el aceite teacutermico (HTF)
Las peacuterdidas teacutermicas asociadas al tubo absorbedor (119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905) se deben a la
diferencia de temperaturas entre eacuteste y el ambiente pudiendo ser por conduccioacuten
por radiacioacuten y por conveccioacuten desde el tubo absorbedor al ambiente Aunque cada
una de estas peacuterdidas podriacutea calcularse aplicando las ecuaciones que rigen los
mecanismos de transferencia de calor antes mencionados en la praacutectica las
peacuterdidas teacutermicas globales en un colector se cuantifican mediante ecuaciones
experimentales (Hidalgo 2012)
18 Rendimiento de un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Como consecuencia de todas las peacuterdidas oacutepticas geomeacutetricas y teacutermicas que
existen en un CCP la energiacutea teacutermica uacutetil que da un CCP es menor que la que dariacutea
en condiciones ideales cuando no existieran dichas peacuterdidas
En un CCP se suelen definir tres rendimientos diferentes y un paraacutemetro
I) Rendimiento oacuteptico con un aacutengulo de incidencia de 0ordm (rendimiento oacuteptico pico)
Tiene en cuenta todas las peacuterdidas oacutepticas que tienen lugar en el colector con un
aacutengulo de incidencia de 0ordm Su valor viene dado por el producto de estos cuatro
factores reflectividad de los espejos transmisividad del tubo de vidrio factor de
interceptacioacuten (que tiene en cuenta la parte de radiacioacuten reflejada que por cualquier
causa no alcanza el absorbente) y absortividad de la superficie selectiva que recubre
el tubo metaacutelico absorbente
II) Rendimiento teacutermico Considera todas las peacuterdidas teacutermicas que tienen lugar en
el colector
III) Rendimiento global Considera todas las peacuterdidas tanto oacutepticas como
geomeacutetricas y teacutermicas que tienen lugar en el colector
IV) Modificador por aacutengulo de incidencia Considera todas las peacuterdidas oacutepticas y
geomeacutetricas que tienen lugar en el colector para un aacutengulo de incidencia ϕ ne 0ordmy que
no se tienen en cuenta en rendimiento oacuteptico (peacuterdidas geomeacutetricas de final de
colector bloqueo de la radiacioacuten concentrada por parte de los soportes del tubo
absorbente e influencia del aacutengulo de incidencia en la absortividad y transmisividad
del tubo absorbente y en la reflectividad de los espejos) (Paredes 2012)
19 Disentildeos hiacutebridos
En general las formas de concentracioacuten de la energiacutea solar se pueden dividir en
tecnologiacuteas lineales y de enfoque puntual Los canales paraboacutelicos y los colectores
lineales Fresnel pertenecen a las tecnologiacuteas de enfoque lineal mientras que las
tecnologiacuteas de enfoque de puntos principales son el receptor central (torre solar) y el
reflector paraboacutelico (disco) Desde el punto de la disponibilidad del mercado y el
estado actual de desarrollo para el presente estudio de caso se han elegido las
siguientes tres opciones de tecnologiacutea Lineal Fresnel (LF) Ciliacutendrico Paraboacutelico
19
(CCP) y Torre Central (STC) Para todas las opciones de CSP nombradas hay
diferentes configuraciones de tecnologiacuteas posibles cuyo rango se muestra en la tabla
1 (E Burin 2016)
Tabla 1 Rangos para las 3 tecnologiacuteas posibles
Unidad LF CCP STC
Fluido teacutermico
(HTF)
- Aceite teacutermico
Agua
Sal
Aceite teacutermico
Agua
sal
Agua
Sal
Aire
Concentracioacuten - 25-100 70-80 300-1000
Rango de
temperatura
oC 380-600(ST) 380-600(ST) 565(ST)
Performance MWel 10-200 10-200 10-150
Capacidad de
corriente instalada
1 88 11
Proporcioacuten de las
obras (2012)
6 75 18
(ST) Steam Turbine
Fuente(Reuszlig 2012 Pitz-Paal 2013 REN 2013)
Debido a la diferente etapa de desarrollo teacutecnico de las tres tecnologiacuteas de CSP y
sus HTF para el estudio de caso se examinaron las siguientes combinaciones CCP
(aceite teacutermico) LF (agua vapor) y STC (agua vapor)
En cuanto a los disentildeos de integracioacuten de las tres tecnologiacuteas de CSP elegidas
desde el punto de vista termodinaacutemico es esforzarse por alcanzar un nivel de
temperatura lo maacutes alto posible para el calor solar agregado Por esa razoacuten el calor
solar agregado se usoacute aquiacute para proporcionar calor para el precalentamiento del agua
de alimentacioacuten a alta presioacuten asiacute como para la produccioacuten paralela de vapor
saturado y vapor vivo en paralelo con los generadores de vapor de bagazo Los
diagramas de flujo de proceso de los tres disentildeos de integracioacuten se muestran en la
siguiente figura
20
Figura 9 Diagramas de flujo de proceso de los tres disentildeos de integracioacuten posibles
En el disentildeo 1 el calor solar reemplaza completamente la extraccioacuten a alta presioacuten
de la turbina CEST Para este propoacutesito el campo solar proporciona en el punto de
disentildeo un rendimiento teacutermico equivalente a la demanda de calor requerida para el
calentador de agua de alimentacioacuten de alta presioacuten Debido al modo de operacioacuten de
ahorro de combustible este reemplazo y la cantidad reducida de bagazo quemado
afecta el rendimiento de la turbina CEST asiacute como la liacutenea de calentamiento del agua
de alimentacioacuten Debido a que no se realiza la extraccioacuten de vapor de alta presioacuten en
el tiempo en que el campo este trabajando se seleccionoacute las tecnologiacuteas CCP y LF
Cabe sentildealar que no es posible una operacioacuten de solo solar
El disentildeo de integracioacuten 2 permite una produccioacuten paralela de vapor saturado con
calor solar para reducir el consumo de bagazo Por lo tanto parte del flujo de masa
de agua de alimentacioacuten principal que va a los generadores de vapor se desviacutea Este
flujo maacutesico secundario pasa en el caso de CCP a traveacutes de un generador de vapor
solar tiacutepico mientras que en el caso de la LF se alimenta directamente al campo
solar En ambos casos se produce vapor saturado a 67 bar que luego se une al flujo
de masa principal dentro de los generadores de vapor para el sobrecalentamiento
En consecuencia el disentildeo de integracioacuten 2 solo afecta el rendimiento de los
21
generadores de vapor mientras que las condiciones de vapor vivo permanecen
iguales Al mantener el estudio de caso cerca de la viabilidad teacutecnica deben
respetarse las condiciones teacutecnicas de contorno de los generadores de vapor Con
el fin de evitar fuertes desequilibrios en estos componentes se asumioacute que se permite
reducir la carga del generador de vapor a un nivel miacutenimo del 85 Del mismo modo
este disentildeo no permite una operacioacuten solo solar
En el disentildeo de integracioacuten 3 el calor solar desplaza al generador de vapor de
carga teacutermica Una parte del agua de alimentacioacuten se deriva de los generadores de
vapor A medida que pasa a traveacutes del sistema de torre solar se produce vapor
sobrecalentado a 520 deg C y 67 bar Esta integracioacuten afecta solo el rendimiento teacutermico
de los generadores de vapor mientras que el ciclo agua vapor se opera en modo
normal En comparacioacuten con el disentildeo de integracioacuten 2 la operacioacuten de los
generadores de vapor se simplifica Eso significa que los generadores de vapor
funcionan aquiacute con una carga parcial normal de 100 a 65 de carga Con respecto
a eso al permitir una carga miacutenima del generador de vapor del 65 en el punto de
disentildeo solar la torre solar fue disentildeada para proporcionar todo el calor restante
necesario Cabe sentildealar que para el disentildeo de integracioacuten 3 es posible una
operacioacuten solo solar cuando la instalacioacuten de cantildea de azuacutecar estaacute fuera de servicio
Tabla 2 Muacuteltiplo solar simulado seguacuten la tecnologiacutea de CSP
Disentildeo Tecnologiacutea Muacuteltiplo solar
simulado
Disentildeo 1 CCP
LF
09 - 14
08 - 14
Disentildeo 2 CCP
LF
09 - 13
08 - 14
Disentildeo 3 STC 08 - 40
Seleccioacuten del Disentildeo y la tecnologiacutea
Luego del anaacutelisis acerca del disentildeo y la tecnologiacutea a emplear en este proyecto se
decidioacute elegir la tecnologiacutea de colectores ciliacutendricos paraboacutelicos (CCP) y el disentildeo
nuacutemero 1 Los colectores de canal paraboacutelico son los maacutes empleados en el mundo
actualmente y lleva siendo instalada a nivel comercial desde los antildeos 80 con un
excepcional comportamiento Desde entonces ha experimentado importantes
mejoras a nivel de costes y rendimientos Hoy diacutea hay maacutes de 1 GWe en operacioacuten
maacutes de 800 MWe en construccioacuten y maacutes de 2 GWe en promocioacuten a nivel mundial
22
Para las condiciones de nuestro paiacutes esta tecnologiacutea pudiera ser la maacutes factible y
segura tambieacuten contamos en Cuba con industrias que poseen capacidad
maquinaria y herramientas para llegar a construir gran parte del equipo como las
bases y estructuras metaacutelicas teniendo que importarse solamente el tubo
absolvedor Reduciendo esto los costos en gran medida ejemplo de esto es la faacutebrica
de antena de Santa Clara que ya han construido maquetas de un equipo de esta
tecnologiacutea y se encuentran en condiciones de comenzar una produccioacuten a mayor
escala
110 Influencia de la industria azucarera en Cuba
La escasez de recursos energeacuteticos primarios junto con la afectacioacuten ambiental
resultante de la utilizacioacuten irracional de la energiacutea asociada a la actividad humana
obliga a la buacutesqueda de fuentes alternativas en especial fuentes renovables de
energiacutea La biomasa ha sido fuente de energiacutea desde tiempos inmemoriales fue de
hecho el primer combustible que empleoacute el hombre pero no obstante sus milenios
de utilizacioacuten la biomasa continuacutea ocupando un lugar importante en la matriz
energeacutetica a nivel mundial y continuaraacute sieacutendolo La biomasa es un combustible
renovable se encuentra ampliamente distribuida a nivel mundial y resulta en muchas
ocasiones un subproducto de ciertos procesos productivos (agriacutecolas e industriales)
En Cuba existen diferentes tipos de biomasa con posibilidades econoacutemicas de
empleo entre las maacutes importantes estaacuten el bagazo y los residuos agriacutecolas de la
cantildea de azuacutecar la lentildea y el raleo de los bosques el marabuacute la cascara de arroz y
los residuos del cafeacute En la proyeccioacuten estrateacutegica de la generacioacuten de electricidad en
Cuba para el 2030 se considera que las fuentes renovables de energiacutea alcanzaran
el 24 del total (en la actualidad representan el 43 ) y la biomasa representaraacute el
14 del total por lo que ella representaraacute el 58 de la electricidad obtenida con
fuentes renovables Este proceso de generacioacuten de electricidad con biomasa se
centraraacute casi totalmente en la industria azucarera lo que conlleva a un problema
fundamental que consiste en que la zafra se realiza en tan solo 5 meses
aproximadamente y se necesita que la generacioacuten sea durante todo el antildeo En la
actualidad existen tecnologiacuteas disponibles y posibilidades para su empleo que
permiten valorar diferentes alternativas para incrementar sustantivamente el
potencial de generacioacuten eleacutectrica de los centrales azucareros como son las
bioeleacutectricas las cuales se plantea la instalacioacuten de alrededor de 25 en toda Cuba lo
que requiere de un suministro adicional de combustible para el resto del antildeo en que
no hay zafra Para esto planteamos en este trabajo la hibridacioacuten con un campo termo
solar que permita el ahorro de combustible y su posterior uso en los meses en que
no hay zafra
En nuestro paiacutes se sigue una poliacutetica de desarrollo sostenible y se ha comenzado
una serie de proyectos en la industria azucarera buscando modificaciones que
permitan un aumento en la energiacutea generada por toneladas de cantildea molida Para
23
esto se valoran aspectos como la variacioacuten de los paraacutemetros de explotacioacuten (presioacuten
y temperatura) de las plantas generadoras y las que consumen vapor mejorar el
secado del bagazo que se quema en las calderas hibridar los generadores de vapor
con energiacutea solar y aumentar la entrega al SEN haciendo un uso eficiente de la
electricidad que se consume asiacute como evitar las paradas imprevistas
Las Bioeleacutectricas suscitan hoy creciente intereacutes en el mundo y en Cuba ante la
necesidad de produccioacuten de energiacutea compatible con el medio ambiente Actualmente
una decena de naciones son paradigmas en el uso de esas instalaciones Isla
Reunioacuten India Isla Mauricio Australia Isla Guadalupe Belice Guatemala Estados
Unidos Costa Rica China y particularmente Brasil que posee 160 de 188 existentes
en el orbe Globalmente estas unidades tienen un potencia instalada de maacutes 2800
megavatios y de esa cifra al menos dos mil corresponden a Brasil secundado en
cuanto a cantidad de Bioeleacutectricas por India (14) Isla Mauricio (3) Isla Reunioacuten (2)
mientras que los restantes paiacuteses mencionados poseen una individualmente
(Salomoacuten 2016)
111 Propuesta para la hibridacioacuten de la bioeleacutectrica con energiacutea renovable
En el paiacutes se lucha hoy por un acercamiento hacia las tecnologiacuteas de energiacutea
renovables Con el propoacutesito de convertir todos los sistemas de generacioacuten de
energiacutea eleacutectrica en sistemas maacutes compatibles con el medio ambiente La hibridacioacuten
de la caldera del central George Washington consiste en disentildear un campo de
Colectores Ciliacutendricos Paraboacutelicos prototipo (EUROTrough-150) Con el fin de elevar
la temperatura del agua proveniente del proceso hasta los 260 oC e inyectarla al
economizador de la caldera para ahorrar bagazo que pudiera ser utilizado en los
restantes meses del antildeo cuando no hay zafra para la produccioacuten de energiacutea eleacutectrica
y su entrega al sistema energeacutetico nacional En el siguiente esquema se muestra la
propuesta planteada para la hibridacioacuten
24
Figura 10 Esquema de la hibridacion con colectores solares
25
Seguacuten un documento sobre eficiencia energeacutetica emitido por el Instituto Cubano de
Investigaciones Azucareras (ICINAZ) a todos los centrales del paiacutes se hace relacioacuten
en cuanto a la temperatura del agua de alimentacioacuten de la caldera y cuanto incide
esto en la eficiencia de dicha caldera Quedando que por cada 5 ordmC que se
incrementa la temperatura del agua de alimentacioacuten se incrementa 1 la eficiencia
de la caldera Siendo esto una justificacioacuten razonable para la propuesta planteada
que eleva la temperatura del agua de alimentacioacuten de 166 ordmC a 260 ordmC Alterando
la temperatura unos 94 ordmC influyendo esto en el aumento de la eficiencia en 18
puntos porcentuales
Conclusiones parciales
En este capiacutetulo se realizoacute una amplia revisioacuten bibliograacutefica que abordoacute el estado
del arte y avances tecnoloacutegicos maacutes importantes para los temas relacionados con
esta investigacioacuten que fueron el de energiacutea solar teacutermica y todo lo relacionado con
las bioeleacutectricas a nivel mundial y en nuestro paiacutes Tambieacuten se realizoacute un anaacutelisis
exhaustivo para la determinacioacuten de la tecnologiacutea de sistemas de concentracioacuten
solar lo que resulto que el sistema de Colectores Ciliacutendricos Paraboacutelicos prototipo
EUROTrough-150 es el maacutes factible para su instalacioacuten en Cuba y posteriormente
pudiera ser fabricado por industrias nacionales El disentildeo de incorporacioacuten del
campo al esquema termodinaacutemico de la bioeleacutectrica resulto ser maacutes factible y de
menores transformaciones tecnoloacutegicas en la estructura del central el de
incorporarlo antes de la caldera y que este inyecte el agua calentada directamente
al economizador realizando el salto teacutermico del agua en un intercambiador de calor
existente en la interseccioacuten del campo con la tuberiacutea del agua proveniente de las
bombas
26
Capiacutetulo 2 Materiales y Meacutetodos En este capiacutetulo se describen los programas y foacutermulas utilizadas para el caacutelculo de los objetivos planteados
La presente investigacioacuten se realizoacute desde enero hasta mayo del 2018 Para la realizacioacuten de los caacutelculos se utilizaron los softwares Engineering Equation Solver (EES) (2004) Matlab (2010) y Excel (2016)
Tabla 3 Condiciones de frontera para la bioeleacutectrica
21 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB uml George Washington uml
En este apartado se realizaraacute la evaluacioacuten del recurso solar disponible en el emplazamiento analizado El estudio del potencial solar en el emplazamiento consiste en el anaacutelisis de los datos de radiacioacuten disponibles el tratamiento de los mismos la estimacioacuten de las variabilidades asociadas y el caacutelculo de la produccioacuten una vez consideradas todas las peacuterdidas A la hora de evaluar el recurso solar y a falta de una medida precisa y especiacutefica en el propio emplazamiento se ha recurrido a diversas fuentes para la obtencioacuten de datos de radiacioacuten con el fin de realizar un ajuste estadiacutestico de los mismos y minimizar los errores asociados a ellos
Para el caacutelculo del potencial solar en la zona del central umlGeorge Washingtonuml fue necesario calcular la radiacioacuten solar directa (DNI) que incide en ese lugar y la duracioacuten diurna del diacutea
211 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa
Para el caacutelculo de la radiacioacuten solar directa en la zona de la UEB uml George Washington uml se tomaron como coordenadas de referencia la latitud y la longitud Lat 22587 Long -80244
Para ello se utilizaron modelos estadiacutesticos que permitieron obtener varios valores de radiacioacuten solar directa (DNI) teniendo en cuenta la posicioacuten geograacutefica del lugar y el diacutea del antildeo que se analiza dicha radiacioacuten En este caso se usoacute la foacutermula para condiciones normales
DNI = 1230 ∙ e^ (minus1
38∙cos∙(120579120579120579minus16)) (1)
27
Doacutende
Aacutengulo de incidencia solar θs El valor del aacutengulo de incidencia (θs) sobre la normal a una superficie plana estaacute dado por la siguiente foacutermulaθs
120579119904 = cosminus1(sin 119889 ∙ sin 119871 ∙ cos 119904 minus sin 119889 ∙ cos 119871 ∙ sin 119904 ∙ cos 119892 + cos 119889 cos 119871 ∙ cos 119904 ∙ cos 119908 +cos 119889 ∙ sin 119871 ∙ sin 119904 ∙ cos 119908 ∙ cos 119892 + cos 119892 ∙ sin 119904 ∙ sin 119892 ∙ sin 119908) (2)
Doacutende
d- Aacutengulo de declinacioacuten L- Latitud geograacutefica s- Inclinacioacuten del colector g- Orientacioacuten del colector w- Aacutengulo horario
212 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea (nuacutemero de horas en que el sol estaacute
sobre el horizonte)
119915 = 120784 ∙119934119930
120783120787 (3)
Doacutende
119830119826 = 119836119848119852minus120783(minus 119853119834119847 119923 ∙ 119853119834119847 119941) (4)
L-Latitud geograacutefica
d-Declinacioacuten
Se compararon los resultados de DNI por la metodologiacutea utilizada en este trabajo con la base de datos de la NASA (httpeosweblarcnasagovsse 2017)
Aun asiacute los lugares para desarrollar aplicaciones de energiacutea solar teacutermica por concentracioacuten deben cumplir con unos estaacutendares de acuerdo a la radiacioacuten solar perpendicular a la superficie incidente sobre un metro cuadrado para que sea eficiente dicha instalacioacuten lo cual se valora de la siguiente manera
Se tuvieron en cuenta los valores de radiacioacuten solar directa (kWm2diacutea) (GESIME 2014)
No idoacuteneos Hasta 1700 kWhmsup2antildeo (47 kWhmsup2diacutea)
Idoacuteneos Entre 1700 y 2700 kWhmsup2antildeo (47 y 74 kWhmsup2diacutea)
Oacuteptimos Maacutes de 2700 kWhmsup2antildeo (74 kWhmsup2diacutea)
28
213 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
El colector ciliacutendrico paraboacutelico que se propuso fue el (Eurotrough-150) cuyas caracteriacutesticas se observaran en la tabla4 y figura 11
Tabla 4 Caracteriacutesticas del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico Eurotrough-150 (ET-150)
Figura 11 Prototipo EUROTrough en la Plataforma Solar de Almeriacutea Espantildea
Para el caacutelculo del rendimiento global de un Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico hay que realizar un balance energeacutetico teniendo en cuenta las peacuterdidas que suceden en el mismo
Caracteriacutesticas um
Ancho de apertura 577 m
Longitud total de cada colector 150 m
Aacuterea de apertura del colector 8175 m2
Longitud focal 171 m
Longitud del absorbedor 41 m
Radio exterior del absorbedor 0035 m
Radio interior del absorbedor 00325 m
Distancia entre filas de colectores 17 m
Rendimiento Oacuteptico pico 78
Factor de ensuciamiento 95
Disponibilidad 97
29
214 Peacuterdidas geomeacutetricas
La geometriacutea del canal paraboacutelico lleva asociada una disminucioacuten del aacuterea efectiva de captacioacuten Estas peacuterdidas se dividen en dos grupos Peacuterdidas debidas a la posicioacuten relativa de los colectores los cuales se pueden dar sombra unos a otros Peacuterdidas inherentes a cada colector son las debidas al aacutengulo de incidencia de
la radiacioacuten solar (g) respecto a la normal del plano de apertura del colector (figura
12)
Figura 12 Aacutengulo de incidencia en un Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
Como consecuencia de este aacutengulo existe una peacuterdida de superficie reflexiva uacutetil en los extremos del colector Por tanto el aacutengulo de incidencia tiene gran importancia sobre el comportamiento teacutermico del colector puesto que limita la cantidad de radiacioacuten solar que se puede aprovechar Se hizo una comparacioacuten del aacutengulo de incidencia en cuanto a la orientacioacuten y el seguimiento solar del colector ciliacutendrico paraboacutelico
Si la orientacioacuten (g) es de Norte-Sur con seguimiento solar Este-Oeste g = 0ordm
Si la orientacioacuten (g) es de Este-Oeste con seguimiento solar Norte-Sur g = 90ordm
Declinacioacuten seguacuten foacutermula de Cooper (Ribot J 2001)
119889 = 2345 ∙ 119904119890119899 [360 ∙(284+119899)
365] (5)
Siendo ldquonrdquo el nuacutemero de diacutea natural para el 1 de enero n=1 y para el 31 de diciembre
n=365
El aacutengulo horario se calcula seguacuten la foacutermula
30
120591 = 15deg ∙ (ℎ119904 minus 12) (6)
Siendo ldquohsrdquo las horas de reloj El valor es negativo por la mantildeana y positivo tras el mediodiacutea y cero al mediodiacutea solar
Se consideroacute el aacutengulo horario 0ordm por ser el mediodiacutea solar donde maacutes radiacioacuten incide sobre la tierra con el objetivo de simplificar los caacutelculos
Se consideroacute el aacutengulo de inclinacioacuten igual a 0ordm (disposicioacuten horizontal) por ser maacutes eficiente
La latitud del lugar en estudio (UEB uml George Washington uml) Santo Domingo es de 22587ordm
Las peacuterdidas asociadas al aacutengulo de incidencia son miacutenimas cuando el aacutengulo es
0ordm cos 120579119904 = 1 y maacuteximas cuando es 90ordm Por tanto cuanto menor sea el aacutengulo de incidencia mayor es la energiacutea solar incidente sobre el colector y mayor es el rendimiento del mismo
215 Peacuterdidas oacutepticas
Caacutelculo del rendimiento oacuteptico pico del colector 120578119900119901119905119874119900 que es aquel que tiene en
cuenta todas las peacuterdidas oacutepticas que tienen lugar en el captador con un aacutengulo de incidencia de 0ordm 120578119900119901119905119874119900 = 120588 ∙ 120574 ∙ 120591 ∙ 120572 (7)
Donde
120588 Reflectancia no toda la energiacutea incidente es reflejada hacia el tubo absorbedor
120574 Factor de interceptacioacuten no toda la radiacioacuten reflejada por los espejos acaba incidiendo sobre el tubo absorbedor Las causas son diversas imperfecciones en los espejos un mal posicionamiento de los colectores etc
120591 Transmitancia de aquella radiacioacuten que intercepta el tubo de vidrio solo una parte consigue atravesarlo
α Absortancia cantidad de radiacioacuten que absorbe la superficie selectiva del tubo metaacutelico
Ademaacutes de las peacuterdidas debidas al aacutengulo de incidencia existen otras peacuterdidas que se asocian a dicho aacutengulo El efecto del aacutengulo de incidencia en el rendimiento del CCP se cuantifica mediante el modificador por aacutengulo de incidencia 119870(120579119904) Eacuteste considera todas las peacuterdidas oacutepticas y geomeacutetricas que tienen lugar en el captador
para un aacutengulo de incidencia 120579119904 ne 0ordm y que no se tienen en cuenta en el rendimiento oacuteptico pico
31
El modificador por el aacutengulo de incidencia depende directamente del aacutengulo de
incidencia siendo 119870(120579119904) = 1 para 120579119904 = 0deg y siendo 119870(120579119904) =0 para 120579119904 = 90deg y se
obtiene como funcioacuten de eacuteste seguacuten la expresioacuten
119870(120579119904) = 1 minus 223073 ∙ 10minus4 ∙ (120579119904) minus 11 ∙ 10minus4 ∙ (1205791199042) + 318596 ∙ 10minus6 ∙ (120579119904
3) minus 485509 ∙
10minus9 ∙ (1205791199044) (8)
216 Peacuterdidas teacutermicas
Las peacuterdidas teacutermicas que tiene lugar en un CCP dan como consecuencia que la energiacutea teacutermica uacutetil sea menor que la energiacutea solar absorbida por el colector Teniendo en cuenta esto la potencia teacutermica uacutetil por colector seraacute igual la diferencia entre los calores absorbido y perdido
119906119905119894119897 = 119886119887119904 minus 119901119890119903119889 (9)
Doacutende
119906119905119894119897 ∶ 119875119900119905119890119899119888119894119886 119905eacute119903119898119894119888119886 uacute119905119894119897 119901119900119903 119888119900119897119890119888119905119900119903 (119882)
119886119887119904 119862119886119897119900119903 119886119887119904119900119903119887119894119889119900 119901119900119903 119890119897 119891119897119906119894119889119900 119889119890 119905119903119886119899119904119891119890119903119890119899119888119894119886 119889119890 119888119886119897119900119903 (119867119879119865) (119882)
119901119890119903119889 119875eacute119903119889119894119889119886119904 119905eacute119903119898119894119888119886119904 119889119890119897 119867119879119865 119886119897 119886119898119887119894119890119899119905119890 (119882)
Peacuterdidas teacutermicas en el aceite teacutermico (HTF) Las peacuterdidas teacutermicas se producen a lo largo del circuito por donde se mueve el fluido teacutermico principalmente en dos lugares en el tubo absorbedor y en las tuberiacuteas del campo de colectores De manera que la potencia teacutermica disipada en el colector equivale a la suma de las peacuterdidas teacutermicas en el receptor y las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas por donde circula el fluido teacutermico (HTF)
119876119901119890119903119889 = 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 + 119875119890119903119889119905119906119887119890119903 (10)
Las peacuterdidas teacutermicas asociadas al tubo absorbedor 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 se deben a la diferencia de temperaturas entre eacuteste y el ambiente pudiendo ser por conduccioacuten por radiacioacuten y por conveccioacuten desde el tubo absobedor al ambiente Aunque cada una de estas peacuterdidas podriacutea calcularse aplicando las ecuaciones que rigen los mecanismos de transferencia de calor antes mencionados en la praacutectica las peacuterdidas teacutermicas globales en un colector se cuantifican mediante ecuaciones experimentales Asiacute las peacuterdidas teacutermicas en el tubo absorbedor por metro longitudinal de colector vienen dadas por la ecuacioacuten
119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 =1198751198901199031198891+1198751198901199031198892+1198751198901199031198893+1198751198901199031198894
119879119904minus119879119890 (11)
32
Doacutende
1198751198901199031198891 = (1198600 + 1198605 ∙ radic119907) ∙ (119879119904 minus 119879119890) (12)
1198751198901199031198892 = (1198601 + 1198606 ∙ radic119907) ∙ (119879119904
2minus1198791198902
2minus 119879119886119898119887 ∙ (119879119904 minus 119879119890)) (13)
1198751198901199031198893 = (1198602+1198604∙119863119873119868∙119870(120579119904)∙cos(120579119904)
3∙ (119879119904
3 minus 1198791198903)) (14)
1198751198901199031198894 =1198603
4∙ (119879119904
4 minus 1198791198904) (15)
Siendo
119879119904 Temperatura del HTF a la salida del campo solar
119879119890 Temperaturas del HTF a la entrada del campo solar
119879119886119898119887 Temperatura ambiente
119907 Velocidad del viento (ms)
Los coeficientes empleados en las foacutermulas se recogen en la tabla 5
Tabla 5 Coeficientes de peacuterdidas teacutermicas
A0 405
A1 0247
A2 -000146
A3 565E-06
A4 762E-08
A5 -17
A6 00125
En general las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas (119875119890119903119889119905119906119887119890119903 ) del campo de colectores son pequentildeas del orden de 8 Wm2 Finalmente la potencia teacutermica disipada por el aceite teacutermico a su paso por un colector es
33
119901119890119903119889 = 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 ∙ 119871119888119900119897119890119888119905119900119903 + 119875119890119903119889119905119906119887119890119903 ∙ 119878119888 (16)
Doacutende
119878119888 Aacuterea de apertura del colector (Ver tabla 1)
Un colector como todos los sistemas de concentracioacuten de la energiacutea solar solo puede aprovechar la radiacioacuten solar que incide normal a su plano de apertura De esta forma la energiacutea solar por unidad de tiempo y en el punto de disentildeo que incide sobre la superficie de apertura de un CCP viene dada por la ecuacioacuten
119904119900119897 = 119863119873119868 ∙ cos(120579119904) ∙ 119878119888 (17)
La potencia absorbida por el colector 119886119887119904 va a ser menor que la 119904119900119897 ya que eacutesta uacuteltima no tiene en cuenta las peacuterdidas oacutepticas y geomeacutetricas en el colector ni la limpieza de los espejos ni la disponibilidad del campo solar La radiacioacuten solar absorbida en un colector CCP viene dada por la ecuacioacuten
119886119887119904 = 119863119873119868 ∙ cos(120579119904) ∙ 119878119888 ∙ 119870 ∙ (120579119904) ∙ Ƞ1199001199011199050ordm ∙ 119865119888 ∙ 119865119889119894119904119901 (18)
Siendo
119865119888 Factor de ensuciamiento de los espejos (95 )Tiene en cuenta que aunque los espejos se limpien no recuperan su estado inicial 119865119889119894119904119901 Factor de disponibilidad (97 ) Fraccioacuten del campo solar que estaacute en
operacioacuten y captando la energiacutea solar El rendimiento global de un CCP viene dado por el cociente entre el aumento de entalpia en el HTF a su paso por el colector y la energiacutea solar incidente sobre el captador
Ƞ119888119900119897119890119888 =119876119906119905119894119897
119876119904119900119897 (19)
22 Dimensionamiento del campo solar de la zona de la UEB uml George
Washington uml
El dimensionamiento del campo solar consiste en determinar el nuacutemero de CCPs (o nuacutemero de lazos) necesarios para aportar la energiacutea que demanda este en el punto de disentildeo (Hidalgo 2012)
Para dimensionar el campo solar es necesario evaluar las condiciones del terreno
donde se va a realizar el montaje de los colectores y hacer un balance energeacutetico
del generador de vapor solar
34
221 Caracterizacioacuten del terrero
Se tuvo en cuenta el relieve y el tamantildeo del terreno cercano al central lo que resulto favorable para abaratar la inversioacuten en cuanto a movimientos de tierra y compra de terrenos Los recursos hiacutedricos ya tienen una infraestructura creada puesto que son necesarios para el proceso que realiza la faacutebrica actualmente Esto se basa en posos que bombean el agua hasta los filtros donde se realiza el tratamiento externo al agua y van luego al proceso todo este sistema ya se encuentra instalado y en buenas condiciones lo que resulta de gran ayuda para el proyecto futuro de Bioeleacutectrica
222 Balance energeacutetico en el generador de vapor solar (GVS)
Para calcular el nuacutemero de lazos necesarios en el campo solar es preciso conocer primero la potencia teacutermica que puede aportar el campo solar en el punto de disentildeo esto se determina mediante la foacutermula
119888119886119898119901119900 =119882119890119897119890119888119905
120578119905119906119903119887 (20)
Doacutende
119888119886119898119901119900 Potencia teacutermica del campo solar
119882119890119897119890119888119905 Potencia eleacutectrica de la turbina
120578119905119906119903119887 Eficiencia termo-mecaacutenica de la turbina (Se asumioacute de 68)
Seguidamente hay que establecer el balance de masas y energiacutea en el Generador de vapor solar (GVS) El GVS se disentildea para recuperar la energiacutea del fluido teacutermico procedente del campo solar Para el intercambiador de calor (GVS) se cumple que la cantidad de calor transferido por unidad de tiempo permanece constante o lo que es lo mismo la energiacutea total es la misma antes y despueacutes de cada transformacioacuten El balance energeacutetico en un intercambiador de calor se resuelve mediante la ecuacioacuten
119886119892119906119886 ∙ ∆119867119886119892119906119886 = 119886119888119890119894119905119890 ∙ ∆119867119886119888119890119894119905119890 (21)
Ademaacutes para cada fluido de forma individual se cumple que
= 119886119888119890119894119905119890 ∙ 119862119901119886119888119890119894119905119890∙ ∆119879 = 119898119886119888119890119894119905119890 ∙ (ℎ119904 minus ℎ119890) (22)
Doacutende
∆H Diferencia de entalpiacuteas a la entrada y a la salida del intercambiador (kJkg)
Q Potencia teacutermica intercambiada (kW)
35
m Caudal maacutesico (kgs) Cp Calor especiacutefico (kJkg ordmC)
∆T Diferencia de temperaturas a la entrada y la salida del intercambiador (ordmC) hs he Entalpiacuteas a la entrada y a la salida respectivamente (kJKg) Y seguacuten el teorema de conservacioacuten de la masa se tiene que
119890119899119905119903119886 = 119904119886119897119890
223 Caacutelculo del nuacutemero de lazos
Los caacutelculos que se han desarrollado en los acaacutepites anteriores constituyen los datos de partida para el caacutelculo del nuacutemero de colectores requeridos en el campo solar para poder alcanzar la potencia teacutermica demandada al campo solar
Caracteriacutesticas del aceite teacutermico (HTF)
El aceite teacutermico que se ha empleado como fluido calo-portador es Therminol VP-1 cuyo rango de temperatura de trabajo se encuentra entre 12-400ordmC La temperatura a la salida del campo solar no debe excederse de los 400ordmC ya que para temperaturas superiores el aceite se degrada y pierde sus propiedades teacutermicas A continuacioacuten se presentan las graacuteficas correspondientes a variacioacuten de densidad y entalpiacutea del aceite teacutermico Therminol VP-1 con la temperatura figuras 13 y 14 respectivamente y que han sido elaboradas a partir de datos del fabricante
Figura 13 Therminol VP-1 Entalpiacutea vs Temperatura
36
Figura 14 Therminol VP-1 Densidad vs Temperatura(Hidalgo 2012)
Para determinar el nuacutemero de lazos necesarios en el campo solar se ha seguido la siguiente metodologiacutea de caacutelculo
Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF
Incremento de temperatura del HTF en un colector
Nuacutemero de colectores necesarios por lazo Nuacutemero de lazos en el campo solar
224 Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF por cada lazo
El caudal de aceite estaacute controlado por la temperatura de salida del campo Cuando la radiacioacuten solar es baja el flujo se reduce con el objetivo de mantener la temperatura de salida del campo y por el contrario cuando la radiacioacuten solar es superior a la del punto de disentildeo los colectores se desenfocan para evitar que el aceite exceda los 393ordmC La velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor se calcula a partir de la expresioacuten del nuacutemero de Reynolds
119877119890 =119907∙119863∙120588
120583 (23)
Doacutende
119907 Velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor (ms) (Se asumioacute una
velocidad de 3 ms la cual es una velocidad econoacutemica)
119877119890 Nuacutemero de Reynolds (-)
120583 Viscosidad dinaacutemica del HTF a la temperatura media de trabajo (Pas)
119863 Diaacutemetro interior del tubo absorbedor (m)
120588 Densidad del HTF a la temperatura media de trabajo (kgm3)
37
Para cumplir con los requisitos de flujo turbulento el caudal miacutenimo de aceite que circula por un lazo en el punto de disentildeo es
= 119907 ∙ 119878 ∙ 120588 (24)
Siendo S en m2 la seccioacuten transversal interior del tubo absorbedor
225 Incremento de temperatura del HTF en un colector
La potencia teacutermica uacutetil del colector se invierte en aumentar la temperatura del aceite De esta forma el incremento de temperatura que sufre el aceite teacutermico a su paso por un colector es decir desde que entra en el colector y hasta que sale del mismo es
∆119879119888119900119897119890119888 = 119879119904 minus 119879119888 =uacute119905119894119897
∙119862119901 (25)
∆119879119888119900119897119890119888 Incremento de temperatura del aceite teacutermico en el colector (ordmC)
119879119888 119879119904 Temperatura del HTF a la entrada y a la salida del colector respectivamente
(ordmC)
119906119905119894119897 Potencia teacutermica uacutetil por colector (W)
Caudal maacutesico de aceite teacutermico por colector (kgs)
119862119901 Calor especiacutefico del aceite teacutermico a la temperatura media de trabajo (kJkg ordmC)
226 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
El incremento total de temperatura del HTF por lazo ΔT lazo es igual a la diferencia entre las temperaturas a la salida y a la entrada del campo solar Por tanto el nuacutemero teoacuterico de colectores en serie por lazo seraacute igual a
119873119888119900119897119890119888 =∆119879119897119886119911119900
∆119879119888119900119897119890119888 (26)
119873119888119900119897119890119888 Nuacutemero teoacuterico de colectores por lazo
∆119879119897119886119911119900 Incremento de temperatura por lazo (ordmC)
Esto implica el salto teacutermico y caudal maacutesico por lazo que es necesario tener el aceite para asiacute poder alcanzar la temperatura de entrada del agua en el economizador
227 Nuacutemero de lazos en el campo solar
A diferencia del nuacutemero de colectores que viene fijado por el salto de temperatura del aceite teacutermico en el campo el nuacutemero de lazos paralelos que conforman el campo solar depende de la potencia teacutermica demanda por el campo El nuacutemero de lazos es igual al cociente entre la potencia teacutermica del campo solar y la potencia teacutermica uacutetil por colector
38
119925119949119938119963119952 =119940119938119950119953119952
uacute119957119946119949 119935119949119938119963119952 (27)
Doacutende
119925119949119938119963119952 Nuacutemero de lazos
119940119938119950119953119952 Potencia teacutermica del campo solar (kW)
uacute119957119946119949 Potencia teacutermica uacutetil por lazo (kW)
23 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un
antildeo)
Para el caacutelculo de las toneladas de CO2 dejadas de emitir se utilizaraacute el iacutendice de
generacioacuten de una planta convencional de combustible foacutesil que para Cuba es de
270 gkWh Con este iacutendice y el aumento de la produccioacuten de energiacutea eleacutectrica con
la incorporacioacuten del campo solar se calcularaacute el ahorro de combustible foacutesil y a este
valor de combustible sustituido y el uso de los factores de emisioacuten de CO2 mostrados
en la siguiente (tabla 6) se podraacute determinar cuaacutentas toneladas de CO2 es capaz de
evitar la instalacioacuten del campo solar
Tabla 6 Factores de emisioacuten de especies especificadas
Tecnologiacutea CO (gkgf) SO2 (gkgf) NO2eq (gkgf) PM10
(gkgf)
CO2
(kgkgf)
CIE-HFO 24 27 128 528 306
CIE-DO 12 4 84 195 313
Fuente (EPA 2004)
24 Factibilidad econoacutemica del proyecto
Para el caacutelculo de la rentabilidad econoacutemica se optimizoacute la dimensioacuten del campo solar que fuera maacutes rentable para este trabajo donde se tuvo en cuenta el nuacutemero de lazos necesarios del campo y la tasa interna de retorno
241 Valor actual neto (VAN)
El VAN permite calcular el valor presente de un determinado nuacutemero de flujos de caja futuros originados por una inversioacuten teniendo en cuenta la peacuterdida de valor del dinero en el tiempo a traveacutes de una tasa de descuento (Martiacutenez 2017) y se calcula mediante la siguiente ecuacioacuten
39
(28)
Donde
119868119900 Costo inicial de la inversioacuten FC Flujo de caja n El tiempo para el cual se requiere calcular el VAN i La tasa de descuento Meacutetodo de caacutelculo mediante el Excel Para calcular el VAN es necesario conocer el flujo de caja teniendo en cuenta los ingresos y los gastos Ingresos El ingreso es debido a la venta de energiacutea eleacutectrica a la red para ello se utilizoacute un precio de 021 (USDkWh) Ingresos por ventas
119868119899119892119903119890119904119900=119875119903119890119888119894119900 (119880119878119863119896119882ℎ)lowast119864119899119890119903119892iacute119886 (29) Gastos Costo fijo de operacioacuten y mantenimiento Se calcula primero la inversioacuten total mediante la ecuacioacuten siguiente
119894119899119907119890119903119904119894oacute119899 119905119900119905119886119897=119862119900119904119905119900 119906119899119894119905119886119903119894119900 119889119890 119894119899119907119890119903119904119894oacuten (119880119878119863119896119882119890)lowast119875119900119905119890119899119888119894119886 (kWe) (30) Entonces se calcula el costo fijo de operacioacuten y mantenimiento
119862119891=119894119899119907119890119903119904119894oacute119899 119905119900119905119886119897lowast02 (31) Donde
119862119891 Costo fijo de operacioacuten y mantenimiento
Costo variable de operacioacuten y mantenimiento
119862119907=119864119899119903119892iacute119886 (119896119882ℎ)lowast002(119880119878119863119896119882ℎ) (32)
Donde
119862119907 Es el costo variable de operacioacuten y mantenimiento A continuacioacuten se calcula la utilidad antes de impuesto que es la diferencia entre los ingresos y los costos de operacioacuten fijo y variable 119880119879119860=119894119899119892119903119890119904119900minus(119862119891+119862119907) (33)
Donde
119880119879119860 Es la utilidad antes de impuesto o neta Entonces el impuesto en Cuba es del 35 de la utilidad neta
40
119868119898119901119906119890119904119905119900=035lowast(119880119878119863) (34)
El flujo de caja quedariacutea como
119865119888=119880119879119860 (119880119878119863)minus119868119898119901119906119890119904119905119900 (119880119878119863) (35)
Teniendo el flujo de caja se puede calcular el VAN aplicando la tasa de descuento
del 10
Si VAN gt 0 El proyecto es rentable
Si VAN = 0 El proyecto es postergado
Si VAN lt 0 El proyecto no es rentable
242 Tasa interna de retorno (TIR)
Se define como la tasa de descuento que iguala el VAN a cero
Si TIR gt tasa de descuento (r) El proyecto es aceptable
Si TIR = tasa de descuento (r) El proyecto es postergado
Si TIR lt tasa de descuento (r) El proyecto no es aceptable La TIR es aquella tasa de descuento que iguala el valor actual de la corriente de cobros con el valor actual de la corriente de pagos por lo que es la tasa de descuento que hace al VAN igual a cero y puede utilizarse como indicador de la rentabilidad de un proyecto se utiliza como uno de los criterios para decidir sobre la aceptacioacuten o rechazo de un proyecto de inversioacuten (Martiacutenez 2017) y se puede expresar de la siguiente forma
(36) Para simplificacioacuten de los caacutelculos se utilizoacute el software Microsoft Excel que de forma iterativa busca este valor se utilizoacute la estimacioacuten de los flujos de caja para 25 antildeos al igual que para el caacutelculo del VAN
243 Periacuteodo de recuperacioacuten de la inversioacuten
El periacuteodo de recuperacioacuten se cumple cuando la suma de los flujos de caja consecutivos desde el primer antildeo da como resultado el valor de la inversioacuten pero teniendo en cuenta el efecto del tiempo sobre el dinero Calculado de esta manera se conoce como periacuteodo de recuperacioacuten de la inversioacuten descontado Para obtenerlo se hallaron todos los flujos de caja para 25 antildeos consecutivos que es el tiempo de estudio del proyecto entonces se le restoacute el descuento correspondiente a cada antildeo y se graficoacute el resultado quedando como una curva
41
Conclusiones parciales
En este capiacutetulo se realizoacute un estudio de la metodologiacutea de caacutelculo para la
realizacioacuten del dimensionamiento del campo solar para la tecnologiacutea de colectores
cilindro paraboacutelico para esto se escogioacute la metodologiacutea planteada por (Hidalgo
2012) Siendo fundamental el estudio de la radiacioacuten solar de la zona en que estaacute
situada la instalacioacuten Tambieacuten se tuvo en cuenta el acceso a los recursos hiacutedricos
y la cercaniacutea a la red eleacutectrica nacional lo cual no tuvo ninguna dificultad puesto
que donde se pretende ubicar el campo ya existe una instalacioacuten con todas estas
necesidades cubiertas que es el central al cual se pretende convertir en
bioeleacutectrica Luego de estos anaacutelisis y una vez dimensionado el campo solar se
realizoacute el caacutelculo de la rentabilidad econoacutemica seguacuten lo planteado por (Martiacutenez
2017) planteaacutendose como principales indicadores econoacutemicos el costo nivelado de
la energiacutea generada costo de inversioacuten VAN y TIR El impacto ambiental se tuvo
en cuenta mediante el caacutelculo de las emisiones de CO2 dejadas de emitir si la
energiacutea generada con el excedente de bagazo ahorrado por la insercioacuten del campo
hubiera sido generada por una planta teacutermica convencional
42
Capiacutetulo 3 Resultados y Discusioacuten
En este capiacutetulo se exponen los resultados de los caacutelculos efectuados y a la vez se
interpreta el porqueacute de estos asiacute como la discusioacuten de las bibliografiacuteas consultadas
31 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB umlGeorge Washington uml
311 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa
Para el caacutelculo de la radiacioacuten solar directa (DNI) primeramente se halloacute el aacutengulo
de declinacioacuten de cada mes Dicho aacutengulo se anuloacute para el 22 de Marzo y el 23 de
Septiembre puesto que ocurren los equinoccios momento del antildeo en que el sol estaacute
situado en el plano del ecuador terrestre y alcanzoacute el valor maacuteximo positivo el 22 de
Junio y el valor maacuteximo negativo el 22 de diciembre diacuteas en que ocurren los
solsticios que son los momentos del antildeo en los que el sol alcanza su mayor o menor
altura aparente en el cielo y la duracioacuten del diacutea o de la noche son las maacuteximas del
antildeo respectivamente (figura 15)
Figura 15 Aacutengulo de declinacioacuten para los diferentes meses del antildeo
Los valores de DNI que inciden en la zona de la UEB umlGeorge Washingtonuml se
mantuvieron como promedio por encima de 10 kWhm2diacutea seguacuten la metodologiacutea
de caacutelculo empleada siendo oacuteptimos para la instalacioacuten de este tipo de tecnologiacutea
Esto pudiera ser debido a que por la metodologiacutea de caacutelculo solo se tuvo en cuenta
la latitud geograacutefica y el diacutea del antildeo en que se analizoacute dicha radiacioacuten por esta
razoacuten se observoacute que sus valores fueron mayores que los valores de radiacioacuten solar
-30
-20
-10
0
10
20
30
Gra
dos s
exagesim
ale
s
Aacutengulo de declinacioacuten
43
directa que aporta la base de datos de la NASA (httpeosweblarcnasagovsse
2017) como promedio 506 kWhm2diacutea y los aportados por el Instituto de
Meteorologiacutea cubano para esta zona (como promedio 582 kWhm2diacutea) idoacuteneo para
este tipo de tecnologiacutea de los datos de radiacioacuten analizados se utilizoacute para los
caacutelculos siguientes de dimensionamiento del campo los aportados por el instituto de
meteorologiacutea cubano por ser los maacutes especiacuteficos y detallados de todas las fuentes
consultadas Algunos meses como noviembre y diciembre no alcanzan el valor
idoacuteneo de 47 kWhm2-diacutea sin embargo (La Rosa 2014) planteoacute que Cuba se
localiza en una zona geograacutefica de alta radiacioacuten solar y que se caracteriza por la
gran cantidad de diacuteas soleados en el antildeo
Figura 16 Comparacioacuten entre el DNI calculado por la metodologiacutea el aportado por la NASA
y el obtenido por el Instituto de Meteorologiacutea cubano
En cada metro cuadrado del territorio cubano se recibe diariamente una cantidad de
energiacutea solar equivalente a medio kilogramo de petroacuteleo combustible valor
promedio praacutecticamente invariable durante todo el antildeo Otra de las caracteriacutesticas
de la radiacioacuten solar en Cuba es que su valor es casi igual en todo el paiacutes ya que
la diferencia en latitud desde el lugar maacutes bajo hasta el maacutes alto es de soacutelo 3 grados
Por lo tanto la radiacioacuten solar en Cuba es utilizable en todo el territorio y durante
todo el antildeo con un valor medio de maacutes de 5 kWhm2diacutea tanto en su forma de
bioenergiacutea o biomasa energiacutea hidraacuteulica energiacutea eoacutelica o directamente convertida
en calor o electricidad (Beacuterriz 2000)
0
2
4
6
8
10
12
14
DN
I (k
Whm
2-d
iacutea)
meses
Radiacioacuten solar
Calculado NASA Meteorologiacutea cubana
44
312 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea
Luego de haber calculado la semiduracioacuten diurna en grados sexagesimales (WS)
para cada diacutea del antildeo en la zona de la UEB umlGeorge Washingtonuml se calcularon las
horas de luz solar durante el diacutea lo cual se muestra promediado en la tabla 7 donde
se ve que esta es mayor que 10 horas asiacute como tambieacuten se observa que son maacutes
largos los diacuteas en los meses de verano (Abril-Agosto)
Tabla 7 promedio de horas de sol al diacutea por meses del antildeo
32 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
Se realizoacute el balance energeacutetico del CCP teniendo en cuenta las peacuterdidas que
sucedieron en el mismo debido a su fabricacioacuten y a su posicioacuten
321 Peacuterdidas geomeacutetricas
Peacuterdidas debidas a la posicioacuten relativa de los colectores
En este trabajo no se tuvo en cuenta las peacuterdidas por sombras ya que se asumioacute
que la construccioacuten de estos colectores iba a estar lo suficientemente separados
para que no se pudieran dar sombra unos a otros
Peacuterdidas inherentes a cada colector
Se comparoacute el aacutengulo de incidencia en cuanto a la orientacioacuten y el seguimiento solar
del colector ciliacutendrico paraboacutelico Se seleccionoacute la orientacioacuten N-S con seguimiento
solar E-O por lo que se seleccionoacute para el caacutelculo del resto de las variables (g = 0)
Para la inclinacioacuten del colector se tomoacute con eje horizontal (s = 0) Se consideroacute el
aacutengulo horario 0ordm por ser el mediodiacutea solar donde maacutes radiacioacuten incide sobre la
tierra con el objetivo de simplificar los caacutelculos
Con los datos calculados anteriormente se halloacute el aacutengulo de incidencia (figura 17)
En este caso se observa que a diferencia de la radiacioacuten solar directa el aacutengulo de
incidencia es menor para los meses de verano reafirmando que a menor aacutengulo de
incidencia mayor la radiacioacuten que va a captar el colector
enero febrero marzo abril mayo junio julio agosto septiembre octubre noviembre diciembre
108 112 119 125 131 134 132 127 121 114 109 106
45
Figura 17 Aacutengulo de incidencia por meses para una orientacioacuten N-S con seguimiento solar
E-O
322 Peacuterdidas oacutepticas
Las caracteriacutesticas oacutepticas del colector ET-150 se reflejaron en la tabla 8 y con estas
se calculoacute el rendimiento oacuteptico
Tabla 8 Caacutelculo del rendimiento oacuteptico
Rendimiento oacuteptico
ntilde Reflectividad superficie reflectora 090
ocirc Transmisividad del cristal absorbedor 095
aacute Absortividad del tubo del absorbedor 096
ɣ Factor de interceptacioacuten 095
Ƞopt0ordm= 078
Cuanto mayor es el valor del rendimiento oacuteptico mayor seraacute el rendimiento del
captador Asiacute cuanto mayor sea el valor de las variables que lo definen mejor seraacute
el rendimiento de los captadores (Rojas 2013)
Ademaacutes de las peacuterdidas debidas al aacutengulo de incidencia existen otras peacuterdidas que
se asocian a dicho aacutengulo El efecto del aacutengulo de incidencia en el rendimiento del
CCP se cuantifica mediante el modificador por aacutengulo de incidencia 119870(120579119904)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Gra
do
s se
xage
sim
ale
s
Aacutengulo de incidencia
46
323 Peacuterdidas teacutermicas
Se calculoacute la potencia teacutermica uacutetil la potencia teacutermica absorbida y la potencia
teacutermica perdida La energiacutea teacutermica uacutetil fue menor que la energiacutea teacutermica absorbida
Esto es debido a las peacuterdidas teacutermicas que se presentan en este tipo de tecnologiacutea
Durante los meses de verano existioacute un descenso de las diferentes potencias
calculadas a causa de las condiciones de nubosidad (lluvia) para esta eacutepoca del
antildeo (figura 18) Para los meses de invierno las potencias decrecieron debido a la
disminucioacuten de la radiacioacuten solar tiacutepico en esta eacutepoca del antildeo
Figura 18 Energiacutea solar por unidad de tiempo radiacioacuten solar absorbida en un colector
peacuterdidas teacutermicas y potencia teacutermica uacutetil para todos los meses del antildeo
Estas peacuterdidas teacutermicas influyeron negativamente en el rendimiento global del
colector CCP ET-150 que tuvo un valor aproximado al 70 Para los meses de
verano hubo un mayor rendimiento aunque este se vio afectado por la nubosidad
El funcionamiento teacutermico de cualquier captador solar estaacute determinado por el
llamado rendimiento global definido como la relacioacuten entre la potencia teacutermica que
es capaz de proporcionar o potencia teacutermica uacutetil y la potencia procedente del Sol
que se tome como referencia No toda la potencia solar puede ser absorbida por el
receptor Existen una serie de peacuterdidas de energiacutea debidas tanto a la geometriacutea y
oacuteptica del captador como a las propiedades de los materiales del propio receptor
que hay que tener en cuenta (Rojas 2013)
16
161
162
163
164
165
166
167
168
169
17
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Qp
er(
kW
h)
Qso
lu
til(
kW
h)
meses
Peacuterdidas teacutermicas
Qsol Qutil Qperd
47
33 Dimensionamiento del campo solar
331 Caracterizacioacuten del terrero
El terreno del central George Washington es llano desprovisto de grandes
obstaacuteculos que puedan crear dificultades en la construccioacuten del campo y crear
sombras que entorpezcan la radiacioacuten del sol en los espejos reflectores Estaacute
cercano a la carretera y consta con posos que facilita el acceso a los recursos
hiacutedricos en el emplazamiento Estaacute solucionado el problema de la conectividad a la
red eleacutectrica nacional puesto que el central ya contaba con esta infraestructura Por
lo tanto posee las condiciones idoacuteneas para la instalacioacuten de un campo solar
332 Balance energeacutetico en el intercambiador de calor
A partir de la temperatura que se quiere elevar el agua de alimentacioacuten de la caldera
(260 oC) y el flujo de esta (255 kgs) se determina una cantidad de energiacutea teacutermica
que debe suministrar el campo para suplir esta demanda Dicha energiacutea teacutermica se
logra a traveacutes de la radiacioacuten solar captada por los colectores la cual es transferida
en forma de calor a un fluido portador en este caso aceite HTF Este necesita un
determinado flujo para absorber toda esa energiacutea y luego transferirla al agua Los
caudales necesarios para la captacioacuten de este calor se encuentran en la (tabla 9)
Tabla 9 Paraacutemetros termodinaacutemicos en el intercambiador de calor
Datos Agua de
alimentacioacuten Aceite teacutermico
Caudal(kgs) 255 462
Temperatura(ordmC) 166 300
Presioacuten (bar) 67 25
Entalpiacutea (kJkg) 6974 490
Con estos datos se concluye que para calentar un flujo de agua de 255 kgs (a
temperatura de 166ordmC y presioacuten de 67 bar) hasta alcanzar una temperatura de
260ordmC se necesita un flujo de energiacutea teacutermica de 106225 kW lo cual es
proporcionada por 462 kgs de aceite teacutermico proveniente del campo solar que estaacute
a una temperatura de 300ordmC y presioacuten de 25 bar
48
333 Caacutelculo del nuacutemero de lazos
3331 Caacutelculo del caudal miacutenimo de circulacioacuten del fluido de transferencia de
calor (HTF) por cada lazo
Para que exista un flujo turbulento por el interior del tubo absorbedor a una velocidad
del fluido econoacutemica de 3 ms el caudal miacutenimo de circulacioacuten debe ser de 86 kgs
(tabla 10)
Tabla 10 Caudal miacutenimo de circulacioacuten del fluido de transferencia de calor (HTF) por
cada lazo
Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF por cada lazo 86 kgs
Nuacutemero de Reynolds 874E+5
Velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor 3 ms
Viscosidad dinaacutemica del HTF a la temperatura media de
trabajo 194E-04 kgmmiddots
Densidad del HTF a la temperatura media de trabajo 870 Kgm3
3332 Incremento de la temperatura del HTF en un colector
Para calentar el flujo de aceite de 200 a 300ordmC lo cual equivale a un salto teacutermico
por lazo de 100ordmC es necesario 4 colectores por lazo Por tanto el salto de
temperatura promedio del HTF a su paso por un colector es aproximadamente de
283ordmC (tabla 11)
Tabla 11 Salto de temperatura promedio del HTF a su paso por un colector
meses ∆119931119949119938119963119952() ∆119827119836119848119845119838119836() 119821119845119834119859119848119852
Enero 100 248 40
Febrero 100 263 38
Marzo 100 301 33
Abril 100 343 29
Mayo 100 333 30
Junio 100 318 31
Julio 100 325 31
Agosto 100 330 30
Septiembre 100 286 35
Octubre 100 262 38
Noviembre 100 202 50
Diciembre 100 186 54
49
3333 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
El nuacutemero de colectores necesarios por lazo para cada mes se refleja en la (tabla
12) Con este resultado se concluye que la cantidad de colectores totales que debe
tener cada lazo del campo solar es aproximadamente de 4
Tabla 12 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo para cada mes del antildeo
Meses Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
Enero 40
Febrero 38
Marzo 33
Abril 29
Mayo 30
Junio 31
Julio 31
Agosto 30
Septiembre 35
Octubre 38
Noviembre 50
Diciembre 54
3334 Nuacutemero de lazos en el campo solar
Al ser la potencia teacutermica del campo solar 106225 kW y ser la potencia teacutermica uacutetil
promedio por lazo aproximadamente de 26556 kW el nuacutemero de lazos necesarios
por campo solar debe ser aproximadamente de 4
Para generar 106 MW teacutermico con una radiacioacuten promedio de 5355 Wm2 para todo
un antildeo la dimensioacuten del campo solar debe ser de 44448 m2 Esto se logra con un
total de 4 lazos con 4 colectores cada uno
334 Caacutelculo del ahorro de bagazo propiciado por el campo
Una de las ideas fundamentales de este proyecto es el ahorro de bagazo para su
uso fuera de temporada y asiacute no parar la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica por la
ausencia de combustible Para esto se halloacute el iacutendice de generacioacuten con el campo
(tabla 13) quedando un ahorro de maacutes de 25 mil toneladas de bagazo Pudiendo
dar un margen de 30 diacuteas maacutes de generacioacuten de electricidad lo que equivale a maacutes
de 14 mil MWe
50
Tabla 13 Generacioacuten en el periacuteodo de zafra y ahorro de bagazo propiciados por el campo
solar
Generacioacuten eleacutectrica total 111063 MWh
Iacutendice de generacioacuten sin campo 500 kWhtb
Iacutendice de generacioacuten con campo 575 kWhtb
Ahorro de bagazo 251586 TonZafra
Porciento de bagazo ahorrado 14
Generacioacuten con el excedente de Bagazo 14463 MWh
Seguacuten los datos de la tabla 13 y suponiendo que la zafra sea de 120 diacuteas sin contar
las paradas este resultado extenderiacutea la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica a 232 diacuteas
aproximadamente maacutes de la mitad del antildeo y solo se necesitariacutea para los restantes
133 diacuteas del antildeo abastecerse por medio de otra fuente como pudiera ser bagazo
aportado por centrales cercanos que funcionaran como tributarios o utilizar otro
combustible complementario como los residuos agriacutecolas cantildeero lentildea o carboacuten de
marabuacute
34 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un
antildeo)
Para el caacutelculo se halloacute el ahorro de combustible foacutesil con la incorporacioacuten del campo
solar De la (tabla 14) mostrada en el capiacutetulo anterior se tomoacute el valor para las
emisiones de CO2 que fue de 306 kgkgf lo que reflejoacute los siguientes resultados
Tabla 14 Ahorro de combustible y emisiones de CO2 dejadas de emitir propiciado por el campo
Iacutendice de generacioacuten de una planta
teacutermica convencional en Cuba 270 gkWh
Ahorro de combustible Foacutesil 3888 TCC
CO2 dejado de emitir 11897 Ton
35 Factibilidad econoacutemica del proyecto
Para los caacutelculos de factibilidad econoacutemica en este proyecto se ha tomado los
siguientes valores (tabla 15)
51
Tabla 15 Valores necesarios para el caacutelculo de la factibilidad econoacutemica
Precio de la electricidad 021 $kWh
Impuestos 30
Tasa de descuento 10
Vida uacutetil 25 antildeos
Tambieacuten se tuvieron en cuenta los costos de inversioacuten del campo solar (tabla 16)
Tabla 16 Costos de Inversioacuten del campo solar Fuente (IDEA 2013)
Captacioacuten y concentracioacuten de
energiacutea solar
Campo solar(CCP)
espejos 35 Eur m2
apertura
130800 m2
457800
euros
estructuras
metaacutelicas
72 Eur m2
apertura
13080
m2
941760
euros
sistemas de
posicionamiento
6600 Eurunid
16
unidades
108585
euros
movimiento de
tierras
21 Eur m2
apertura
13080
m2 27468000 euros
cimentacioacuten 37 Eur m2
apertura
13080
m2 48396000 euros
montaje 43 Eur m2
apertura
13080
m2 56244000 euros
nave de montaje 545 Eur m2
apertura
13080
m2 7128600 euros
costo total
2900511
euros
Sistema de conversioacuten solar teacutermico
aceite teacutermico 283 Eurkg
100
Kg 283 euros
tubos
absorbedores
892 Eurtubo
16
tubos
14675
euros
juntas rotativas 190 Eur unid 33 unidades 625187 euros
tuverias valvulas y
accesorios
13400 Eurlazo 4 lazos 4915834 euros
sistTrasiego
aceites
87000 Eurlazo 4 lazos 31916236 euros
sistPurificacioacuten
de aceite
380000 Eur unid 1 unidades 380000 euros
ProteccContra
incendios
11400 Eurlazo 1 lazos 11400 euros
sistInertizacioacuten 5900 Eurlazo 1 lazos 5900 euros
52
Intercambiador
aceite-vapor
240 EurkW 10623 kWe 2549400 euros
calderas GV 53 EurkWt - 0 euros
costo total 33362310 euros
TOTAL DEL COSTO DE INVERSIOacuteN
9137253
euros
9959606
doacutelares
Tabla 17 Costos de operacioacuten y mantenimiento (OampM) del campo solar en millones de
euros (MEUR MWantildeo) Fuente (IDEA 2013)
Personal 001 MEUR MWantildeo
Mantenimiento 004 MEUR MWantildeo
Otros 002 MEUR MWantildeo
total 007 MEUR MWantildeo
Tabla 18 Costos de operacioacuten y mantenimiento (OampM) del campo solar en MEUR Fuente
(IDEA 2013)
Potencia del
campo solar
11 MW
Personal 011
Mantenimiento 042
Otros 021
total 074
Esto equivale a un costo fijo de 1772000 doacutelares en operacioacuten y mantenimiento
Paraacutemetros operativos
Venta de electricidad 21 centkWh
Produccioacuten de electricidad solar 144626 MWhantildeo
Costos OampM campo solar 289252 USD antildeo
Costo nivelado de la energiacutea generada
Este costo se determinoacute al sumar los costos variables el de inversioacuten total y los
costos de operacioacuten y mantenimiento luego se dividioacute entre la generacioacuten total de
la planta en los 25 antildeos de vida uacutetil de esta tecnologiacutea quedando de 0032$kWh
351 Tasa interna de retorno (TIR)
Con un campo de 16 colectores y para las condiciones de este proyecto se obtuvo
una TIR de
TIR= 30
La TIR calculada fue mayor que la tasa de descuento por tanto el proyecto es
aceptable
53
352 Valor actual neto (VAN)
El valor actual neto es positivo con un valor que asciende a $ 34116545 por lo que
se cumple la condicioacuten de VAN mayor que cero por lo que el proyecto es rentable
353 Periacuteodo de recuperacioacuten (PR)
El tiempo en que se recupera esta inversioacuten es de aproximadamente 9 antildeos (figura
18)
Los costos de inversioacuten incluyen costes de Ingenieriacutea obtencioacuten de los permisos
necesarios y autorizaciones administrativas obra civil y equipo electromecaacutenico
Los beneficios corresponden a las ventas anuales de electricidad una vez
deducidos los gastos de operacioacuten y mantenimiento En general se estima en el
sector que para que una inversioacuten sea interesante el periacuteodo de recuperacioacuten no
debe exceder de 7 antildeos (Penche 1998) Este proyecto excede en dos antildeos lo
planteado por (Penche 1998) aunque sigue siendo factible e interesante para las
condiciones del paiacutes ya que como plantea el problema de investigacioacuten el principal
intereacutes de este trabajo es aumentar los diacuteas de generacioacuten de electricidad Debido
al problema que presenta Cuba con los iacutendices de generacioacuten se hace necesario
una mejora en este sector a toda costa priorizando esto quedando asiacute los periodos
de recuperacioacuten por detraacutes de este intereacutes primordial
Figura 19 Periacuteodo de recuperacioacuten en antildeos
Teniendo en cuenta estos tres iacutendices econoacutemicos calculados que se tuvieron en
cuenta para la rentabilidad econoacutemica de este proyecto se obtiene como resultado
que dicho proyecto es econoacutemicamente factible
-15000000
-10000000
-5000000
0
5000000
10000000
15000000
20000000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Doacutela
res
Antildeos
Periacuteodo de recuperacioacuten de la invercioacuten
54
Conclusiones
La tecnologiacutea de plantas hibridas solar-biomasa para el caso de Cuba es
potencialmente factible a partir de los valores encontrados de radiacioacuten solar
directa en todo el territorio alcanzando estos maacutes de 5 kWhm2-dia durante
todo el antildeo siendo favorable para la implementacioacuten de esta tecnologiacutea
El rendimiento global de cada colector tiene un valor aproximado del 70
debido a las peacuterdidas geomeacutetricas oacutepticas teacutermicas y por las condiciones
meteoroloacutegicas del lugar puesto que al ser Cuba una isla rodeada de mar
hay ocurrencia de un gran nuacutemero de precipitaciones y cielos nublados al
antildeo que afectan considerablemente el factor de disponibilidad del campo
solar
El campo solar tendraacute 4 colectores por lazo y 4 lazos por campo con una
potencia teacutermica de 106 MW lo que representa un aacuterea de casi 45 ha
aumentaacutendose el iacutendice de generacioacuten de electricidad de la planta con su
conversioacuten en planta hibrida (solar-biomasa) de 500 kWhtb a 575 kWhtb
Con la implementacioacuten del proyecto propuesto (hibridacioacuten biomasa-energiacutea
solar) se puede lograr un ahorro de 251586 toneladas de bagazo por zafra
lo que equivale a 30 diacuteas adicionales de generacioacuten eleacutectrica de la planta lo
que extenderiacutea la generacioacuten en la bioeleacutectrica a unos 230 diacuteas acercaacutendose
cada vez maacutes a lo previsto por la poliacutetica existente en el paiacutes de conversioacuten
de centrales en bioeleacutectricas de llegar a los 300 diacuteas Pudieacutendose saldar los
70 diacuteas faltantes con combustibles alternativos como el RAC y el marabuacute con
gran abundancia en nuestros campos
La implementacioacuten en la UEB George Washington de la hibridacioacuten permitiriacutea
anualmente con el excedente de bagazo obtenido una generacioacuten de
electricidad adicional de 145 GWh con una disminucioacuten de 11897 toneladas
de emisiones de CO2 funcionando como una fuente de empleo considerable
para los habitantes de este lugar
El estudio de la hibridacioacuten solar-biomasa en la UEB George Washington
indica que un proyecto de este tipo es factible con una inversioacuten de casi 10
millones de doacutelares logra como resultados maacutes importantes un VAN de maacutes
de 34 millones una TIR de 30 un PRD de aproximadamente 9 antildeos y un
costo nivelado de la electricidad de 0032 $kWh valor de gran motivacioacuten
para la implementacioacuten de esta tecnologiacutea
55
Recomendaciones
Extender el estudio de factibilidad de plantas de energiacutea hiacutebridas biomasa
solar a otros centrales azucareros del paiacutes que se prevean convertir en
bioeleacutectricas
Incluir en la metodologiacutea de anaacutelisis empleada en este trabajo para futuros
estudios otro tipo de tecnologiacuteas de concentracioacuten como pudiera ser la de
colector lineal Fresnel cuya aplicacioacuten ha venido en aumento en los uacuteltimos
antildeos a nivel mundial
Profundizar en el estudio de factibilidad de este proyecto analizando la
influencia de la variacioacuten de paraacutemetros como el salto entaacutelpico en el
intercambiador de calor del campo solar para la optimizacioacuten del disentildeo del
campo solar
56
Bibliografiacutea
BEacuteRRIZ L MADRUGA E 2000 Cuba y las fuentes renovables de energiacutea CUBASOLAR pp 29
CENGEL Y 2012 Termodinaacutemica Meacutexico DF
DAVID A 2007 Business and Finance Israeli Company to build largest solar park in world in US [Online] Available (httpwwwynetnewscom) [Accessed 10 febrero 2018]
E BURIN T V S MULTHAUPT A THELEN G OELJEKLAUS K GOumlRNER E BAZZO 2016 Thermodynamic and economic evaluation of a solar aided sugarcane bagasse cogeneration power plant THE 28TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON EFFICIENCY COST OPTIMIZATION SIMULATION AND ENVIRONMENTAL IMPACT OF ENERGY SYSTEMS
EPA Factor Information REtrieval (FIRE) Software Technology Transfer Network Clearinghouse for Inventories amp Emissions Factors 2004
GACETA 2007 Estrategia Ambiental Nacional Ministerio de Justicia 30 ed Gaceta Oficial Republica de Cuba
GESIME 2014 Conceptualizacioacuten del programa de desarrollo de la energiacutea solar teacutermica en Cuba 2014-2020 MINEM Desarrollado por grupo de desarrollo de la energiacutea solar teacutermica Grupo Empresarial de la Industria Sidero-Mecaacutenica 36
GUTIEacuteRREZ E 2013 ldquoEl azuacutecar cubano adquiere protagonismo energeacuteticordquo Diarios latinoamericanos de Tierrameacuterica
HERRERA I 2016 Poligeneration Workshop KTH Universidad Central Marta Abreu de Las Villas
HIDALGO L 2012 Estudio Teacutecnico-econoacutemico de una central hiacutebrida solar-ciclo combinado Proyecto final de carrera para optar por el tiacutetulo ingeniero teacutecnico de minas Departamento de sistemas energeacuteticos 79
HTTPEOSWEBLARCNASAGOVSSE 2017 Surface Meteorology and Solar Energy [Online] [Accessed 22 noviembre]
HTTPWWWWIKIPEDIAORG 2017 Energiacutea solar teacutermica [Online] [Accessed 17 diciembre 2017]
IDEA 2013 Plan de Energiacuteas (PER) 2011-2020 Instituto para la Diversificacioacuten y Ahorro de la Energiacutea
LA ROSA D 2014 Recuperacioacuten de la disponibilidad de generacioacuten en el ciclo combinado de Energas Varadero con aporte termosolar httpwwwcubasolarcu
MARTIacuteN S 2017 Colector ciliacutendrico paraboacutelico Available from httpwwwtecnoblogsanmartinwordpresscom]
57
MARTIacuteNEZ L 2017 Conjunto de alternativas tecnoloacutegicas para la ingenieriacutea conceptual del estudio de oportunidad de la conversioacuten en bioeleacutectrica del central George Washington Trabajo de diploma Universidad Central ldquoMarta Abreurdquo de Las Villas
MAXWELL E L RENNE DS 1994 Measures of Renewable Energy National Renewable Energy Laboratory
PAREDES C 2012 Disentildeo de captador solar ciliacutendrico paraboacutelico para aplicaciones rurales en Paraguay Proyecto final de carrera para optar por el tiacutetulo de ingeniero teacutecnico de minas Especialidad en recursos energeacuteticos combustibles y explosivos 57
PENCHE C 1998 Manual de pequentildea hidroeleacutectrica D I R E C C I Oacute N G E N E R A L D
E E N E R G I A ( D G X V I I ) 259
PETROLEUM B 2006 BP Statistical Review of World Energy June 2006 Quantifying Energy
PETROLEUM B 2018 Statistical Review of World Energy [Online] Available httpwwwbpcomenergyoutlook [Accessed 12 febrero de 2018]
PITZ-PAAL 2013 Solar thermal power plants BINE-Themeninfo FIZ Karlsruhe GmbH
REN 2013 Global Status Report Paris
REUszlig N 2012 Modern Gas- amp Steam Turbines in Solarthermic Applications 14th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery Honolulu
RIBOT J E A ROVIRA P ROVIRA A BAROacuteN JL 2001 Curso de Energiacutea Solar Centro de Tecnologiacutea Educativa CTE Barcelona Espantildea Obra completa 4ta edicioacuten Leccioacuten 3 El potencial real de la energiacutea solar
RODRIacuteGUEZ J 2015 Metodologiacutea para la caracterizacioacuten termoeconoacutemica de plantas hiacutebridas de generacioacuten de electricidad Tesis Doctoral Universidad Politeacutecnica de Madrid
ROJAS E 2013 Energiacutea Solar Teacutermica Observatorio de energiacutea renovable para Ameacuterica Latina y Caribe Programa de capacitacioacuten de energiacuteas renovables ONUDI 68
SALOMOacuteN R 2016 ldquoBioeleacutectricas despiertan creciente intereacutes mundialrdquo
SALOMOacuteN R 2018 Biomasa fuente de electricidad inagotable para Cuba Diaacutelogos del Sur Prensa Latina de La Habana
SEBASTIAacuteN E 2011 Sistemas de colector ciliacutendrico paraboacutelico para generar energiacutea httpeliseosebastiancom
SHILLING Z NORMAN 2003 IGCC Clean Power Generation Alternative For Solid Fuels Product Line Leader
58
WWWSOLARBUZZCOM H 2016 Abener Signs Contract for Solar Thermal Electric-Combined Cycle Hybrid Plant [Online] [Accessed 16 diciembre 2017]
6
condensar las enormes cantidades de vapor y que luego puedan ser transportadas
por las bombas asiacutea la caldera
12 Concepto de bioeleacutectrica
Una bioeleacutectrica es una planta de cogeneracioacuten que se construye en un aacuterea aledantildea
al central lo que facilita no detener las zafras durante el periacuteodo de construccioacuten y
montaje Su funcionamiento consiste en un ciclo Rankin con mejoras que consta de
una caldera de alta presioacuten para el proceso de adiccioacuten de calor posteriormente se
expande en una turbina de vapor y se realiza una extraccioacuten para el proceso luego
se condensa el vapor de escape de la turbina y se bombea nuevamente a la caldera
Cuando se realiza su puesta en marcha opera abastecieacutendose de todo el bagazo
producido residuos agriacutecolas y del condensado de vapor puro procedente de los
equipos de calentamiento evaporacioacuten y tachos provenientes de la faacutebrica de azuacutecar
a la que a su vez suministra el vapor de escape de los turbogeneradores para el
proceso de fabricacioacuten del endulzante asiacute como la electricidad que necesita El
excedente eleacutectrico del proceso fabril del azuacutecar se vende al Sistema Eleacutectrico
Nacional (SEN)(Salomoacuten 2018)
13 Planta hiacutebrida
Una planta hiacutebrida se define como una planta que utiliza dos o maacutes recursos
energeacuteticos en este caso solar y biomasa aprovechando las ventajas de cada uno y
disminuyendo sus desventajas como por ejemplo
Se mejora la eficiencia solar eleacutectrica
Se eliminan los arranques y paradas de la turbina que limitan su eficiencia y
encarecen su mantenimiento
Se garantiza un suministro eleacutectrico independientemente del recurso solar Ya no
es necesario el uso de sistemas de almacenamiento para satisfacer la curva de
demanda
Los costes de inversioacuten se reducen se reducen los riesgos de inversioacuten al estar
garantizada la generacioacuten de electricidad Adicionalmente se pueden aprovechar las
instalaciones ya existentes La reduccioacuten en los costes permite operar en lugares con
menor radiacioacuten solar
Sin embargo las plantas hibridas presentan incertidumbre sobre su comportamiento
a lo largo del tiempo debido a la variabilidad temporal del recurso solar de la
demanda eleacutectrica y del solapamiento de ambos Es necesario establecer coacutemo se
van a comportar las instalaciones a lo largo d un antildeo y de este modo poder determinar
su idoneidad bajo unas condiciones de radiacioacuten y de demanda eleacutectrica
dependientes del tiempo(Rodriacuteguez 2015)
7
Los principales componentes que forman parte de una planta hiacutebrida solar-biomasa
se distinguen como el bloque solar el bloque de potencia y la hibridacioacuten
Bloque solar Es donde la energiacutea del sol es convertida en energiacutea teacutermica La
tecnologiacutea solar empleada depende del rango de temperaturas de operacioacuten de la
planta hibrida Es necesario que sean compatibles con las del bloque de potencia
Bloque de potencia es el ciclo termodinaacutemico que convierte la energiacutea teacutermica en
eleacutectrica
Hibridacioacuten es el modo en que el bloque de potencia y el bloque solar son
conectados
14 La energiacutea solar
El Sol es un enorme reactor de fusioacuten nuclear formado por una esfera de materia
gaseosa caliente de 139 millones de kiloacutemetros de diaacutemetro que constituye la
principal fuente de energiacutea para la Tierra situada a una distancia media de 149106
km Debido a la radiacioacuten solar la temperatura en la superficie terrestre es alrededor
de 250ordmC superior a la temperatura que habriacutea en la superficie si eacutesta dependiera
solo del calor interno El Sol radia continuamente una potencia de 38middot1023 kW de
los cuales la Tierra intercepta 17middot1014 kW La energiacutea solar recibida en la atmoacutesfera
exterior de la Tierra en un antildeo se conoce con el nombre de SERPY (Solar Energy
Received Per Year) y corresponde a 155middot1015 MWh cantidad que equivale
aproximadamente a 12000 veces la energiacutea consumida en el mundo si se tienen en
cuenta los datos publicados de produccioacuten y consumo energeacutetico mundial durante el
antildeo 2005 (Petroleum 2006) De la radiacioacuten recibida en la superficie exterior el 30
se refleja al espacio el 47 es absorbido por la atmoacutesfera mares y tierra para
mantener la temperatura ambiente y el restante 23 se usa para mantener la
conveccioacuten atmosfeacuterica y el ciclo hidroloacutegico (Rojas 2013)
La radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera tiene un valor constante de unos 1300 Wm
denominaacutendose constante solar Sin embargo toda esta energiacutea no puede ser
aprovechada debido a diferentes fenoacutemenos que se interponen en su camino desde
el Sol hasta la superficie terrestre Al atravesar la atmoacutesfera las nubes dispersan la
radiacioacuten separaacutendola en radiacioacuten directa y difusa Las sombras causadas por
objetos proacuteximos tambieacuten contribuyen a atenuar el valor de la radiacioacuten Finalmente
el hecho de que la direccioacuten del Sol y la superficie captadora no sea la misma
tambieacuten influye en la disminucioacuten de la constante solar Todos estos factores hacen
que la energiacutea que llega a la Tierra sea de unos 1000 Wm en un diacutea claro a las 12
horas del mediodiacutea solar y a nivel del mar Esta energiacutea no es suficiente para alcanzar
las temperaturas que se requieren por lo que se utilizan elementos concentradores
La energiacutea solar tiene muchas aplicaciones donde ser utilizada Estas actividades se
clasifican en tres grupos generacioacuten teacutermica generacioacuten de trabajo y generacioacuten de
friacuteo El primer grupo contiene la generacioacuten de calor para calefaccioacuten agua caliente
8
sanitaria (ACS) desecacioacuten y refrigeracioacuten Dentro de esta divisioacuten existen
diferencias seguacuten la temperatura alcanzada Podemos distinguir procesos de baja
temperatura que usan colectores planos para ACS hasta 60ordmC procesos de media
temperatura para calefaccioacuten y produccioacuten de friacuteo y procesos de alta temperatura en
la industria La generacioacuten teacutermica tambieacuten incluye la arquitectura bioclimaacutetica La
generacioacuten de trabajo se puede dar de forma teacutermica y de forma fotovoltaica Los
parques de heliostatos o concentradores ciliacutendrico-paraboacutelicos producen vapor que
se utiliza en ciclos de potencia mientras que los paneles fotovoltaicos convierten la
luz en electricidad por medio de semiconductores Por uacuteltimo la generacioacuten de friacuteo
se produce por medio de maacutequinas de absorcioacuten
Las tecnologiacuteas usadas para este tipo de energiacutea son colectores planos para
calefaccioacuten y ACS concentracioacuten en torre discos paraboacutelicos colectores ciliacutendricos
paraboacutelicos y colectores Fresnel para la produccioacuten de electricidad Maacutes adelante se
explicaraacuten con maacutes detalle todas estas tecnologiacuteas
La principal ventaja con la que cuenta la energiacutea solar es que se trata de un recurso
inagotable que estaacute al alcance de todos pero uno de los problemas de esta reside
que la demanda no coincide con la produccioacuten Para ajustar la demanda a la
produccioacuten se hace necesario el uso de sistemas de almacenamiento Otro problema
a tener en cuenta es la intermitencia del recurso solar A lo largo del antildeo hay
numerosos diacuteas en los que las nubes impiden el correcto aprovechamiento de la
energiacutea solar La solucioacuten a este problema es la instalacioacuten de un sistema de apoyo
consistente generalmente en una caldera auxiliar operada con un combustible foacutesil
De este modo se puede prescindir de los sistemas de almacenaje (Paredes 2012)
15 Sistemas teacutermicos solares El objetivo esencial de cualquier sistema teacutermico solar es captar la radiacioacuten que
proviene del sol para transformarla en energiacutea teacutermica de un fluido y transportarla de
la manera maacutes econoacutemica y eficaz posible a un usuario Las aplicaciones del
aprovechamiento solar pueden ser directas en forma de calor o bien indirectas
utilizando este calor para obtener trabajo mecaacutenico en un eje y finalmente
electricidad Entre las tecnologiacuteas existentes hay tres que destacan por su grado de
desarrollo los sistemas de colectores cilindro paraboacutelicos (CCP) los sistemas de
receptor central (SRC) o sistemas de torre central (STC) y los discos paraboacutelicos
(DP) o maacutes propiamente paraboloides de revolucioacuten Tambieacuten existen los sistemas
de concentradores lineales Fresnel (CLF) que a pesar de no estar ampliamente
desarrollados en cuanto a tecnologiacutea se refiere merecen una mencioacuten Aunque los
campos de aplicacioacuten de los Sistemas Termo-solares de Concentracioacuten (CSTS) son
diversos es en los campos de generacioacuten de electricidad vapor de proceso o de
ambos simultaacuteneamente donde estos sistemas han alcanzado su mayor grado de
desarrollo dando lugar a Centrales Energeacuteticas Termo-solares (CETS) Las CETS
son entre los sistemas basados en el aprovechamiento de las energiacuteas renovables
uno de los de mayor potencial de contribucioacuten a la satisfaccioacuten de la demanda
9
energeacutetica especialmente en las regiones situadas en el llamado ldquocinturoacuten solarrdquo
que son aquellas que se encuentran entre las latitudes 35o norte y 35o sur (Paredes
2012)
151 Sistemas de torre central (STC)
Este sistema se caracteriza porque el conjunto colector estaacute compuesto por un grupo
maacutes o menos numeroso de concentradores planos individuales llamados heliostatos
los cuales dirigen la radiacioacuten solar concentrada hacia un receptor central situado en
lo alto de una torre Por tanto la concentracioacuten de la radiacioacuten se produce en tres
dimensiones por lo que el valor de la razoacuten de concentracioacuten es muy elevado asiacute
como las temperaturas que se alcanzan pudiendo llegar eacutestas a los 1500 degC
Figura 3 Esquema de un STC Fuente Greenpeace
A parte de los componentes principales del sistema que se detallan maacutes adelante
para un correcto funcionamiento del sistema se requieren una serie de equipos y
sistemas auxiliares como el sistema de caracterizacioacuten de imaacutegenes blancos
lambertianos para evaluacioacuten de imaacutegenes ajustes de offsets etc
El sistema colector El heliostato es junto con el receptor uno de los componentes
que representa mayor importancia dentro del sistema llegando a suponer hasta un
60 del coste total de la parte solar Su funcioacuten es la de captar la radiacioacuten solar y
redirigirla hacia el receptor
Estaacute compuesto baacutesicamente por una superficie reflectante ndashespejos de vidrio como
los de los CCPs ademaacutes de una estructura soporte mecanismos de movimiento y
un sistema de control
En cuanto al tamantildeo existen de varias dimensiones desde 40 o 50 m2 hasta su
evolucioacuten a los 150 m2 Aunque actualmente se tiende a los heliostatos maacutes
10
pequentildeos pues suponen una simplificacioacuten y abaratamiento en los procesos de
transporte instalacioacuten y puesta en servicio El campo de heliostatos en relacioacuten al
receptor estaacute condicionado en gran parte por la orografiacutea del terreno por el tamantildeo
de la planta y por la disposicioacuten del receptor Las dos formas claacutesicas de colocar los
heliostatos son
Campo circundante heliostatos alrededor de la torre
Campo Norte-Sur heliostatos a un lado de la Torre La orientacioacuten dependeraacute de
en queacute latitud se encuentre el emplazamiento
No obstante existen otras disposiciones que tratan de aprovechar la orografiacutea del
terreno (por ejemplo una ladera orientada al Sur) o usan un concentrador secundario
para evitar los inconvenientes derivados de situar el receptor sobre una torre
La torre La funcioacuten de la torre es la de servir de soporte al receptor que
normalmente debe situarse a una cierta altura sobre el nivel del campo de helioacutestatos
para reducir las sombras y bloqueos entre eacutestos y a diversos elementos auxiliares
(blancos lambertianos sistemas de medida etc) Hasta hoy las torres construidas
han sido de estructuras metaacutelicas o de hormigoacuten
El receptor Es el dispositivo donde se produce la conversioacuten de la radiacioacuten solar
concentrada en energiacutea teacutermica
152 Disco Paraboacutelico (DP)
Los sistemas de discos paraboacutelicos se componen baacutesicamente en un reflector o en
un conjunto de reflectores que tienen forma de paraboloide de revolucioacuten Ademaacutes
poseen un receptor situado en el foco puntual de dicho paraboloide y de un sistema
de generacioacuten eleacutectrica compacto (un motor o una turbina maacutes un alternador) Por lo
general receptor y sistema de generacioacuten suelen formar parte de un mismo conjunto
El principio de funcionamiento es el mismo que para los CCPacutes es decir la radiacioacuten
concentrada por el paraboloide incide sobre el receptor donde se convierte en
energiacutea teacutermica (pudiendo alcanzar los 1500 oC que permite generar electricidad Los
elementos principales del colector Disco Paraboacutelico son los siguientes
Concentrador La forma de la superficie reflexiva en este tipo de sistema es la de
un paraboloide de revolucioacuten cuyo tamantildeo depende de la potencia nominal y de la
energiacutea que se desea generar en un determinado tiempo y bajo unas condiciones de
radiacioacuten determinadas
Receptor Es un sistema de discos paraboacutelicos que tienen dos funciones
fundamentales por un lado la de absorber la radiacioacuten solar reflejada por el
concentrador y por el otro transferir la energiacutea absorbida al fluido de trabajo de la
maacutequina asociada Hasta la fecha existen dos tipos de reflectores tubos
directamente iluminados por la reflexioacuten de los rayos y receptores de reflujo
11
Sistema de Seguimiento Con objeto de seguir la posicioacuten del sol en todo momento
los discos paraboacutelicos realizan un seguimiento de eacuteste en dos ejes Se realiza seguacuten
dos tipos de montaje
Seguimiento en acimut-elevacioacuten en el que el movimiento se realiza seguacuten dos
ejes el vertical y el horizontal
Seguimiento polar en el que el movimiento en un eje es muy lento pues solo se
debe seguir las variaciones estacionales del sol y el movimiento en el otro eje es a
velocidad constante
Actualmente el uso de discos paraboacutelicos para generar electricidad se encuentra en
fase de desarrollo en algunas plantas experimentales como la de Planta Solar de
Almeriacutea pero la falta de fiabilidad y su elevado coste constituyen los principales
obstaacuteculos para su introduccioacuten real en la generacioacuten eleacutectrica En cambio
atendiendo a la misma forma estructural y con el mismo principio de reflexioacuten en un
foco puntual del paraboloide de revolucioacuten es muy comuacuten encontrar a nivel
particular cocinas solares
Figura 4 Esquema de un Disco Paraboacutelico Fuente Greenpeace
12
153 Concentrador lineal Fresnel
Esta tecnologiacutea es la maacutes nueva de las cuatro que actualmente hay disponible para
los sistemas solares de concentracioacuten Son captadores de foco lineal en los que
largos reflectores que poseen ejes de giros independientes y paralelos reflejan la
radiacioacuten solar directa sobre un tubo receptor situado sobre ellos Es la tecnologiacutea
maacutes joven de las cuatro descritas por lo que existen actualmente solo dos plantas
comerciales en funcionamiento con una potencia eleacutectrica total de 64 MWe
Figura 5 Concentrador Lineal Fresnel
154 Colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Esta tecnologiacutea cilindro-paraboacutelica basa su funcionamiento en seguimiento solar y en
la concentracioacuten de los rayos solares en unos tubos receptores de alta eficiencia
teacutermica localizados en la liacutenea focal de los cilindros En estos tubos un fluido
transmisor de calor tal como aceite sinteacutetico es calentado aproximadamente a
400ordmC por los rayos solares concentrados El aceite es bombeado a traveacutes de una
serie de intercambiadores de calor para producir vapor sobrecalentado El calor
presente en este vapor se convierte en energiacutea eleacutectrica en una turbina de vapor
convencional Los colectores cilindro-paraboacutelicos se emplean maacutes a escala industrial
de 10 a 100 MW para la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica en un campo solar y en un
sistema de potencia En el campo solar la energiacutea de la radiacioacuten solar se transforma
en energiacutea teacutermica en una serie de filas paralelas de colectores cilindro-paraboacutelicos
cada uno de ellos con seguimiento solar La eficiencia durabilidad y costo de una
central con colectores cilindro-paraboacutelicos depende fuertemente de la estructura y
robustez del colector Un moacutedulo colector generalmente compuesto de elementos
de 12 m de largo conectados en serie puede tener hasta 150 m de longitud Sus
espejos paraboacutelicos reflejan la radiacioacuten solar y la concentran sobre un tubo
absorbente en su liacutenea focal (Sebastiaacuten 2011)
13
A principios del siglo pasado (1912) la primera planta de canal paraboacutelico fue
construida en Meadi Egipto para bombeo de agua Con 79 plantas 31425 MW
instalados esta tecnologiacutea es la maacutes madura de las tecnologiacuteas CSP (maacutes de 100
antildeos de experiencia en operacioacuten) (GESIME 2014)
Las primeras centrales con colectores cilindro-paraboacutelicos operan comercialmente en
California desde 1985 En este periodo de tiempo han generado maacutes de doce mil
millones de kilowatts hora de electricidad lo que es suficiente para suministrar
electricidad a aproximadamente doce millones de personas durante un antildeo Al igual
que en centrales teacutermicas con combustibles convencionales y tambieacuten en centrales
nucleares la corriente se genera en las centrales solares teacutermicas con una turbina a
vapor y un generador acoplado (Martiacuten 2017)
El Sistema de Generacioacuten de Energiacutea solar (en ingleacutes Solar Energy Generating
System SEGS) es un conjunto de nueve plantas con una capacidad total de 350 MW
Actualmente es el sistema solar operacional maacutes grande (tanto del tipo termal o no)
La planta Nevada Solar One tiene una capacidad de 64 MW Estaacuten en construccioacuten
las plantas Andasol 1 y 2 en Espantildea cada planta tiene una capacidad de 50 MW sin
embargo estas plantas son de un disentildeo que tiene un sistema de almacenamiento
de calor que requiere un terreno con colectores solares mayor en relacioacuten al tamantildeo
del que deberiacutea tener para su generacioacuten El almacenamiento de calor permite una
mejor utilizacioacuten de las turbinas de vapor Con una operacioacuten diurna y parcialmente
nocturna la turbina de vapor de Andasol 1 con una capacidad de punta de 50 MW
produce maacutes energiacutea que Nevada Solar One con una capacidad de punta de 64 MW
debido al sistema de almacenamiento de calor y un terreno de colectores maacutes grande
que posee la planta de Andasol 1(httpwwwwikipediaorg 2017)
Existiacutea la propuesta de instalar 553 MW adicionales en el Mojave Solar Park
California (David 2007) pero este proyecto fue cancelado en el antildeo 2011 Tambieacuten
IBERDROLA (2013) puso en marcha en Egipto la central de Kuraymat de 150
megavatios (MW) de potencia Se trata de una instalacioacuten pionera en el mundo dado
que incorpora una tecnologiacutea que utiliza de forma combinada el gas y la energiacutea solar
lo que contribuye a disminuir las emisiones de CO2 y a mejorar el rendimiento global
de la planta Tambieacuten se generan 25 MW de vapor como aporte para una planta de
gas en Hassi Rmel Argelia (wwwsolarbuzzcom 2016)
El gobierno de India ha comenzado a desarrollar una iniciativa llamada Jawaharlal
Nehru National Solar Mission (tambieacuten conocida como la misioacuten solar nacional) para
resolver el problema de abastecimiento de energiacutea eleacutectrica
(httpwwwwikipediaorg 2017)
14
Figura 6 Esquema de un CCP Fuente Greenpeace
En la figura 6 se pueden ver los elementos principales del conjunto del colector de
forma maacutes detallada se definen del siguiente modo
El Reflector Ciliacutendrico Paraboacutelico su misioacuten es la de reflejar y concentrar sobre el
Receptor la radiacioacuten solar directa incidente sobre la superficie A grandes rasgos es
un espejo curvo que forma en una de sus dimensiones una paraacutebola de forma que
concentra sobre su liacutenea focal toda la radiacioacuten reflejada Entre los materiales usados
para la reflexioacuten encontramos plaacutesticos recubiertos con peliacuteculas de plata o aluminio
chapas metaacutelicas o el maacutes usado vidrios sobre los que se depositan una capa de
plata junto con un protector de base de cobre y pintura epoxi
El tubo de absorcioacuten o Receptor El tubo absorbedor consta de dos tubos
conceacutentricos separados por un espacio de vaciacuteo El tubo interior por el que circula
el fluido calo-portador es metaacutelico y el exterior es de cristal
El tubo interior es tratado con un recubrimiento metaacutelico selectivo que puede consistir
en una fina capa de cromo niacutequel cobalto o alguacuten otro acabado logrado por
Sputtering o Deposicioacuten Fiacutesica de Vapor (PVD por sus siglas en ingleacutes) Dicho
recubrimiento otorga al tubo sus propiedades uacutetiles para eacuteste uso elevada
absortividad a lo largo de todo el espectro solar y una baja emisividad en el espectro
infrarrojo lo cual se traduce en un elevado rendimiento teacutermico El tubo exterior de
vidrio cumple dos propoacutesitos de igual importancia el primero es proteger el
recubrimiento selectivo del tubo interior y minimizar las perdidas teacutermicas por
conveccioacuten Para aumentar el rendimiento oacuteptico del captador es comuacuten la utilizacioacuten
de un tratamiento antireflexivo en ambas caras del tubo de vidrio que logra mejorar
15
la transmisividad Para lograr mantener el vaciacuteo necesario entre los dos tubos se suele
soldar cada tubo el de vidrio y el de metal por separado a un fuelle metaacutelico que
soporta las diferentes dilataciones de cada material al variar la temperatura Con esto
se logra flexibilizar la unioacuten entre los dos tubos evitando grietas por las que pudiera
ingresar aire al vaciacuteo Otro mecanismo que se utiliza para mantener el vaciacuteo son los
llamados getters en ingleacutes que son colocados en el vaciacuteo debido a su propiedad de
reaccionar quiacutemicamente o por absorcioacuten con cualquier moleacutecula de gas que pudiera
penetrar al espacio confinado atrapaacutendolo y asiacute manteniendo el espacio libre de
cualquier elemento
Figura 7 Esquema del tubo de absorcioacuten o Receptor
El Sistema de Seguimiento Solar El seguimiento del Sol se hace con el objetivo
de aprovechar la mayor parte de horas posibles de luz de forma que la radiacioacuten
solar llegue lo maacutes perpendicularmente posible al colector y se mantengan en el foco
lineal continuamente Los CCPacutes pueden tener seguimiento a dos ejes o a un uacutenico
eje Normalmente el seguimiento se realiza a un eje pues mecaacutenicamente es maacutes
sencillo esto implica menos costos y menores peacuterdidas teacutermicas por no haber
tuberiacuteas pasivas La orientacioacuten puede ser Norte-Sur o Este-Oeste Los mecanismos
de accionamiento que mueven al colector pueden ser eleacutectricos (apropiado para
equipos pequentildeos) hidraacuteulicos (para lazos de colectores) y mecaacutenicos (reloj de
pesas) (Paredes 2012)
16
Figura 8 Esquema del seguimiento solar a un eje de un CCP Fuente Greenpeace
Cimentacioacuten y estructura metaacutelica La cimentacioacuten soporta los colectores y los fija
al suelo de forma que el conjunto estructural soporte las cargas para las que fue
disentildeado La misioacuten de la estructura metaacutelica del colector es la de dar rigidez al
conjunto de elementos que lo componen a la vez que hacer de interface con la
cimentacioacuten del propio colector (Hidalgo 2012)
La tecnologiacutea cilindro paraboacutelica es una tecnologiacutea limpia madura y con un extenso
historial que demuestra estar preparada para la instalacioacuten a gran escala Esta
tecnologiacutea lleva siendo instalada a nivel comercial desde los antildeos 80 con un
excepcional comportamiento Desde entonces ha experimentado importantes
mejoras a nivel de costes y rendimientos Actualmente hay maacutes de 1 GWe en
operacioacuten maacutes de 800 MWe en construccioacuten y maacutes de 2 GWe en promocioacuten a nivel
mundial Por lo que es esta la tecnologiacutea maacutes segura a aplicar
16 Orientacioacuten del colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Los captadores cilindro paraboacutelicos suelen estar instalados en los campos solares de
tal manera que sus ejes de rotacioacuten queden orientados bien Norte-Sur o bien Este-
Oeste Con la configuracioacuten Este-Oeste las variaciones estacionales suelen ser
pequentildeas permitiendo tener un aporte teacutermico maacutes estable durante el antildeo a costa
de perder parte de la energiacutea anual disponible Con la configuracioacuten Norte-Sur esa
energiacutea anual suministrada es optimizada al maacuteximo con el punto en contra de tener
variaciones estacionales mucho mayores que con la configuracioacuten Este-Oeste que
en ocasiones y dependiendo de la latitud y de las condiciones atmosfeacutericas del
emplazamiento pueden suponer relaciones de 3 a 1 entre verano e invierno En el
caso de la planta Termo solar acoplada al economizador de la caldera para la
produccioacuten de electricidad de la UEB umlGeorge Washingtonuml se ha realizado el disentildeo
atendiendo al criterio de maximizacioacuten del aporte energeacutetico anual por lo que la
configuracioacuten elegida es la Norte-Sur
17
17 Peacuterdidas en un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Cuando la radiacioacuten solar alcanza la superficie de un colector paraboacutelico se pierde
una cantidad importante de ella debido a diferentes factores El total de las peacuterdidas
se puede dividir en tres grupos
171 Peacuterdidas geomeacutetricas Provocan la disminucioacuten del aacuterea efectiva de captacioacuten
solar de los colectores En un CCP se dividen en peacuterdidas debidas a la posicioacuten
relativa de los colectores entre siacute los cuales se pueden dar sombra unos a otros y
las peacuterdidas inherentes a cada colector que son motivo del aacutengulo de incidencia el
cual provoca que en los extremos del colector haya una peacuterdida de superficie reflexiva
uacutetil La existencia del aacutengulo de incidencia tambieacuten afecta a los valores de la
reflectividad absortividad y transmisividad ya que estos paraacutemetros presentan su
valor maacuteximo cuando el aacutengulo de incidencia es 0deg (Hidalgo 2012)
172 Peacuterdidas oacutepticas Se deben a imperfecciones en los materiales que componen
el colector la superficie del concentrador no es un reflector perfecto ni el vidrio del
tubo absorbedor es completamente transparente ni el recubrimiento selectivo del
tubo metaacutelico es un absorbedor perfecto Los cuatro paraacutemetros que intervienen en
las peacuterdidas oacutepticas de un canal paraboacutelico son la reflectividad de los espejos
paraboacutelicos la absortancia del tubo metaacutelico la transmitancia de la cubierta de vidrio
y el factor de interceptacioacuten (Hidalgo 2012)
Reflectancia ρ no toda la energiacutea incidente es reflejada hacia el tubo
absorbedor
Absortancia α cantidad de radiacioacuten que absorbe la superficie selectiva del
tubo metaacutelico
Transmitancia 120591 de aquella radiacioacuten que intercepta el tubo de vidrio solo
una parte consigue atravesarlo
Factor de interceptacioacuten γ no toda la radiacioacuten reflejada por los espejos
acaba incidiendo sobre el tubo absorbedor Las causas son diversas imperfecciones
en los espejos un mal posicionamiento de los colectores etc
173 Peacuterdidas teacutermicas Principalmente se encuentran asociadas a dos elementos
del sistema el tubo absorbedor y las tuberiacuteas de fluido teacutermico Las perdidas
asociadas estaacuten formadas por perdidas por conduccioacuten por conveccioacuten y por
radiacioacuten de los diferentes medios que conforman el conjunto del tubo absorbedor
es decir por el tubo metaacutelico la cubierta de cristal y la atmosfera De manera que
la potencia teacutermica disipada en el colector equivale a la suma de las peacuterdidas teacutermicas
en el receptor y las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas por donde circula el fluido
teacutermico (HTF) (Hidalgo 2012)
18
Peacuterdidas teacutermicas en el aceite teacutermico (HTF)
Las peacuterdidas teacutermicas asociadas al tubo absorbedor (119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905) se deben a la
diferencia de temperaturas entre eacuteste y el ambiente pudiendo ser por conduccioacuten
por radiacioacuten y por conveccioacuten desde el tubo absorbedor al ambiente Aunque cada
una de estas peacuterdidas podriacutea calcularse aplicando las ecuaciones que rigen los
mecanismos de transferencia de calor antes mencionados en la praacutectica las
peacuterdidas teacutermicas globales en un colector se cuantifican mediante ecuaciones
experimentales (Hidalgo 2012)
18 Rendimiento de un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Como consecuencia de todas las peacuterdidas oacutepticas geomeacutetricas y teacutermicas que
existen en un CCP la energiacutea teacutermica uacutetil que da un CCP es menor que la que dariacutea
en condiciones ideales cuando no existieran dichas peacuterdidas
En un CCP se suelen definir tres rendimientos diferentes y un paraacutemetro
I) Rendimiento oacuteptico con un aacutengulo de incidencia de 0ordm (rendimiento oacuteptico pico)
Tiene en cuenta todas las peacuterdidas oacutepticas que tienen lugar en el colector con un
aacutengulo de incidencia de 0ordm Su valor viene dado por el producto de estos cuatro
factores reflectividad de los espejos transmisividad del tubo de vidrio factor de
interceptacioacuten (que tiene en cuenta la parte de radiacioacuten reflejada que por cualquier
causa no alcanza el absorbente) y absortividad de la superficie selectiva que recubre
el tubo metaacutelico absorbente
II) Rendimiento teacutermico Considera todas las peacuterdidas teacutermicas que tienen lugar en
el colector
III) Rendimiento global Considera todas las peacuterdidas tanto oacutepticas como
geomeacutetricas y teacutermicas que tienen lugar en el colector
IV) Modificador por aacutengulo de incidencia Considera todas las peacuterdidas oacutepticas y
geomeacutetricas que tienen lugar en el colector para un aacutengulo de incidencia ϕ ne 0ordmy que
no se tienen en cuenta en rendimiento oacuteptico (peacuterdidas geomeacutetricas de final de
colector bloqueo de la radiacioacuten concentrada por parte de los soportes del tubo
absorbente e influencia del aacutengulo de incidencia en la absortividad y transmisividad
del tubo absorbente y en la reflectividad de los espejos) (Paredes 2012)
19 Disentildeos hiacutebridos
En general las formas de concentracioacuten de la energiacutea solar se pueden dividir en
tecnologiacuteas lineales y de enfoque puntual Los canales paraboacutelicos y los colectores
lineales Fresnel pertenecen a las tecnologiacuteas de enfoque lineal mientras que las
tecnologiacuteas de enfoque de puntos principales son el receptor central (torre solar) y el
reflector paraboacutelico (disco) Desde el punto de la disponibilidad del mercado y el
estado actual de desarrollo para el presente estudio de caso se han elegido las
siguientes tres opciones de tecnologiacutea Lineal Fresnel (LF) Ciliacutendrico Paraboacutelico
19
(CCP) y Torre Central (STC) Para todas las opciones de CSP nombradas hay
diferentes configuraciones de tecnologiacuteas posibles cuyo rango se muestra en la tabla
1 (E Burin 2016)
Tabla 1 Rangos para las 3 tecnologiacuteas posibles
Unidad LF CCP STC
Fluido teacutermico
(HTF)
- Aceite teacutermico
Agua
Sal
Aceite teacutermico
Agua
sal
Agua
Sal
Aire
Concentracioacuten - 25-100 70-80 300-1000
Rango de
temperatura
oC 380-600(ST) 380-600(ST) 565(ST)
Performance MWel 10-200 10-200 10-150
Capacidad de
corriente instalada
1 88 11
Proporcioacuten de las
obras (2012)
6 75 18
(ST) Steam Turbine
Fuente(Reuszlig 2012 Pitz-Paal 2013 REN 2013)
Debido a la diferente etapa de desarrollo teacutecnico de las tres tecnologiacuteas de CSP y
sus HTF para el estudio de caso se examinaron las siguientes combinaciones CCP
(aceite teacutermico) LF (agua vapor) y STC (agua vapor)
En cuanto a los disentildeos de integracioacuten de las tres tecnologiacuteas de CSP elegidas
desde el punto de vista termodinaacutemico es esforzarse por alcanzar un nivel de
temperatura lo maacutes alto posible para el calor solar agregado Por esa razoacuten el calor
solar agregado se usoacute aquiacute para proporcionar calor para el precalentamiento del agua
de alimentacioacuten a alta presioacuten asiacute como para la produccioacuten paralela de vapor
saturado y vapor vivo en paralelo con los generadores de vapor de bagazo Los
diagramas de flujo de proceso de los tres disentildeos de integracioacuten se muestran en la
siguiente figura
20
Figura 9 Diagramas de flujo de proceso de los tres disentildeos de integracioacuten posibles
En el disentildeo 1 el calor solar reemplaza completamente la extraccioacuten a alta presioacuten
de la turbina CEST Para este propoacutesito el campo solar proporciona en el punto de
disentildeo un rendimiento teacutermico equivalente a la demanda de calor requerida para el
calentador de agua de alimentacioacuten de alta presioacuten Debido al modo de operacioacuten de
ahorro de combustible este reemplazo y la cantidad reducida de bagazo quemado
afecta el rendimiento de la turbina CEST asiacute como la liacutenea de calentamiento del agua
de alimentacioacuten Debido a que no se realiza la extraccioacuten de vapor de alta presioacuten en
el tiempo en que el campo este trabajando se seleccionoacute las tecnologiacuteas CCP y LF
Cabe sentildealar que no es posible una operacioacuten de solo solar
El disentildeo de integracioacuten 2 permite una produccioacuten paralela de vapor saturado con
calor solar para reducir el consumo de bagazo Por lo tanto parte del flujo de masa
de agua de alimentacioacuten principal que va a los generadores de vapor se desviacutea Este
flujo maacutesico secundario pasa en el caso de CCP a traveacutes de un generador de vapor
solar tiacutepico mientras que en el caso de la LF se alimenta directamente al campo
solar En ambos casos se produce vapor saturado a 67 bar que luego se une al flujo
de masa principal dentro de los generadores de vapor para el sobrecalentamiento
En consecuencia el disentildeo de integracioacuten 2 solo afecta el rendimiento de los
21
generadores de vapor mientras que las condiciones de vapor vivo permanecen
iguales Al mantener el estudio de caso cerca de la viabilidad teacutecnica deben
respetarse las condiciones teacutecnicas de contorno de los generadores de vapor Con
el fin de evitar fuertes desequilibrios en estos componentes se asumioacute que se permite
reducir la carga del generador de vapor a un nivel miacutenimo del 85 Del mismo modo
este disentildeo no permite una operacioacuten solo solar
En el disentildeo de integracioacuten 3 el calor solar desplaza al generador de vapor de
carga teacutermica Una parte del agua de alimentacioacuten se deriva de los generadores de
vapor A medida que pasa a traveacutes del sistema de torre solar se produce vapor
sobrecalentado a 520 deg C y 67 bar Esta integracioacuten afecta solo el rendimiento teacutermico
de los generadores de vapor mientras que el ciclo agua vapor se opera en modo
normal En comparacioacuten con el disentildeo de integracioacuten 2 la operacioacuten de los
generadores de vapor se simplifica Eso significa que los generadores de vapor
funcionan aquiacute con una carga parcial normal de 100 a 65 de carga Con respecto
a eso al permitir una carga miacutenima del generador de vapor del 65 en el punto de
disentildeo solar la torre solar fue disentildeada para proporcionar todo el calor restante
necesario Cabe sentildealar que para el disentildeo de integracioacuten 3 es posible una
operacioacuten solo solar cuando la instalacioacuten de cantildea de azuacutecar estaacute fuera de servicio
Tabla 2 Muacuteltiplo solar simulado seguacuten la tecnologiacutea de CSP
Disentildeo Tecnologiacutea Muacuteltiplo solar
simulado
Disentildeo 1 CCP
LF
09 - 14
08 - 14
Disentildeo 2 CCP
LF
09 - 13
08 - 14
Disentildeo 3 STC 08 - 40
Seleccioacuten del Disentildeo y la tecnologiacutea
Luego del anaacutelisis acerca del disentildeo y la tecnologiacutea a emplear en este proyecto se
decidioacute elegir la tecnologiacutea de colectores ciliacutendricos paraboacutelicos (CCP) y el disentildeo
nuacutemero 1 Los colectores de canal paraboacutelico son los maacutes empleados en el mundo
actualmente y lleva siendo instalada a nivel comercial desde los antildeos 80 con un
excepcional comportamiento Desde entonces ha experimentado importantes
mejoras a nivel de costes y rendimientos Hoy diacutea hay maacutes de 1 GWe en operacioacuten
maacutes de 800 MWe en construccioacuten y maacutes de 2 GWe en promocioacuten a nivel mundial
22
Para las condiciones de nuestro paiacutes esta tecnologiacutea pudiera ser la maacutes factible y
segura tambieacuten contamos en Cuba con industrias que poseen capacidad
maquinaria y herramientas para llegar a construir gran parte del equipo como las
bases y estructuras metaacutelicas teniendo que importarse solamente el tubo
absolvedor Reduciendo esto los costos en gran medida ejemplo de esto es la faacutebrica
de antena de Santa Clara que ya han construido maquetas de un equipo de esta
tecnologiacutea y se encuentran en condiciones de comenzar una produccioacuten a mayor
escala
110 Influencia de la industria azucarera en Cuba
La escasez de recursos energeacuteticos primarios junto con la afectacioacuten ambiental
resultante de la utilizacioacuten irracional de la energiacutea asociada a la actividad humana
obliga a la buacutesqueda de fuentes alternativas en especial fuentes renovables de
energiacutea La biomasa ha sido fuente de energiacutea desde tiempos inmemoriales fue de
hecho el primer combustible que empleoacute el hombre pero no obstante sus milenios
de utilizacioacuten la biomasa continuacutea ocupando un lugar importante en la matriz
energeacutetica a nivel mundial y continuaraacute sieacutendolo La biomasa es un combustible
renovable se encuentra ampliamente distribuida a nivel mundial y resulta en muchas
ocasiones un subproducto de ciertos procesos productivos (agriacutecolas e industriales)
En Cuba existen diferentes tipos de biomasa con posibilidades econoacutemicas de
empleo entre las maacutes importantes estaacuten el bagazo y los residuos agriacutecolas de la
cantildea de azuacutecar la lentildea y el raleo de los bosques el marabuacute la cascara de arroz y
los residuos del cafeacute En la proyeccioacuten estrateacutegica de la generacioacuten de electricidad en
Cuba para el 2030 se considera que las fuentes renovables de energiacutea alcanzaran
el 24 del total (en la actualidad representan el 43 ) y la biomasa representaraacute el
14 del total por lo que ella representaraacute el 58 de la electricidad obtenida con
fuentes renovables Este proceso de generacioacuten de electricidad con biomasa se
centraraacute casi totalmente en la industria azucarera lo que conlleva a un problema
fundamental que consiste en que la zafra se realiza en tan solo 5 meses
aproximadamente y se necesita que la generacioacuten sea durante todo el antildeo En la
actualidad existen tecnologiacuteas disponibles y posibilidades para su empleo que
permiten valorar diferentes alternativas para incrementar sustantivamente el
potencial de generacioacuten eleacutectrica de los centrales azucareros como son las
bioeleacutectricas las cuales se plantea la instalacioacuten de alrededor de 25 en toda Cuba lo
que requiere de un suministro adicional de combustible para el resto del antildeo en que
no hay zafra Para esto planteamos en este trabajo la hibridacioacuten con un campo termo
solar que permita el ahorro de combustible y su posterior uso en los meses en que
no hay zafra
En nuestro paiacutes se sigue una poliacutetica de desarrollo sostenible y se ha comenzado
una serie de proyectos en la industria azucarera buscando modificaciones que
permitan un aumento en la energiacutea generada por toneladas de cantildea molida Para
23
esto se valoran aspectos como la variacioacuten de los paraacutemetros de explotacioacuten (presioacuten
y temperatura) de las plantas generadoras y las que consumen vapor mejorar el
secado del bagazo que se quema en las calderas hibridar los generadores de vapor
con energiacutea solar y aumentar la entrega al SEN haciendo un uso eficiente de la
electricidad que se consume asiacute como evitar las paradas imprevistas
Las Bioeleacutectricas suscitan hoy creciente intereacutes en el mundo y en Cuba ante la
necesidad de produccioacuten de energiacutea compatible con el medio ambiente Actualmente
una decena de naciones son paradigmas en el uso de esas instalaciones Isla
Reunioacuten India Isla Mauricio Australia Isla Guadalupe Belice Guatemala Estados
Unidos Costa Rica China y particularmente Brasil que posee 160 de 188 existentes
en el orbe Globalmente estas unidades tienen un potencia instalada de maacutes 2800
megavatios y de esa cifra al menos dos mil corresponden a Brasil secundado en
cuanto a cantidad de Bioeleacutectricas por India (14) Isla Mauricio (3) Isla Reunioacuten (2)
mientras que los restantes paiacuteses mencionados poseen una individualmente
(Salomoacuten 2016)
111 Propuesta para la hibridacioacuten de la bioeleacutectrica con energiacutea renovable
En el paiacutes se lucha hoy por un acercamiento hacia las tecnologiacuteas de energiacutea
renovables Con el propoacutesito de convertir todos los sistemas de generacioacuten de
energiacutea eleacutectrica en sistemas maacutes compatibles con el medio ambiente La hibridacioacuten
de la caldera del central George Washington consiste en disentildear un campo de
Colectores Ciliacutendricos Paraboacutelicos prototipo (EUROTrough-150) Con el fin de elevar
la temperatura del agua proveniente del proceso hasta los 260 oC e inyectarla al
economizador de la caldera para ahorrar bagazo que pudiera ser utilizado en los
restantes meses del antildeo cuando no hay zafra para la produccioacuten de energiacutea eleacutectrica
y su entrega al sistema energeacutetico nacional En el siguiente esquema se muestra la
propuesta planteada para la hibridacioacuten
24
Figura 10 Esquema de la hibridacion con colectores solares
25
Seguacuten un documento sobre eficiencia energeacutetica emitido por el Instituto Cubano de
Investigaciones Azucareras (ICINAZ) a todos los centrales del paiacutes se hace relacioacuten
en cuanto a la temperatura del agua de alimentacioacuten de la caldera y cuanto incide
esto en la eficiencia de dicha caldera Quedando que por cada 5 ordmC que se
incrementa la temperatura del agua de alimentacioacuten se incrementa 1 la eficiencia
de la caldera Siendo esto una justificacioacuten razonable para la propuesta planteada
que eleva la temperatura del agua de alimentacioacuten de 166 ordmC a 260 ordmC Alterando
la temperatura unos 94 ordmC influyendo esto en el aumento de la eficiencia en 18
puntos porcentuales
Conclusiones parciales
En este capiacutetulo se realizoacute una amplia revisioacuten bibliograacutefica que abordoacute el estado
del arte y avances tecnoloacutegicos maacutes importantes para los temas relacionados con
esta investigacioacuten que fueron el de energiacutea solar teacutermica y todo lo relacionado con
las bioeleacutectricas a nivel mundial y en nuestro paiacutes Tambieacuten se realizoacute un anaacutelisis
exhaustivo para la determinacioacuten de la tecnologiacutea de sistemas de concentracioacuten
solar lo que resulto que el sistema de Colectores Ciliacutendricos Paraboacutelicos prototipo
EUROTrough-150 es el maacutes factible para su instalacioacuten en Cuba y posteriormente
pudiera ser fabricado por industrias nacionales El disentildeo de incorporacioacuten del
campo al esquema termodinaacutemico de la bioeleacutectrica resulto ser maacutes factible y de
menores transformaciones tecnoloacutegicas en la estructura del central el de
incorporarlo antes de la caldera y que este inyecte el agua calentada directamente
al economizador realizando el salto teacutermico del agua en un intercambiador de calor
existente en la interseccioacuten del campo con la tuberiacutea del agua proveniente de las
bombas
26
Capiacutetulo 2 Materiales y Meacutetodos En este capiacutetulo se describen los programas y foacutermulas utilizadas para el caacutelculo de los objetivos planteados
La presente investigacioacuten se realizoacute desde enero hasta mayo del 2018 Para la realizacioacuten de los caacutelculos se utilizaron los softwares Engineering Equation Solver (EES) (2004) Matlab (2010) y Excel (2016)
Tabla 3 Condiciones de frontera para la bioeleacutectrica
21 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB uml George Washington uml
En este apartado se realizaraacute la evaluacioacuten del recurso solar disponible en el emplazamiento analizado El estudio del potencial solar en el emplazamiento consiste en el anaacutelisis de los datos de radiacioacuten disponibles el tratamiento de los mismos la estimacioacuten de las variabilidades asociadas y el caacutelculo de la produccioacuten una vez consideradas todas las peacuterdidas A la hora de evaluar el recurso solar y a falta de una medida precisa y especiacutefica en el propio emplazamiento se ha recurrido a diversas fuentes para la obtencioacuten de datos de radiacioacuten con el fin de realizar un ajuste estadiacutestico de los mismos y minimizar los errores asociados a ellos
Para el caacutelculo del potencial solar en la zona del central umlGeorge Washingtonuml fue necesario calcular la radiacioacuten solar directa (DNI) que incide en ese lugar y la duracioacuten diurna del diacutea
211 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa
Para el caacutelculo de la radiacioacuten solar directa en la zona de la UEB uml George Washington uml se tomaron como coordenadas de referencia la latitud y la longitud Lat 22587 Long -80244
Para ello se utilizaron modelos estadiacutesticos que permitieron obtener varios valores de radiacioacuten solar directa (DNI) teniendo en cuenta la posicioacuten geograacutefica del lugar y el diacutea del antildeo que se analiza dicha radiacioacuten En este caso se usoacute la foacutermula para condiciones normales
DNI = 1230 ∙ e^ (minus1
38∙cos∙(120579120579120579minus16)) (1)
27
Doacutende
Aacutengulo de incidencia solar θs El valor del aacutengulo de incidencia (θs) sobre la normal a una superficie plana estaacute dado por la siguiente foacutermulaθs
120579119904 = cosminus1(sin 119889 ∙ sin 119871 ∙ cos 119904 minus sin 119889 ∙ cos 119871 ∙ sin 119904 ∙ cos 119892 + cos 119889 cos 119871 ∙ cos 119904 ∙ cos 119908 +cos 119889 ∙ sin 119871 ∙ sin 119904 ∙ cos 119908 ∙ cos 119892 + cos 119892 ∙ sin 119904 ∙ sin 119892 ∙ sin 119908) (2)
Doacutende
d- Aacutengulo de declinacioacuten L- Latitud geograacutefica s- Inclinacioacuten del colector g- Orientacioacuten del colector w- Aacutengulo horario
212 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea (nuacutemero de horas en que el sol estaacute
sobre el horizonte)
119915 = 120784 ∙119934119930
120783120787 (3)
Doacutende
119830119826 = 119836119848119852minus120783(minus 119853119834119847 119923 ∙ 119853119834119847 119941) (4)
L-Latitud geograacutefica
d-Declinacioacuten
Se compararon los resultados de DNI por la metodologiacutea utilizada en este trabajo con la base de datos de la NASA (httpeosweblarcnasagovsse 2017)
Aun asiacute los lugares para desarrollar aplicaciones de energiacutea solar teacutermica por concentracioacuten deben cumplir con unos estaacutendares de acuerdo a la radiacioacuten solar perpendicular a la superficie incidente sobre un metro cuadrado para que sea eficiente dicha instalacioacuten lo cual se valora de la siguiente manera
Se tuvieron en cuenta los valores de radiacioacuten solar directa (kWm2diacutea) (GESIME 2014)
No idoacuteneos Hasta 1700 kWhmsup2antildeo (47 kWhmsup2diacutea)
Idoacuteneos Entre 1700 y 2700 kWhmsup2antildeo (47 y 74 kWhmsup2diacutea)
Oacuteptimos Maacutes de 2700 kWhmsup2antildeo (74 kWhmsup2diacutea)
28
213 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
El colector ciliacutendrico paraboacutelico que se propuso fue el (Eurotrough-150) cuyas caracteriacutesticas se observaran en la tabla4 y figura 11
Tabla 4 Caracteriacutesticas del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico Eurotrough-150 (ET-150)
Figura 11 Prototipo EUROTrough en la Plataforma Solar de Almeriacutea Espantildea
Para el caacutelculo del rendimiento global de un Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico hay que realizar un balance energeacutetico teniendo en cuenta las peacuterdidas que suceden en el mismo
Caracteriacutesticas um
Ancho de apertura 577 m
Longitud total de cada colector 150 m
Aacuterea de apertura del colector 8175 m2
Longitud focal 171 m
Longitud del absorbedor 41 m
Radio exterior del absorbedor 0035 m
Radio interior del absorbedor 00325 m
Distancia entre filas de colectores 17 m
Rendimiento Oacuteptico pico 78
Factor de ensuciamiento 95
Disponibilidad 97
29
214 Peacuterdidas geomeacutetricas
La geometriacutea del canal paraboacutelico lleva asociada una disminucioacuten del aacuterea efectiva de captacioacuten Estas peacuterdidas se dividen en dos grupos Peacuterdidas debidas a la posicioacuten relativa de los colectores los cuales se pueden dar sombra unos a otros Peacuterdidas inherentes a cada colector son las debidas al aacutengulo de incidencia de
la radiacioacuten solar (g) respecto a la normal del plano de apertura del colector (figura
12)
Figura 12 Aacutengulo de incidencia en un Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
Como consecuencia de este aacutengulo existe una peacuterdida de superficie reflexiva uacutetil en los extremos del colector Por tanto el aacutengulo de incidencia tiene gran importancia sobre el comportamiento teacutermico del colector puesto que limita la cantidad de radiacioacuten solar que se puede aprovechar Se hizo una comparacioacuten del aacutengulo de incidencia en cuanto a la orientacioacuten y el seguimiento solar del colector ciliacutendrico paraboacutelico
Si la orientacioacuten (g) es de Norte-Sur con seguimiento solar Este-Oeste g = 0ordm
Si la orientacioacuten (g) es de Este-Oeste con seguimiento solar Norte-Sur g = 90ordm
Declinacioacuten seguacuten foacutermula de Cooper (Ribot J 2001)
119889 = 2345 ∙ 119904119890119899 [360 ∙(284+119899)
365] (5)
Siendo ldquonrdquo el nuacutemero de diacutea natural para el 1 de enero n=1 y para el 31 de diciembre
n=365
El aacutengulo horario se calcula seguacuten la foacutermula
30
120591 = 15deg ∙ (ℎ119904 minus 12) (6)
Siendo ldquohsrdquo las horas de reloj El valor es negativo por la mantildeana y positivo tras el mediodiacutea y cero al mediodiacutea solar
Se consideroacute el aacutengulo horario 0ordm por ser el mediodiacutea solar donde maacutes radiacioacuten incide sobre la tierra con el objetivo de simplificar los caacutelculos
Se consideroacute el aacutengulo de inclinacioacuten igual a 0ordm (disposicioacuten horizontal) por ser maacutes eficiente
La latitud del lugar en estudio (UEB uml George Washington uml) Santo Domingo es de 22587ordm
Las peacuterdidas asociadas al aacutengulo de incidencia son miacutenimas cuando el aacutengulo es
0ordm cos 120579119904 = 1 y maacuteximas cuando es 90ordm Por tanto cuanto menor sea el aacutengulo de incidencia mayor es la energiacutea solar incidente sobre el colector y mayor es el rendimiento del mismo
215 Peacuterdidas oacutepticas
Caacutelculo del rendimiento oacuteptico pico del colector 120578119900119901119905119874119900 que es aquel que tiene en
cuenta todas las peacuterdidas oacutepticas que tienen lugar en el captador con un aacutengulo de incidencia de 0ordm 120578119900119901119905119874119900 = 120588 ∙ 120574 ∙ 120591 ∙ 120572 (7)
Donde
120588 Reflectancia no toda la energiacutea incidente es reflejada hacia el tubo absorbedor
120574 Factor de interceptacioacuten no toda la radiacioacuten reflejada por los espejos acaba incidiendo sobre el tubo absorbedor Las causas son diversas imperfecciones en los espejos un mal posicionamiento de los colectores etc
120591 Transmitancia de aquella radiacioacuten que intercepta el tubo de vidrio solo una parte consigue atravesarlo
α Absortancia cantidad de radiacioacuten que absorbe la superficie selectiva del tubo metaacutelico
Ademaacutes de las peacuterdidas debidas al aacutengulo de incidencia existen otras peacuterdidas que se asocian a dicho aacutengulo El efecto del aacutengulo de incidencia en el rendimiento del CCP se cuantifica mediante el modificador por aacutengulo de incidencia 119870(120579119904) Eacuteste considera todas las peacuterdidas oacutepticas y geomeacutetricas que tienen lugar en el captador
para un aacutengulo de incidencia 120579119904 ne 0ordm y que no se tienen en cuenta en el rendimiento oacuteptico pico
31
El modificador por el aacutengulo de incidencia depende directamente del aacutengulo de
incidencia siendo 119870(120579119904) = 1 para 120579119904 = 0deg y siendo 119870(120579119904) =0 para 120579119904 = 90deg y se
obtiene como funcioacuten de eacuteste seguacuten la expresioacuten
119870(120579119904) = 1 minus 223073 ∙ 10minus4 ∙ (120579119904) minus 11 ∙ 10minus4 ∙ (1205791199042) + 318596 ∙ 10minus6 ∙ (120579119904
3) minus 485509 ∙
10minus9 ∙ (1205791199044) (8)
216 Peacuterdidas teacutermicas
Las peacuterdidas teacutermicas que tiene lugar en un CCP dan como consecuencia que la energiacutea teacutermica uacutetil sea menor que la energiacutea solar absorbida por el colector Teniendo en cuenta esto la potencia teacutermica uacutetil por colector seraacute igual la diferencia entre los calores absorbido y perdido
119906119905119894119897 = 119886119887119904 minus 119901119890119903119889 (9)
Doacutende
119906119905119894119897 ∶ 119875119900119905119890119899119888119894119886 119905eacute119903119898119894119888119886 uacute119905119894119897 119901119900119903 119888119900119897119890119888119905119900119903 (119882)
119886119887119904 119862119886119897119900119903 119886119887119904119900119903119887119894119889119900 119901119900119903 119890119897 119891119897119906119894119889119900 119889119890 119905119903119886119899119904119891119890119903119890119899119888119894119886 119889119890 119888119886119897119900119903 (119867119879119865) (119882)
119901119890119903119889 119875eacute119903119889119894119889119886119904 119905eacute119903119898119894119888119886119904 119889119890119897 119867119879119865 119886119897 119886119898119887119894119890119899119905119890 (119882)
Peacuterdidas teacutermicas en el aceite teacutermico (HTF) Las peacuterdidas teacutermicas se producen a lo largo del circuito por donde se mueve el fluido teacutermico principalmente en dos lugares en el tubo absorbedor y en las tuberiacuteas del campo de colectores De manera que la potencia teacutermica disipada en el colector equivale a la suma de las peacuterdidas teacutermicas en el receptor y las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas por donde circula el fluido teacutermico (HTF)
119876119901119890119903119889 = 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 + 119875119890119903119889119905119906119887119890119903 (10)
Las peacuterdidas teacutermicas asociadas al tubo absorbedor 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 se deben a la diferencia de temperaturas entre eacuteste y el ambiente pudiendo ser por conduccioacuten por radiacioacuten y por conveccioacuten desde el tubo absobedor al ambiente Aunque cada una de estas peacuterdidas podriacutea calcularse aplicando las ecuaciones que rigen los mecanismos de transferencia de calor antes mencionados en la praacutectica las peacuterdidas teacutermicas globales en un colector se cuantifican mediante ecuaciones experimentales Asiacute las peacuterdidas teacutermicas en el tubo absorbedor por metro longitudinal de colector vienen dadas por la ecuacioacuten
119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 =1198751198901199031198891+1198751198901199031198892+1198751198901199031198893+1198751198901199031198894
119879119904minus119879119890 (11)
32
Doacutende
1198751198901199031198891 = (1198600 + 1198605 ∙ radic119907) ∙ (119879119904 minus 119879119890) (12)
1198751198901199031198892 = (1198601 + 1198606 ∙ radic119907) ∙ (119879119904
2minus1198791198902
2minus 119879119886119898119887 ∙ (119879119904 minus 119879119890)) (13)
1198751198901199031198893 = (1198602+1198604∙119863119873119868∙119870(120579119904)∙cos(120579119904)
3∙ (119879119904
3 minus 1198791198903)) (14)
1198751198901199031198894 =1198603
4∙ (119879119904
4 minus 1198791198904) (15)
Siendo
119879119904 Temperatura del HTF a la salida del campo solar
119879119890 Temperaturas del HTF a la entrada del campo solar
119879119886119898119887 Temperatura ambiente
119907 Velocidad del viento (ms)
Los coeficientes empleados en las foacutermulas se recogen en la tabla 5
Tabla 5 Coeficientes de peacuterdidas teacutermicas
A0 405
A1 0247
A2 -000146
A3 565E-06
A4 762E-08
A5 -17
A6 00125
En general las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas (119875119890119903119889119905119906119887119890119903 ) del campo de colectores son pequentildeas del orden de 8 Wm2 Finalmente la potencia teacutermica disipada por el aceite teacutermico a su paso por un colector es
33
119901119890119903119889 = 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 ∙ 119871119888119900119897119890119888119905119900119903 + 119875119890119903119889119905119906119887119890119903 ∙ 119878119888 (16)
Doacutende
119878119888 Aacuterea de apertura del colector (Ver tabla 1)
Un colector como todos los sistemas de concentracioacuten de la energiacutea solar solo puede aprovechar la radiacioacuten solar que incide normal a su plano de apertura De esta forma la energiacutea solar por unidad de tiempo y en el punto de disentildeo que incide sobre la superficie de apertura de un CCP viene dada por la ecuacioacuten
119904119900119897 = 119863119873119868 ∙ cos(120579119904) ∙ 119878119888 (17)
La potencia absorbida por el colector 119886119887119904 va a ser menor que la 119904119900119897 ya que eacutesta uacuteltima no tiene en cuenta las peacuterdidas oacutepticas y geomeacutetricas en el colector ni la limpieza de los espejos ni la disponibilidad del campo solar La radiacioacuten solar absorbida en un colector CCP viene dada por la ecuacioacuten
119886119887119904 = 119863119873119868 ∙ cos(120579119904) ∙ 119878119888 ∙ 119870 ∙ (120579119904) ∙ Ƞ1199001199011199050ordm ∙ 119865119888 ∙ 119865119889119894119904119901 (18)
Siendo
119865119888 Factor de ensuciamiento de los espejos (95 )Tiene en cuenta que aunque los espejos se limpien no recuperan su estado inicial 119865119889119894119904119901 Factor de disponibilidad (97 ) Fraccioacuten del campo solar que estaacute en
operacioacuten y captando la energiacutea solar El rendimiento global de un CCP viene dado por el cociente entre el aumento de entalpia en el HTF a su paso por el colector y la energiacutea solar incidente sobre el captador
Ƞ119888119900119897119890119888 =119876119906119905119894119897
119876119904119900119897 (19)
22 Dimensionamiento del campo solar de la zona de la UEB uml George
Washington uml
El dimensionamiento del campo solar consiste en determinar el nuacutemero de CCPs (o nuacutemero de lazos) necesarios para aportar la energiacutea que demanda este en el punto de disentildeo (Hidalgo 2012)
Para dimensionar el campo solar es necesario evaluar las condiciones del terreno
donde se va a realizar el montaje de los colectores y hacer un balance energeacutetico
del generador de vapor solar
34
221 Caracterizacioacuten del terrero
Se tuvo en cuenta el relieve y el tamantildeo del terreno cercano al central lo que resulto favorable para abaratar la inversioacuten en cuanto a movimientos de tierra y compra de terrenos Los recursos hiacutedricos ya tienen una infraestructura creada puesto que son necesarios para el proceso que realiza la faacutebrica actualmente Esto se basa en posos que bombean el agua hasta los filtros donde se realiza el tratamiento externo al agua y van luego al proceso todo este sistema ya se encuentra instalado y en buenas condiciones lo que resulta de gran ayuda para el proyecto futuro de Bioeleacutectrica
222 Balance energeacutetico en el generador de vapor solar (GVS)
Para calcular el nuacutemero de lazos necesarios en el campo solar es preciso conocer primero la potencia teacutermica que puede aportar el campo solar en el punto de disentildeo esto se determina mediante la foacutermula
119888119886119898119901119900 =119882119890119897119890119888119905
120578119905119906119903119887 (20)
Doacutende
119888119886119898119901119900 Potencia teacutermica del campo solar
119882119890119897119890119888119905 Potencia eleacutectrica de la turbina
120578119905119906119903119887 Eficiencia termo-mecaacutenica de la turbina (Se asumioacute de 68)
Seguidamente hay que establecer el balance de masas y energiacutea en el Generador de vapor solar (GVS) El GVS se disentildea para recuperar la energiacutea del fluido teacutermico procedente del campo solar Para el intercambiador de calor (GVS) se cumple que la cantidad de calor transferido por unidad de tiempo permanece constante o lo que es lo mismo la energiacutea total es la misma antes y despueacutes de cada transformacioacuten El balance energeacutetico en un intercambiador de calor se resuelve mediante la ecuacioacuten
119886119892119906119886 ∙ ∆119867119886119892119906119886 = 119886119888119890119894119905119890 ∙ ∆119867119886119888119890119894119905119890 (21)
Ademaacutes para cada fluido de forma individual se cumple que
= 119886119888119890119894119905119890 ∙ 119862119901119886119888119890119894119905119890∙ ∆119879 = 119898119886119888119890119894119905119890 ∙ (ℎ119904 minus ℎ119890) (22)
Doacutende
∆H Diferencia de entalpiacuteas a la entrada y a la salida del intercambiador (kJkg)
Q Potencia teacutermica intercambiada (kW)
35
m Caudal maacutesico (kgs) Cp Calor especiacutefico (kJkg ordmC)
∆T Diferencia de temperaturas a la entrada y la salida del intercambiador (ordmC) hs he Entalpiacuteas a la entrada y a la salida respectivamente (kJKg) Y seguacuten el teorema de conservacioacuten de la masa se tiene que
119890119899119905119903119886 = 119904119886119897119890
223 Caacutelculo del nuacutemero de lazos
Los caacutelculos que se han desarrollado en los acaacutepites anteriores constituyen los datos de partida para el caacutelculo del nuacutemero de colectores requeridos en el campo solar para poder alcanzar la potencia teacutermica demandada al campo solar
Caracteriacutesticas del aceite teacutermico (HTF)
El aceite teacutermico que se ha empleado como fluido calo-portador es Therminol VP-1 cuyo rango de temperatura de trabajo se encuentra entre 12-400ordmC La temperatura a la salida del campo solar no debe excederse de los 400ordmC ya que para temperaturas superiores el aceite se degrada y pierde sus propiedades teacutermicas A continuacioacuten se presentan las graacuteficas correspondientes a variacioacuten de densidad y entalpiacutea del aceite teacutermico Therminol VP-1 con la temperatura figuras 13 y 14 respectivamente y que han sido elaboradas a partir de datos del fabricante
Figura 13 Therminol VP-1 Entalpiacutea vs Temperatura
36
Figura 14 Therminol VP-1 Densidad vs Temperatura(Hidalgo 2012)
Para determinar el nuacutemero de lazos necesarios en el campo solar se ha seguido la siguiente metodologiacutea de caacutelculo
Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF
Incremento de temperatura del HTF en un colector
Nuacutemero de colectores necesarios por lazo Nuacutemero de lazos en el campo solar
224 Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF por cada lazo
El caudal de aceite estaacute controlado por la temperatura de salida del campo Cuando la radiacioacuten solar es baja el flujo se reduce con el objetivo de mantener la temperatura de salida del campo y por el contrario cuando la radiacioacuten solar es superior a la del punto de disentildeo los colectores se desenfocan para evitar que el aceite exceda los 393ordmC La velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor se calcula a partir de la expresioacuten del nuacutemero de Reynolds
119877119890 =119907∙119863∙120588
120583 (23)
Doacutende
119907 Velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor (ms) (Se asumioacute una
velocidad de 3 ms la cual es una velocidad econoacutemica)
119877119890 Nuacutemero de Reynolds (-)
120583 Viscosidad dinaacutemica del HTF a la temperatura media de trabajo (Pas)
119863 Diaacutemetro interior del tubo absorbedor (m)
120588 Densidad del HTF a la temperatura media de trabajo (kgm3)
37
Para cumplir con los requisitos de flujo turbulento el caudal miacutenimo de aceite que circula por un lazo en el punto de disentildeo es
= 119907 ∙ 119878 ∙ 120588 (24)
Siendo S en m2 la seccioacuten transversal interior del tubo absorbedor
225 Incremento de temperatura del HTF en un colector
La potencia teacutermica uacutetil del colector se invierte en aumentar la temperatura del aceite De esta forma el incremento de temperatura que sufre el aceite teacutermico a su paso por un colector es decir desde que entra en el colector y hasta que sale del mismo es
∆119879119888119900119897119890119888 = 119879119904 minus 119879119888 =uacute119905119894119897
∙119862119901 (25)
∆119879119888119900119897119890119888 Incremento de temperatura del aceite teacutermico en el colector (ordmC)
119879119888 119879119904 Temperatura del HTF a la entrada y a la salida del colector respectivamente
(ordmC)
119906119905119894119897 Potencia teacutermica uacutetil por colector (W)
Caudal maacutesico de aceite teacutermico por colector (kgs)
119862119901 Calor especiacutefico del aceite teacutermico a la temperatura media de trabajo (kJkg ordmC)
226 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
El incremento total de temperatura del HTF por lazo ΔT lazo es igual a la diferencia entre las temperaturas a la salida y a la entrada del campo solar Por tanto el nuacutemero teoacuterico de colectores en serie por lazo seraacute igual a
119873119888119900119897119890119888 =∆119879119897119886119911119900
∆119879119888119900119897119890119888 (26)
119873119888119900119897119890119888 Nuacutemero teoacuterico de colectores por lazo
∆119879119897119886119911119900 Incremento de temperatura por lazo (ordmC)
Esto implica el salto teacutermico y caudal maacutesico por lazo que es necesario tener el aceite para asiacute poder alcanzar la temperatura de entrada del agua en el economizador
227 Nuacutemero de lazos en el campo solar
A diferencia del nuacutemero de colectores que viene fijado por el salto de temperatura del aceite teacutermico en el campo el nuacutemero de lazos paralelos que conforman el campo solar depende de la potencia teacutermica demanda por el campo El nuacutemero de lazos es igual al cociente entre la potencia teacutermica del campo solar y la potencia teacutermica uacutetil por colector
38
119925119949119938119963119952 =119940119938119950119953119952
uacute119957119946119949 119935119949119938119963119952 (27)
Doacutende
119925119949119938119963119952 Nuacutemero de lazos
119940119938119950119953119952 Potencia teacutermica del campo solar (kW)
uacute119957119946119949 Potencia teacutermica uacutetil por lazo (kW)
23 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un
antildeo)
Para el caacutelculo de las toneladas de CO2 dejadas de emitir se utilizaraacute el iacutendice de
generacioacuten de una planta convencional de combustible foacutesil que para Cuba es de
270 gkWh Con este iacutendice y el aumento de la produccioacuten de energiacutea eleacutectrica con
la incorporacioacuten del campo solar se calcularaacute el ahorro de combustible foacutesil y a este
valor de combustible sustituido y el uso de los factores de emisioacuten de CO2 mostrados
en la siguiente (tabla 6) se podraacute determinar cuaacutentas toneladas de CO2 es capaz de
evitar la instalacioacuten del campo solar
Tabla 6 Factores de emisioacuten de especies especificadas
Tecnologiacutea CO (gkgf) SO2 (gkgf) NO2eq (gkgf) PM10
(gkgf)
CO2
(kgkgf)
CIE-HFO 24 27 128 528 306
CIE-DO 12 4 84 195 313
Fuente (EPA 2004)
24 Factibilidad econoacutemica del proyecto
Para el caacutelculo de la rentabilidad econoacutemica se optimizoacute la dimensioacuten del campo solar que fuera maacutes rentable para este trabajo donde se tuvo en cuenta el nuacutemero de lazos necesarios del campo y la tasa interna de retorno
241 Valor actual neto (VAN)
El VAN permite calcular el valor presente de un determinado nuacutemero de flujos de caja futuros originados por una inversioacuten teniendo en cuenta la peacuterdida de valor del dinero en el tiempo a traveacutes de una tasa de descuento (Martiacutenez 2017) y se calcula mediante la siguiente ecuacioacuten
39
(28)
Donde
119868119900 Costo inicial de la inversioacuten FC Flujo de caja n El tiempo para el cual se requiere calcular el VAN i La tasa de descuento Meacutetodo de caacutelculo mediante el Excel Para calcular el VAN es necesario conocer el flujo de caja teniendo en cuenta los ingresos y los gastos Ingresos El ingreso es debido a la venta de energiacutea eleacutectrica a la red para ello se utilizoacute un precio de 021 (USDkWh) Ingresos por ventas
119868119899119892119903119890119904119900=119875119903119890119888119894119900 (119880119878119863119896119882ℎ)lowast119864119899119890119903119892iacute119886 (29) Gastos Costo fijo de operacioacuten y mantenimiento Se calcula primero la inversioacuten total mediante la ecuacioacuten siguiente
119894119899119907119890119903119904119894oacute119899 119905119900119905119886119897=119862119900119904119905119900 119906119899119894119905119886119903119894119900 119889119890 119894119899119907119890119903119904119894oacuten (119880119878119863119896119882119890)lowast119875119900119905119890119899119888119894119886 (kWe) (30) Entonces se calcula el costo fijo de operacioacuten y mantenimiento
119862119891=119894119899119907119890119903119904119894oacute119899 119905119900119905119886119897lowast02 (31) Donde
119862119891 Costo fijo de operacioacuten y mantenimiento
Costo variable de operacioacuten y mantenimiento
119862119907=119864119899119903119892iacute119886 (119896119882ℎ)lowast002(119880119878119863119896119882ℎ) (32)
Donde
119862119907 Es el costo variable de operacioacuten y mantenimiento A continuacioacuten se calcula la utilidad antes de impuesto que es la diferencia entre los ingresos y los costos de operacioacuten fijo y variable 119880119879119860=119894119899119892119903119890119904119900minus(119862119891+119862119907) (33)
Donde
119880119879119860 Es la utilidad antes de impuesto o neta Entonces el impuesto en Cuba es del 35 de la utilidad neta
40
119868119898119901119906119890119904119905119900=035lowast(119880119878119863) (34)
El flujo de caja quedariacutea como
119865119888=119880119879119860 (119880119878119863)minus119868119898119901119906119890119904119905119900 (119880119878119863) (35)
Teniendo el flujo de caja se puede calcular el VAN aplicando la tasa de descuento
del 10
Si VAN gt 0 El proyecto es rentable
Si VAN = 0 El proyecto es postergado
Si VAN lt 0 El proyecto no es rentable
242 Tasa interna de retorno (TIR)
Se define como la tasa de descuento que iguala el VAN a cero
Si TIR gt tasa de descuento (r) El proyecto es aceptable
Si TIR = tasa de descuento (r) El proyecto es postergado
Si TIR lt tasa de descuento (r) El proyecto no es aceptable La TIR es aquella tasa de descuento que iguala el valor actual de la corriente de cobros con el valor actual de la corriente de pagos por lo que es la tasa de descuento que hace al VAN igual a cero y puede utilizarse como indicador de la rentabilidad de un proyecto se utiliza como uno de los criterios para decidir sobre la aceptacioacuten o rechazo de un proyecto de inversioacuten (Martiacutenez 2017) y se puede expresar de la siguiente forma
(36) Para simplificacioacuten de los caacutelculos se utilizoacute el software Microsoft Excel que de forma iterativa busca este valor se utilizoacute la estimacioacuten de los flujos de caja para 25 antildeos al igual que para el caacutelculo del VAN
243 Periacuteodo de recuperacioacuten de la inversioacuten
El periacuteodo de recuperacioacuten se cumple cuando la suma de los flujos de caja consecutivos desde el primer antildeo da como resultado el valor de la inversioacuten pero teniendo en cuenta el efecto del tiempo sobre el dinero Calculado de esta manera se conoce como periacuteodo de recuperacioacuten de la inversioacuten descontado Para obtenerlo se hallaron todos los flujos de caja para 25 antildeos consecutivos que es el tiempo de estudio del proyecto entonces se le restoacute el descuento correspondiente a cada antildeo y se graficoacute el resultado quedando como una curva
41
Conclusiones parciales
En este capiacutetulo se realizoacute un estudio de la metodologiacutea de caacutelculo para la
realizacioacuten del dimensionamiento del campo solar para la tecnologiacutea de colectores
cilindro paraboacutelico para esto se escogioacute la metodologiacutea planteada por (Hidalgo
2012) Siendo fundamental el estudio de la radiacioacuten solar de la zona en que estaacute
situada la instalacioacuten Tambieacuten se tuvo en cuenta el acceso a los recursos hiacutedricos
y la cercaniacutea a la red eleacutectrica nacional lo cual no tuvo ninguna dificultad puesto
que donde se pretende ubicar el campo ya existe una instalacioacuten con todas estas
necesidades cubiertas que es el central al cual se pretende convertir en
bioeleacutectrica Luego de estos anaacutelisis y una vez dimensionado el campo solar se
realizoacute el caacutelculo de la rentabilidad econoacutemica seguacuten lo planteado por (Martiacutenez
2017) planteaacutendose como principales indicadores econoacutemicos el costo nivelado de
la energiacutea generada costo de inversioacuten VAN y TIR El impacto ambiental se tuvo
en cuenta mediante el caacutelculo de las emisiones de CO2 dejadas de emitir si la
energiacutea generada con el excedente de bagazo ahorrado por la insercioacuten del campo
hubiera sido generada por una planta teacutermica convencional
42
Capiacutetulo 3 Resultados y Discusioacuten
En este capiacutetulo se exponen los resultados de los caacutelculos efectuados y a la vez se
interpreta el porqueacute de estos asiacute como la discusioacuten de las bibliografiacuteas consultadas
31 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB umlGeorge Washington uml
311 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa
Para el caacutelculo de la radiacioacuten solar directa (DNI) primeramente se halloacute el aacutengulo
de declinacioacuten de cada mes Dicho aacutengulo se anuloacute para el 22 de Marzo y el 23 de
Septiembre puesto que ocurren los equinoccios momento del antildeo en que el sol estaacute
situado en el plano del ecuador terrestre y alcanzoacute el valor maacuteximo positivo el 22 de
Junio y el valor maacuteximo negativo el 22 de diciembre diacuteas en que ocurren los
solsticios que son los momentos del antildeo en los que el sol alcanza su mayor o menor
altura aparente en el cielo y la duracioacuten del diacutea o de la noche son las maacuteximas del
antildeo respectivamente (figura 15)
Figura 15 Aacutengulo de declinacioacuten para los diferentes meses del antildeo
Los valores de DNI que inciden en la zona de la UEB umlGeorge Washingtonuml se
mantuvieron como promedio por encima de 10 kWhm2diacutea seguacuten la metodologiacutea
de caacutelculo empleada siendo oacuteptimos para la instalacioacuten de este tipo de tecnologiacutea
Esto pudiera ser debido a que por la metodologiacutea de caacutelculo solo se tuvo en cuenta
la latitud geograacutefica y el diacutea del antildeo en que se analizoacute dicha radiacioacuten por esta
razoacuten se observoacute que sus valores fueron mayores que los valores de radiacioacuten solar
-30
-20
-10
0
10
20
30
Gra
dos s
exagesim
ale
s
Aacutengulo de declinacioacuten
43
directa que aporta la base de datos de la NASA (httpeosweblarcnasagovsse
2017) como promedio 506 kWhm2diacutea y los aportados por el Instituto de
Meteorologiacutea cubano para esta zona (como promedio 582 kWhm2diacutea) idoacuteneo para
este tipo de tecnologiacutea de los datos de radiacioacuten analizados se utilizoacute para los
caacutelculos siguientes de dimensionamiento del campo los aportados por el instituto de
meteorologiacutea cubano por ser los maacutes especiacuteficos y detallados de todas las fuentes
consultadas Algunos meses como noviembre y diciembre no alcanzan el valor
idoacuteneo de 47 kWhm2-diacutea sin embargo (La Rosa 2014) planteoacute que Cuba se
localiza en una zona geograacutefica de alta radiacioacuten solar y que se caracteriza por la
gran cantidad de diacuteas soleados en el antildeo
Figura 16 Comparacioacuten entre el DNI calculado por la metodologiacutea el aportado por la NASA
y el obtenido por el Instituto de Meteorologiacutea cubano
En cada metro cuadrado del territorio cubano se recibe diariamente una cantidad de
energiacutea solar equivalente a medio kilogramo de petroacuteleo combustible valor
promedio praacutecticamente invariable durante todo el antildeo Otra de las caracteriacutesticas
de la radiacioacuten solar en Cuba es que su valor es casi igual en todo el paiacutes ya que
la diferencia en latitud desde el lugar maacutes bajo hasta el maacutes alto es de soacutelo 3 grados
Por lo tanto la radiacioacuten solar en Cuba es utilizable en todo el territorio y durante
todo el antildeo con un valor medio de maacutes de 5 kWhm2diacutea tanto en su forma de
bioenergiacutea o biomasa energiacutea hidraacuteulica energiacutea eoacutelica o directamente convertida
en calor o electricidad (Beacuterriz 2000)
0
2
4
6
8
10
12
14
DN
I (k
Whm
2-d
iacutea)
meses
Radiacioacuten solar
Calculado NASA Meteorologiacutea cubana
44
312 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea
Luego de haber calculado la semiduracioacuten diurna en grados sexagesimales (WS)
para cada diacutea del antildeo en la zona de la UEB umlGeorge Washingtonuml se calcularon las
horas de luz solar durante el diacutea lo cual se muestra promediado en la tabla 7 donde
se ve que esta es mayor que 10 horas asiacute como tambieacuten se observa que son maacutes
largos los diacuteas en los meses de verano (Abril-Agosto)
Tabla 7 promedio de horas de sol al diacutea por meses del antildeo
32 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
Se realizoacute el balance energeacutetico del CCP teniendo en cuenta las peacuterdidas que
sucedieron en el mismo debido a su fabricacioacuten y a su posicioacuten
321 Peacuterdidas geomeacutetricas
Peacuterdidas debidas a la posicioacuten relativa de los colectores
En este trabajo no se tuvo en cuenta las peacuterdidas por sombras ya que se asumioacute
que la construccioacuten de estos colectores iba a estar lo suficientemente separados
para que no se pudieran dar sombra unos a otros
Peacuterdidas inherentes a cada colector
Se comparoacute el aacutengulo de incidencia en cuanto a la orientacioacuten y el seguimiento solar
del colector ciliacutendrico paraboacutelico Se seleccionoacute la orientacioacuten N-S con seguimiento
solar E-O por lo que se seleccionoacute para el caacutelculo del resto de las variables (g = 0)
Para la inclinacioacuten del colector se tomoacute con eje horizontal (s = 0) Se consideroacute el
aacutengulo horario 0ordm por ser el mediodiacutea solar donde maacutes radiacioacuten incide sobre la
tierra con el objetivo de simplificar los caacutelculos
Con los datos calculados anteriormente se halloacute el aacutengulo de incidencia (figura 17)
En este caso se observa que a diferencia de la radiacioacuten solar directa el aacutengulo de
incidencia es menor para los meses de verano reafirmando que a menor aacutengulo de
incidencia mayor la radiacioacuten que va a captar el colector
enero febrero marzo abril mayo junio julio agosto septiembre octubre noviembre diciembre
108 112 119 125 131 134 132 127 121 114 109 106
45
Figura 17 Aacutengulo de incidencia por meses para una orientacioacuten N-S con seguimiento solar
E-O
322 Peacuterdidas oacutepticas
Las caracteriacutesticas oacutepticas del colector ET-150 se reflejaron en la tabla 8 y con estas
se calculoacute el rendimiento oacuteptico
Tabla 8 Caacutelculo del rendimiento oacuteptico
Rendimiento oacuteptico
ntilde Reflectividad superficie reflectora 090
ocirc Transmisividad del cristal absorbedor 095
aacute Absortividad del tubo del absorbedor 096
ɣ Factor de interceptacioacuten 095
Ƞopt0ordm= 078
Cuanto mayor es el valor del rendimiento oacuteptico mayor seraacute el rendimiento del
captador Asiacute cuanto mayor sea el valor de las variables que lo definen mejor seraacute
el rendimiento de los captadores (Rojas 2013)
Ademaacutes de las peacuterdidas debidas al aacutengulo de incidencia existen otras peacuterdidas que
se asocian a dicho aacutengulo El efecto del aacutengulo de incidencia en el rendimiento del
CCP se cuantifica mediante el modificador por aacutengulo de incidencia 119870(120579119904)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Gra
do
s se
xage
sim
ale
s
Aacutengulo de incidencia
46
323 Peacuterdidas teacutermicas
Se calculoacute la potencia teacutermica uacutetil la potencia teacutermica absorbida y la potencia
teacutermica perdida La energiacutea teacutermica uacutetil fue menor que la energiacutea teacutermica absorbida
Esto es debido a las peacuterdidas teacutermicas que se presentan en este tipo de tecnologiacutea
Durante los meses de verano existioacute un descenso de las diferentes potencias
calculadas a causa de las condiciones de nubosidad (lluvia) para esta eacutepoca del
antildeo (figura 18) Para los meses de invierno las potencias decrecieron debido a la
disminucioacuten de la radiacioacuten solar tiacutepico en esta eacutepoca del antildeo
Figura 18 Energiacutea solar por unidad de tiempo radiacioacuten solar absorbida en un colector
peacuterdidas teacutermicas y potencia teacutermica uacutetil para todos los meses del antildeo
Estas peacuterdidas teacutermicas influyeron negativamente en el rendimiento global del
colector CCP ET-150 que tuvo un valor aproximado al 70 Para los meses de
verano hubo un mayor rendimiento aunque este se vio afectado por la nubosidad
El funcionamiento teacutermico de cualquier captador solar estaacute determinado por el
llamado rendimiento global definido como la relacioacuten entre la potencia teacutermica que
es capaz de proporcionar o potencia teacutermica uacutetil y la potencia procedente del Sol
que se tome como referencia No toda la potencia solar puede ser absorbida por el
receptor Existen una serie de peacuterdidas de energiacutea debidas tanto a la geometriacutea y
oacuteptica del captador como a las propiedades de los materiales del propio receptor
que hay que tener en cuenta (Rojas 2013)
16
161
162
163
164
165
166
167
168
169
17
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Qp
er(
kW
h)
Qso
lu
til(
kW
h)
meses
Peacuterdidas teacutermicas
Qsol Qutil Qperd
47
33 Dimensionamiento del campo solar
331 Caracterizacioacuten del terrero
El terreno del central George Washington es llano desprovisto de grandes
obstaacuteculos que puedan crear dificultades en la construccioacuten del campo y crear
sombras que entorpezcan la radiacioacuten del sol en los espejos reflectores Estaacute
cercano a la carretera y consta con posos que facilita el acceso a los recursos
hiacutedricos en el emplazamiento Estaacute solucionado el problema de la conectividad a la
red eleacutectrica nacional puesto que el central ya contaba con esta infraestructura Por
lo tanto posee las condiciones idoacuteneas para la instalacioacuten de un campo solar
332 Balance energeacutetico en el intercambiador de calor
A partir de la temperatura que se quiere elevar el agua de alimentacioacuten de la caldera
(260 oC) y el flujo de esta (255 kgs) se determina una cantidad de energiacutea teacutermica
que debe suministrar el campo para suplir esta demanda Dicha energiacutea teacutermica se
logra a traveacutes de la radiacioacuten solar captada por los colectores la cual es transferida
en forma de calor a un fluido portador en este caso aceite HTF Este necesita un
determinado flujo para absorber toda esa energiacutea y luego transferirla al agua Los
caudales necesarios para la captacioacuten de este calor se encuentran en la (tabla 9)
Tabla 9 Paraacutemetros termodinaacutemicos en el intercambiador de calor
Datos Agua de
alimentacioacuten Aceite teacutermico
Caudal(kgs) 255 462
Temperatura(ordmC) 166 300
Presioacuten (bar) 67 25
Entalpiacutea (kJkg) 6974 490
Con estos datos se concluye que para calentar un flujo de agua de 255 kgs (a
temperatura de 166ordmC y presioacuten de 67 bar) hasta alcanzar una temperatura de
260ordmC se necesita un flujo de energiacutea teacutermica de 106225 kW lo cual es
proporcionada por 462 kgs de aceite teacutermico proveniente del campo solar que estaacute
a una temperatura de 300ordmC y presioacuten de 25 bar
48
333 Caacutelculo del nuacutemero de lazos
3331 Caacutelculo del caudal miacutenimo de circulacioacuten del fluido de transferencia de
calor (HTF) por cada lazo
Para que exista un flujo turbulento por el interior del tubo absorbedor a una velocidad
del fluido econoacutemica de 3 ms el caudal miacutenimo de circulacioacuten debe ser de 86 kgs
(tabla 10)
Tabla 10 Caudal miacutenimo de circulacioacuten del fluido de transferencia de calor (HTF) por
cada lazo
Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF por cada lazo 86 kgs
Nuacutemero de Reynolds 874E+5
Velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor 3 ms
Viscosidad dinaacutemica del HTF a la temperatura media de
trabajo 194E-04 kgmmiddots
Densidad del HTF a la temperatura media de trabajo 870 Kgm3
3332 Incremento de la temperatura del HTF en un colector
Para calentar el flujo de aceite de 200 a 300ordmC lo cual equivale a un salto teacutermico
por lazo de 100ordmC es necesario 4 colectores por lazo Por tanto el salto de
temperatura promedio del HTF a su paso por un colector es aproximadamente de
283ordmC (tabla 11)
Tabla 11 Salto de temperatura promedio del HTF a su paso por un colector
meses ∆119931119949119938119963119952() ∆119827119836119848119845119838119836() 119821119845119834119859119848119852
Enero 100 248 40
Febrero 100 263 38
Marzo 100 301 33
Abril 100 343 29
Mayo 100 333 30
Junio 100 318 31
Julio 100 325 31
Agosto 100 330 30
Septiembre 100 286 35
Octubre 100 262 38
Noviembre 100 202 50
Diciembre 100 186 54
49
3333 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
El nuacutemero de colectores necesarios por lazo para cada mes se refleja en la (tabla
12) Con este resultado se concluye que la cantidad de colectores totales que debe
tener cada lazo del campo solar es aproximadamente de 4
Tabla 12 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo para cada mes del antildeo
Meses Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
Enero 40
Febrero 38
Marzo 33
Abril 29
Mayo 30
Junio 31
Julio 31
Agosto 30
Septiembre 35
Octubre 38
Noviembre 50
Diciembre 54
3334 Nuacutemero de lazos en el campo solar
Al ser la potencia teacutermica del campo solar 106225 kW y ser la potencia teacutermica uacutetil
promedio por lazo aproximadamente de 26556 kW el nuacutemero de lazos necesarios
por campo solar debe ser aproximadamente de 4
Para generar 106 MW teacutermico con una radiacioacuten promedio de 5355 Wm2 para todo
un antildeo la dimensioacuten del campo solar debe ser de 44448 m2 Esto se logra con un
total de 4 lazos con 4 colectores cada uno
334 Caacutelculo del ahorro de bagazo propiciado por el campo
Una de las ideas fundamentales de este proyecto es el ahorro de bagazo para su
uso fuera de temporada y asiacute no parar la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica por la
ausencia de combustible Para esto se halloacute el iacutendice de generacioacuten con el campo
(tabla 13) quedando un ahorro de maacutes de 25 mil toneladas de bagazo Pudiendo
dar un margen de 30 diacuteas maacutes de generacioacuten de electricidad lo que equivale a maacutes
de 14 mil MWe
50
Tabla 13 Generacioacuten en el periacuteodo de zafra y ahorro de bagazo propiciados por el campo
solar
Generacioacuten eleacutectrica total 111063 MWh
Iacutendice de generacioacuten sin campo 500 kWhtb
Iacutendice de generacioacuten con campo 575 kWhtb
Ahorro de bagazo 251586 TonZafra
Porciento de bagazo ahorrado 14
Generacioacuten con el excedente de Bagazo 14463 MWh
Seguacuten los datos de la tabla 13 y suponiendo que la zafra sea de 120 diacuteas sin contar
las paradas este resultado extenderiacutea la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica a 232 diacuteas
aproximadamente maacutes de la mitad del antildeo y solo se necesitariacutea para los restantes
133 diacuteas del antildeo abastecerse por medio de otra fuente como pudiera ser bagazo
aportado por centrales cercanos que funcionaran como tributarios o utilizar otro
combustible complementario como los residuos agriacutecolas cantildeero lentildea o carboacuten de
marabuacute
34 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un
antildeo)
Para el caacutelculo se halloacute el ahorro de combustible foacutesil con la incorporacioacuten del campo
solar De la (tabla 14) mostrada en el capiacutetulo anterior se tomoacute el valor para las
emisiones de CO2 que fue de 306 kgkgf lo que reflejoacute los siguientes resultados
Tabla 14 Ahorro de combustible y emisiones de CO2 dejadas de emitir propiciado por el campo
Iacutendice de generacioacuten de una planta
teacutermica convencional en Cuba 270 gkWh
Ahorro de combustible Foacutesil 3888 TCC
CO2 dejado de emitir 11897 Ton
35 Factibilidad econoacutemica del proyecto
Para los caacutelculos de factibilidad econoacutemica en este proyecto se ha tomado los
siguientes valores (tabla 15)
51
Tabla 15 Valores necesarios para el caacutelculo de la factibilidad econoacutemica
Precio de la electricidad 021 $kWh
Impuestos 30
Tasa de descuento 10
Vida uacutetil 25 antildeos
Tambieacuten se tuvieron en cuenta los costos de inversioacuten del campo solar (tabla 16)
Tabla 16 Costos de Inversioacuten del campo solar Fuente (IDEA 2013)
Captacioacuten y concentracioacuten de
energiacutea solar
Campo solar(CCP)
espejos 35 Eur m2
apertura
130800 m2
457800
euros
estructuras
metaacutelicas
72 Eur m2
apertura
13080
m2
941760
euros
sistemas de
posicionamiento
6600 Eurunid
16
unidades
108585
euros
movimiento de
tierras
21 Eur m2
apertura
13080
m2 27468000 euros
cimentacioacuten 37 Eur m2
apertura
13080
m2 48396000 euros
montaje 43 Eur m2
apertura
13080
m2 56244000 euros
nave de montaje 545 Eur m2
apertura
13080
m2 7128600 euros
costo total
2900511
euros
Sistema de conversioacuten solar teacutermico
aceite teacutermico 283 Eurkg
100
Kg 283 euros
tubos
absorbedores
892 Eurtubo
16
tubos
14675
euros
juntas rotativas 190 Eur unid 33 unidades 625187 euros
tuverias valvulas y
accesorios
13400 Eurlazo 4 lazos 4915834 euros
sistTrasiego
aceites
87000 Eurlazo 4 lazos 31916236 euros
sistPurificacioacuten
de aceite
380000 Eur unid 1 unidades 380000 euros
ProteccContra
incendios
11400 Eurlazo 1 lazos 11400 euros
sistInertizacioacuten 5900 Eurlazo 1 lazos 5900 euros
52
Intercambiador
aceite-vapor
240 EurkW 10623 kWe 2549400 euros
calderas GV 53 EurkWt - 0 euros
costo total 33362310 euros
TOTAL DEL COSTO DE INVERSIOacuteN
9137253
euros
9959606
doacutelares
Tabla 17 Costos de operacioacuten y mantenimiento (OampM) del campo solar en millones de
euros (MEUR MWantildeo) Fuente (IDEA 2013)
Personal 001 MEUR MWantildeo
Mantenimiento 004 MEUR MWantildeo
Otros 002 MEUR MWantildeo
total 007 MEUR MWantildeo
Tabla 18 Costos de operacioacuten y mantenimiento (OampM) del campo solar en MEUR Fuente
(IDEA 2013)
Potencia del
campo solar
11 MW
Personal 011
Mantenimiento 042
Otros 021
total 074
Esto equivale a un costo fijo de 1772000 doacutelares en operacioacuten y mantenimiento
Paraacutemetros operativos
Venta de electricidad 21 centkWh
Produccioacuten de electricidad solar 144626 MWhantildeo
Costos OampM campo solar 289252 USD antildeo
Costo nivelado de la energiacutea generada
Este costo se determinoacute al sumar los costos variables el de inversioacuten total y los
costos de operacioacuten y mantenimiento luego se dividioacute entre la generacioacuten total de
la planta en los 25 antildeos de vida uacutetil de esta tecnologiacutea quedando de 0032$kWh
351 Tasa interna de retorno (TIR)
Con un campo de 16 colectores y para las condiciones de este proyecto se obtuvo
una TIR de
TIR= 30
La TIR calculada fue mayor que la tasa de descuento por tanto el proyecto es
aceptable
53
352 Valor actual neto (VAN)
El valor actual neto es positivo con un valor que asciende a $ 34116545 por lo que
se cumple la condicioacuten de VAN mayor que cero por lo que el proyecto es rentable
353 Periacuteodo de recuperacioacuten (PR)
El tiempo en que se recupera esta inversioacuten es de aproximadamente 9 antildeos (figura
18)
Los costos de inversioacuten incluyen costes de Ingenieriacutea obtencioacuten de los permisos
necesarios y autorizaciones administrativas obra civil y equipo electromecaacutenico
Los beneficios corresponden a las ventas anuales de electricidad una vez
deducidos los gastos de operacioacuten y mantenimiento En general se estima en el
sector que para que una inversioacuten sea interesante el periacuteodo de recuperacioacuten no
debe exceder de 7 antildeos (Penche 1998) Este proyecto excede en dos antildeos lo
planteado por (Penche 1998) aunque sigue siendo factible e interesante para las
condiciones del paiacutes ya que como plantea el problema de investigacioacuten el principal
intereacutes de este trabajo es aumentar los diacuteas de generacioacuten de electricidad Debido
al problema que presenta Cuba con los iacutendices de generacioacuten se hace necesario
una mejora en este sector a toda costa priorizando esto quedando asiacute los periodos
de recuperacioacuten por detraacutes de este intereacutes primordial
Figura 19 Periacuteodo de recuperacioacuten en antildeos
Teniendo en cuenta estos tres iacutendices econoacutemicos calculados que se tuvieron en
cuenta para la rentabilidad econoacutemica de este proyecto se obtiene como resultado
que dicho proyecto es econoacutemicamente factible
-15000000
-10000000
-5000000
0
5000000
10000000
15000000
20000000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Doacutela
res
Antildeos
Periacuteodo de recuperacioacuten de la invercioacuten
54
Conclusiones
La tecnologiacutea de plantas hibridas solar-biomasa para el caso de Cuba es
potencialmente factible a partir de los valores encontrados de radiacioacuten solar
directa en todo el territorio alcanzando estos maacutes de 5 kWhm2-dia durante
todo el antildeo siendo favorable para la implementacioacuten de esta tecnologiacutea
El rendimiento global de cada colector tiene un valor aproximado del 70
debido a las peacuterdidas geomeacutetricas oacutepticas teacutermicas y por las condiciones
meteoroloacutegicas del lugar puesto que al ser Cuba una isla rodeada de mar
hay ocurrencia de un gran nuacutemero de precipitaciones y cielos nublados al
antildeo que afectan considerablemente el factor de disponibilidad del campo
solar
El campo solar tendraacute 4 colectores por lazo y 4 lazos por campo con una
potencia teacutermica de 106 MW lo que representa un aacuterea de casi 45 ha
aumentaacutendose el iacutendice de generacioacuten de electricidad de la planta con su
conversioacuten en planta hibrida (solar-biomasa) de 500 kWhtb a 575 kWhtb
Con la implementacioacuten del proyecto propuesto (hibridacioacuten biomasa-energiacutea
solar) se puede lograr un ahorro de 251586 toneladas de bagazo por zafra
lo que equivale a 30 diacuteas adicionales de generacioacuten eleacutectrica de la planta lo
que extenderiacutea la generacioacuten en la bioeleacutectrica a unos 230 diacuteas acercaacutendose
cada vez maacutes a lo previsto por la poliacutetica existente en el paiacutes de conversioacuten
de centrales en bioeleacutectricas de llegar a los 300 diacuteas Pudieacutendose saldar los
70 diacuteas faltantes con combustibles alternativos como el RAC y el marabuacute con
gran abundancia en nuestros campos
La implementacioacuten en la UEB George Washington de la hibridacioacuten permitiriacutea
anualmente con el excedente de bagazo obtenido una generacioacuten de
electricidad adicional de 145 GWh con una disminucioacuten de 11897 toneladas
de emisiones de CO2 funcionando como una fuente de empleo considerable
para los habitantes de este lugar
El estudio de la hibridacioacuten solar-biomasa en la UEB George Washington
indica que un proyecto de este tipo es factible con una inversioacuten de casi 10
millones de doacutelares logra como resultados maacutes importantes un VAN de maacutes
de 34 millones una TIR de 30 un PRD de aproximadamente 9 antildeos y un
costo nivelado de la electricidad de 0032 $kWh valor de gran motivacioacuten
para la implementacioacuten de esta tecnologiacutea
55
Recomendaciones
Extender el estudio de factibilidad de plantas de energiacutea hiacutebridas biomasa
solar a otros centrales azucareros del paiacutes que se prevean convertir en
bioeleacutectricas
Incluir en la metodologiacutea de anaacutelisis empleada en este trabajo para futuros
estudios otro tipo de tecnologiacuteas de concentracioacuten como pudiera ser la de
colector lineal Fresnel cuya aplicacioacuten ha venido en aumento en los uacuteltimos
antildeos a nivel mundial
Profundizar en el estudio de factibilidad de este proyecto analizando la
influencia de la variacioacuten de paraacutemetros como el salto entaacutelpico en el
intercambiador de calor del campo solar para la optimizacioacuten del disentildeo del
campo solar
56
Bibliografiacutea
BEacuteRRIZ L MADRUGA E 2000 Cuba y las fuentes renovables de energiacutea CUBASOLAR pp 29
CENGEL Y 2012 Termodinaacutemica Meacutexico DF
DAVID A 2007 Business and Finance Israeli Company to build largest solar park in world in US [Online] Available (httpwwwynetnewscom) [Accessed 10 febrero 2018]
E BURIN T V S MULTHAUPT A THELEN G OELJEKLAUS K GOumlRNER E BAZZO 2016 Thermodynamic and economic evaluation of a solar aided sugarcane bagasse cogeneration power plant THE 28TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON EFFICIENCY COST OPTIMIZATION SIMULATION AND ENVIRONMENTAL IMPACT OF ENERGY SYSTEMS
EPA Factor Information REtrieval (FIRE) Software Technology Transfer Network Clearinghouse for Inventories amp Emissions Factors 2004
GACETA 2007 Estrategia Ambiental Nacional Ministerio de Justicia 30 ed Gaceta Oficial Republica de Cuba
GESIME 2014 Conceptualizacioacuten del programa de desarrollo de la energiacutea solar teacutermica en Cuba 2014-2020 MINEM Desarrollado por grupo de desarrollo de la energiacutea solar teacutermica Grupo Empresarial de la Industria Sidero-Mecaacutenica 36
GUTIEacuteRREZ E 2013 ldquoEl azuacutecar cubano adquiere protagonismo energeacuteticordquo Diarios latinoamericanos de Tierrameacuterica
HERRERA I 2016 Poligeneration Workshop KTH Universidad Central Marta Abreu de Las Villas
HIDALGO L 2012 Estudio Teacutecnico-econoacutemico de una central hiacutebrida solar-ciclo combinado Proyecto final de carrera para optar por el tiacutetulo ingeniero teacutecnico de minas Departamento de sistemas energeacuteticos 79
HTTPEOSWEBLARCNASAGOVSSE 2017 Surface Meteorology and Solar Energy [Online] [Accessed 22 noviembre]
HTTPWWWWIKIPEDIAORG 2017 Energiacutea solar teacutermica [Online] [Accessed 17 diciembre 2017]
IDEA 2013 Plan de Energiacuteas (PER) 2011-2020 Instituto para la Diversificacioacuten y Ahorro de la Energiacutea
LA ROSA D 2014 Recuperacioacuten de la disponibilidad de generacioacuten en el ciclo combinado de Energas Varadero con aporte termosolar httpwwwcubasolarcu
MARTIacuteN S 2017 Colector ciliacutendrico paraboacutelico Available from httpwwwtecnoblogsanmartinwordpresscom]
57
MARTIacuteNEZ L 2017 Conjunto de alternativas tecnoloacutegicas para la ingenieriacutea conceptual del estudio de oportunidad de la conversioacuten en bioeleacutectrica del central George Washington Trabajo de diploma Universidad Central ldquoMarta Abreurdquo de Las Villas
MAXWELL E L RENNE DS 1994 Measures of Renewable Energy National Renewable Energy Laboratory
PAREDES C 2012 Disentildeo de captador solar ciliacutendrico paraboacutelico para aplicaciones rurales en Paraguay Proyecto final de carrera para optar por el tiacutetulo de ingeniero teacutecnico de minas Especialidad en recursos energeacuteticos combustibles y explosivos 57
PENCHE C 1998 Manual de pequentildea hidroeleacutectrica D I R E C C I Oacute N G E N E R A L D
E E N E R G I A ( D G X V I I ) 259
PETROLEUM B 2006 BP Statistical Review of World Energy June 2006 Quantifying Energy
PETROLEUM B 2018 Statistical Review of World Energy [Online] Available httpwwwbpcomenergyoutlook [Accessed 12 febrero de 2018]
PITZ-PAAL 2013 Solar thermal power plants BINE-Themeninfo FIZ Karlsruhe GmbH
REN 2013 Global Status Report Paris
REUszlig N 2012 Modern Gas- amp Steam Turbines in Solarthermic Applications 14th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery Honolulu
RIBOT J E A ROVIRA P ROVIRA A BAROacuteN JL 2001 Curso de Energiacutea Solar Centro de Tecnologiacutea Educativa CTE Barcelona Espantildea Obra completa 4ta edicioacuten Leccioacuten 3 El potencial real de la energiacutea solar
RODRIacuteGUEZ J 2015 Metodologiacutea para la caracterizacioacuten termoeconoacutemica de plantas hiacutebridas de generacioacuten de electricidad Tesis Doctoral Universidad Politeacutecnica de Madrid
ROJAS E 2013 Energiacutea Solar Teacutermica Observatorio de energiacutea renovable para Ameacuterica Latina y Caribe Programa de capacitacioacuten de energiacuteas renovables ONUDI 68
SALOMOacuteN R 2016 ldquoBioeleacutectricas despiertan creciente intereacutes mundialrdquo
SALOMOacuteN R 2018 Biomasa fuente de electricidad inagotable para Cuba Diaacutelogos del Sur Prensa Latina de La Habana
SEBASTIAacuteN E 2011 Sistemas de colector ciliacutendrico paraboacutelico para generar energiacutea httpeliseosebastiancom
SHILLING Z NORMAN 2003 IGCC Clean Power Generation Alternative For Solid Fuels Product Line Leader
58
WWWSOLARBUZZCOM H 2016 Abener Signs Contract for Solar Thermal Electric-Combined Cycle Hybrid Plant [Online] [Accessed 16 diciembre 2017]
7
Los principales componentes que forman parte de una planta hiacutebrida solar-biomasa
se distinguen como el bloque solar el bloque de potencia y la hibridacioacuten
Bloque solar Es donde la energiacutea del sol es convertida en energiacutea teacutermica La
tecnologiacutea solar empleada depende del rango de temperaturas de operacioacuten de la
planta hibrida Es necesario que sean compatibles con las del bloque de potencia
Bloque de potencia es el ciclo termodinaacutemico que convierte la energiacutea teacutermica en
eleacutectrica
Hibridacioacuten es el modo en que el bloque de potencia y el bloque solar son
conectados
14 La energiacutea solar
El Sol es un enorme reactor de fusioacuten nuclear formado por una esfera de materia
gaseosa caliente de 139 millones de kiloacutemetros de diaacutemetro que constituye la
principal fuente de energiacutea para la Tierra situada a una distancia media de 149106
km Debido a la radiacioacuten solar la temperatura en la superficie terrestre es alrededor
de 250ordmC superior a la temperatura que habriacutea en la superficie si eacutesta dependiera
solo del calor interno El Sol radia continuamente una potencia de 38middot1023 kW de
los cuales la Tierra intercepta 17middot1014 kW La energiacutea solar recibida en la atmoacutesfera
exterior de la Tierra en un antildeo se conoce con el nombre de SERPY (Solar Energy
Received Per Year) y corresponde a 155middot1015 MWh cantidad que equivale
aproximadamente a 12000 veces la energiacutea consumida en el mundo si se tienen en
cuenta los datos publicados de produccioacuten y consumo energeacutetico mundial durante el
antildeo 2005 (Petroleum 2006) De la radiacioacuten recibida en la superficie exterior el 30
se refleja al espacio el 47 es absorbido por la atmoacutesfera mares y tierra para
mantener la temperatura ambiente y el restante 23 se usa para mantener la
conveccioacuten atmosfeacuterica y el ciclo hidroloacutegico (Rojas 2013)
La radiacioacuten solar fuera de la atmoacutesfera tiene un valor constante de unos 1300 Wm
denominaacutendose constante solar Sin embargo toda esta energiacutea no puede ser
aprovechada debido a diferentes fenoacutemenos que se interponen en su camino desde
el Sol hasta la superficie terrestre Al atravesar la atmoacutesfera las nubes dispersan la
radiacioacuten separaacutendola en radiacioacuten directa y difusa Las sombras causadas por
objetos proacuteximos tambieacuten contribuyen a atenuar el valor de la radiacioacuten Finalmente
el hecho de que la direccioacuten del Sol y la superficie captadora no sea la misma
tambieacuten influye en la disminucioacuten de la constante solar Todos estos factores hacen
que la energiacutea que llega a la Tierra sea de unos 1000 Wm en un diacutea claro a las 12
horas del mediodiacutea solar y a nivel del mar Esta energiacutea no es suficiente para alcanzar
las temperaturas que se requieren por lo que se utilizan elementos concentradores
La energiacutea solar tiene muchas aplicaciones donde ser utilizada Estas actividades se
clasifican en tres grupos generacioacuten teacutermica generacioacuten de trabajo y generacioacuten de
friacuteo El primer grupo contiene la generacioacuten de calor para calefaccioacuten agua caliente
8
sanitaria (ACS) desecacioacuten y refrigeracioacuten Dentro de esta divisioacuten existen
diferencias seguacuten la temperatura alcanzada Podemos distinguir procesos de baja
temperatura que usan colectores planos para ACS hasta 60ordmC procesos de media
temperatura para calefaccioacuten y produccioacuten de friacuteo y procesos de alta temperatura en
la industria La generacioacuten teacutermica tambieacuten incluye la arquitectura bioclimaacutetica La
generacioacuten de trabajo se puede dar de forma teacutermica y de forma fotovoltaica Los
parques de heliostatos o concentradores ciliacutendrico-paraboacutelicos producen vapor que
se utiliza en ciclos de potencia mientras que los paneles fotovoltaicos convierten la
luz en electricidad por medio de semiconductores Por uacuteltimo la generacioacuten de friacuteo
se produce por medio de maacutequinas de absorcioacuten
Las tecnologiacuteas usadas para este tipo de energiacutea son colectores planos para
calefaccioacuten y ACS concentracioacuten en torre discos paraboacutelicos colectores ciliacutendricos
paraboacutelicos y colectores Fresnel para la produccioacuten de electricidad Maacutes adelante se
explicaraacuten con maacutes detalle todas estas tecnologiacuteas
La principal ventaja con la que cuenta la energiacutea solar es que se trata de un recurso
inagotable que estaacute al alcance de todos pero uno de los problemas de esta reside
que la demanda no coincide con la produccioacuten Para ajustar la demanda a la
produccioacuten se hace necesario el uso de sistemas de almacenamiento Otro problema
a tener en cuenta es la intermitencia del recurso solar A lo largo del antildeo hay
numerosos diacuteas en los que las nubes impiden el correcto aprovechamiento de la
energiacutea solar La solucioacuten a este problema es la instalacioacuten de un sistema de apoyo
consistente generalmente en una caldera auxiliar operada con un combustible foacutesil
De este modo se puede prescindir de los sistemas de almacenaje (Paredes 2012)
15 Sistemas teacutermicos solares El objetivo esencial de cualquier sistema teacutermico solar es captar la radiacioacuten que
proviene del sol para transformarla en energiacutea teacutermica de un fluido y transportarla de
la manera maacutes econoacutemica y eficaz posible a un usuario Las aplicaciones del
aprovechamiento solar pueden ser directas en forma de calor o bien indirectas
utilizando este calor para obtener trabajo mecaacutenico en un eje y finalmente
electricidad Entre las tecnologiacuteas existentes hay tres que destacan por su grado de
desarrollo los sistemas de colectores cilindro paraboacutelicos (CCP) los sistemas de
receptor central (SRC) o sistemas de torre central (STC) y los discos paraboacutelicos
(DP) o maacutes propiamente paraboloides de revolucioacuten Tambieacuten existen los sistemas
de concentradores lineales Fresnel (CLF) que a pesar de no estar ampliamente
desarrollados en cuanto a tecnologiacutea se refiere merecen una mencioacuten Aunque los
campos de aplicacioacuten de los Sistemas Termo-solares de Concentracioacuten (CSTS) son
diversos es en los campos de generacioacuten de electricidad vapor de proceso o de
ambos simultaacuteneamente donde estos sistemas han alcanzado su mayor grado de
desarrollo dando lugar a Centrales Energeacuteticas Termo-solares (CETS) Las CETS
son entre los sistemas basados en el aprovechamiento de las energiacuteas renovables
uno de los de mayor potencial de contribucioacuten a la satisfaccioacuten de la demanda
9
energeacutetica especialmente en las regiones situadas en el llamado ldquocinturoacuten solarrdquo
que son aquellas que se encuentran entre las latitudes 35o norte y 35o sur (Paredes
2012)
151 Sistemas de torre central (STC)
Este sistema se caracteriza porque el conjunto colector estaacute compuesto por un grupo
maacutes o menos numeroso de concentradores planos individuales llamados heliostatos
los cuales dirigen la radiacioacuten solar concentrada hacia un receptor central situado en
lo alto de una torre Por tanto la concentracioacuten de la radiacioacuten se produce en tres
dimensiones por lo que el valor de la razoacuten de concentracioacuten es muy elevado asiacute
como las temperaturas que se alcanzan pudiendo llegar eacutestas a los 1500 degC
Figura 3 Esquema de un STC Fuente Greenpeace
A parte de los componentes principales del sistema que se detallan maacutes adelante
para un correcto funcionamiento del sistema se requieren una serie de equipos y
sistemas auxiliares como el sistema de caracterizacioacuten de imaacutegenes blancos
lambertianos para evaluacioacuten de imaacutegenes ajustes de offsets etc
El sistema colector El heliostato es junto con el receptor uno de los componentes
que representa mayor importancia dentro del sistema llegando a suponer hasta un
60 del coste total de la parte solar Su funcioacuten es la de captar la radiacioacuten solar y
redirigirla hacia el receptor
Estaacute compuesto baacutesicamente por una superficie reflectante ndashespejos de vidrio como
los de los CCPs ademaacutes de una estructura soporte mecanismos de movimiento y
un sistema de control
En cuanto al tamantildeo existen de varias dimensiones desde 40 o 50 m2 hasta su
evolucioacuten a los 150 m2 Aunque actualmente se tiende a los heliostatos maacutes
10
pequentildeos pues suponen una simplificacioacuten y abaratamiento en los procesos de
transporte instalacioacuten y puesta en servicio El campo de heliostatos en relacioacuten al
receptor estaacute condicionado en gran parte por la orografiacutea del terreno por el tamantildeo
de la planta y por la disposicioacuten del receptor Las dos formas claacutesicas de colocar los
heliostatos son
Campo circundante heliostatos alrededor de la torre
Campo Norte-Sur heliostatos a un lado de la Torre La orientacioacuten dependeraacute de
en queacute latitud se encuentre el emplazamiento
No obstante existen otras disposiciones que tratan de aprovechar la orografiacutea del
terreno (por ejemplo una ladera orientada al Sur) o usan un concentrador secundario
para evitar los inconvenientes derivados de situar el receptor sobre una torre
La torre La funcioacuten de la torre es la de servir de soporte al receptor que
normalmente debe situarse a una cierta altura sobre el nivel del campo de helioacutestatos
para reducir las sombras y bloqueos entre eacutestos y a diversos elementos auxiliares
(blancos lambertianos sistemas de medida etc) Hasta hoy las torres construidas
han sido de estructuras metaacutelicas o de hormigoacuten
El receptor Es el dispositivo donde se produce la conversioacuten de la radiacioacuten solar
concentrada en energiacutea teacutermica
152 Disco Paraboacutelico (DP)
Los sistemas de discos paraboacutelicos se componen baacutesicamente en un reflector o en
un conjunto de reflectores que tienen forma de paraboloide de revolucioacuten Ademaacutes
poseen un receptor situado en el foco puntual de dicho paraboloide y de un sistema
de generacioacuten eleacutectrica compacto (un motor o una turbina maacutes un alternador) Por lo
general receptor y sistema de generacioacuten suelen formar parte de un mismo conjunto
El principio de funcionamiento es el mismo que para los CCPacutes es decir la radiacioacuten
concentrada por el paraboloide incide sobre el receptor donde se convierte en
energiacutea teacutermica (pudiendo alcanzar los 1500 oC que permite generar electricidad Los
elementos principales del colector Disco Paraboacutelico son los siguientes
Concentrador La forma de la superficie reflexiva en este tipo de sistema es la de
un paraboloide de revolucioacuten cuyo tamantildeo depende de la potencia nominal y de la
energiacutea que se desea generar en un determinado tiempo y bajo unas condiciones de
radiacioacuten determinadas
Receptor Es un sistema de discos paraboacutelicos que tienen dos funciones
fundamentales por un lado la de absorber la radiacioacuten solar reflejada por el
concentrador y por el otro transferir la energiacutea absorbida al fluido de trabajo de la
maacutequina asociada Hasta la fecha existen dos tipos de reflectores tubos
directamente iluminados por la reflexioacuten de los rayos y receptores de reflujo
11
Sistema de Seguimiento Con objeto de seguir la posicioacuten del sol en todo momento
los discos paraboacutelicos realizan un seguimiento de eacuteste en dos ejes Se realiza seguacuten
dos tipos de montaje
Seguimiento en acimut-elevacioacuten en el que el movimiento se realiza seguacuten dos
ejes el vertical y el horizontal
Seguimiento polar en el que el movimiento en un eje es muy lento pues solo se
debe seguir las variaciones estacionales del sol y el movimiento en el otro eje es a
velocidad constante
Actualmente el uso de discos paraboacutelicos para generar electricidad se encuentra en
fase de desarrollo en algunas plantas experimentales como la de Planta Solar de
Almeriacutea pero la falta de fiabilidad y su elevado coste constituyen los principales
obstaacuteculos para su introduccioacuten real en la generacioacuten eleacutectrica En cambio
atendiendo a la misma forma estructural y con el mismo principio de reflexioacuten en un
foco puntual del paraboloide de revolucioacuten es muy comuacuten encontrar a nivel
particular cocinas solares
Figura 4 Esquema de un Disco Paraboacutelico Fuente Greenpeace
12
153 Concentrador lineal Fresnel
Esta tecnologiacutea es la maacutes nueva de las cuatro que actualmente hay disponible para
los sistemas solares de concentracioacuten Son captadores de foco lineal en los que
largos reflectores que poseen ejes de giros independientes y paralelos reflejan la
radiacioacuten solar directa sobre un tubo receptor situado sobre ellos Es la tecnologiacutea
maacutes joven de las cuatro descritas por lo que existen actualmente solo dos plantas
comerciales en funcionamiento con una potencia eleacutectrica total de 64 MWe
Figura 5 Concentrador Lineal Fresnel
154 Colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Esta tecnologiacutea cilindro-paraboacutelica basa su funcionamiento en seguimiento solar y en
la concentracioacuten de los rayos solares en unos tubos receptores de alta eficiencia
teacutermica localizados en la liacutenea focal de los cilindros En estos tubos un fluido
transmisor de calor tal como aceite sinteacutetico es calentado aproximadamente a
400ordmC por los rayos solares concentrados El aceite es bombeado a traveacutes de una
serie de intercambiadores de calor para producir vapor sobrecalentado El calor
presente en este vapor se convierte en energiacutea eleacutectrica en una turbina de vapor
convencional Los colectores cilindro-paraboacutelicos se emplean maacutes a escala industrial
de 10 a 100 MW para la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica en un campo solar y en un
sistema de potencia En el campo solar la energiacutea de la radiacioacuten solar se transforma
en energiacutea teacutermica en una serie de filas paralelas de colectores cilindro-paraboacutelicos
cada uno de ellos con seguimiento solar La eficiencia durabilidad y costo de una
central con colectores cilindro-paraboacutelicos depende fuertemente de la estructura y
robustez del colector Un moacutedulo colector generalmente compuesto de elementos
de 12 m de largo conectados en serie puede tener hasta 150 m de longitud Sus
espejos paraboacutelicos reflejan la radiacioacuten solar y la concentran sobre un tubo
absorbente en su liacutenea focal (Sebastiaacuten 2011)
13
A principios del siglo pasado (1912) la primera planta de canal paraboacutelico fue
construida en Meadi Egipto para bombeo de agua Con 79 plantas 31425 MW
instalados esta tecnologiacutea es la maacutes madura de las tecnologiacuteas CSP (maacutes de 100
antildeos de experiencia en operacioacuten) (GESIME 2014)
Las primeras centrales con colectores cilindro-paraboacutelicos operan comercialmente en
California desde 1985 En este periodo de tiempo han generado maacutes de doce mil
millones de kilowatts hora de electricidad lo que es suficiente para suministrar
electricidad a aproximadamente doce millones de personas durante un antildeo Al igual
que en centrales teacutermicas con combustibles convencionales y tambieacuten en centrales
nucleares la corriente se genera en las centrales solares teacutermicas con una turbina a
vapor y un generador acoplado (Martiacuten 2017)
El Sistema de Generacioacuten de Energiacutea solar (en ingleacutes Solar Energy Generating
System SEGS) es un conjunto de nueve plantas con una capacidad total de 350 MW
Actualmente es el sistema solar operacional maacutes grande (tanto del tipo termal o no)
La planta Nevada Solar One tiene una capacidad de 64 MW Estaacuten en construccioacuten
las plantas Andasol 1 y 2 en Espantildea cada planta tiene una capacidad de 50 MW sin
embargo estas plantas son de un disentildeo que tiene un sistema de almacenamiento
de calor que requiere un terreno con colectores solares mayor en relacioacuten al tamantildeo
del que deberiacutea tener para su generacioacuten El almacenamiento de calor permite una
mejor utilizacioacuten de las turbinas de vapor Con una operacioacuten diurna y parcialmente
nocturna la turbina de vapor de Andasol 1 con una capacidad de punta de 50 MW
produce maacutes energiacutea que Nevada Solar One con una capacidad de punta de 64 MW
debido al sistema de almacenamiento de calor y un terreno de colectores maacutes grande
que posee la planta de Andasol 1(httpwwwwikipediaorg 2017)
Existiacutea la propuesta de instalar 553 MW adicionales en el Mojave Solar Park
California (David 2007) pero este proyecto fue cancelado en el antildeo 2011 Tambieacuten
IBERDROLA (2013) puso en marcha en Egipto la central de Kuraymat de 150
megavatios (MW) de potencia Se trata de una instalacioacuten pionera en el mundo dado
que incorpora una tecnologiacutea que utiliza de forma combinada el gas y la energiacutea solar
lo que contribuye a disminuir las emisiones de CO2 y a mejorar el rendimiento global
de la planta Tambieacuten se generan 25 MW de vapor como aporte para una planta de
gas en Hassi Rmel Argelia (wwwsolarbuzzcom 2016)
El gobierno de India ha comenzado a desarrollar una iniciativa llamada Jawaharlal
Nehru National Solar Mission (tambieacuten conocida como la misioacuten solar nacional) para
resolver el problema de abastecimiento de energiacutea eleacutectrica
(httpwwwwikipediaorg 2017)
14
Figura 6 Esquema de un CCP Fuente Greenpeace
En la figura 6 se pueden ver los elementos principales del conjunto del colector de
forma maacutes detallada se definen del siguiente modo
El Reflector Ciliacutendrico Paraboacutelico su misioacuten es la de reflejar y concentrar sobre el
Receptor la radiacioacuten solar directa incidente sobre la superficie A grandes rasgos es
un espejo curvo que forma en una de sus dimensiones una paraacutebola de forma que
concentra sobre su liacutenea focal toda la radiacioacuten reflejada Entre los materiales usados
para la reflexioacuten encontramos plaacutesticos recubiertos con peliacuteculas de plata o aluminio
chapas metaacutelicas o el maacutes usado vidrios sobre los que se depositan una capa de
plata junto con un protector de base de cobre y pintura epoxi
El tubo de absorcioacuten o Receptor El tubo absorbedor consta de dos tubos
conceacutentricos separados por un espacio de vaciacuteo El tubo interior por el que circula
el fluido calo-portador es metaacutelico y el exterior es de cristal
El tubo interior es tratado con un recubrimiento metaacutelico selectivo que puede consistir
en una fina capa de cromo niacutequel cobalto o alguacuten otro acabado logrado por
Sputtering o Deposicioacuten Fiacutesica de Vapor (PVD por sus siglas en ingleacutes) Dicho
recubrimiento otorga al tubo sus propiedades uacutetiles para eacuteste uso elevada
absortividad a lo largo de todo el espectro solar y una baja emisividad en el espectro
infrarrojo lo cual se traduce en un elevado rendimiento teacutermico El tubo exterior de
vidrio cumple dos propoacutesitos de igual importancia el primero es proteger el
recubrimiento selectivo del tubo interior y minimizar las perdidas teacutermicas por
conveccioacuten Para aumentar el rendimiento oacuteptico del captador es comuacuten la utilizacioacuten
de un tratamiento antireflexivo en ambas caras del tubo de vidrio que logra mejorar
15
la transmisividad Para lograr mantener el vaciacuteo necesario entre los dos tubos se suele
soldar cada tubo el de vidrio y el de metal por separado a un fuelle metaacutelico que
soporta las diferentes dilataciones de cada material al variar la temperatura Con esto
se logra flexibilizar la unioacuten entre los dos tubos evitando grietas por las que pudiera
ingresar aire al vaciacuteo Otro mecanismo que se utiliza para mantener el vaciacuteo son los
llamados getters en ingleacutes que son colocados en el vaciacuteo debido a su propiedad de
reaccionar quiacutemicamente o por absorcioacuten con cualquier moleacutecula de gas que pudiera
penetrar al espacio confinado atrapaacutendolo y asiacute manteniendo el espacio libre de
cualquier elemento
Figura 7 Esquema del tubo de absorcioacuten o Receptor
El Sistema de Seguimiento Solar El seguimiento del Sol se hace con el objetivo
de aprovechar la mayor parte de horas posibles de luz de forma que la radiacioacuten
solar llegue lo maacutes perpendicularmente posible al colector y se mantengan en el foco
lineal continuamente Los CCPacutes pueden tener seguimiento a dos ejes o a un uacutenico
eje Normalmente el seguimiento se realiza a un eje pues mecaacutenicamente es maacutes
sencillo esto implica menos costos y menores peacuterdidas teacutermicas por no haber
tuberiacuteas pasivas La orientacioacuten puede ser Norte-Sur o Este-Oeste Los mecanismos
de accionamiento que mueven al colector pueden ser eleacutectricos (apropiado para
equipos pequentildeos) hidraacuteulicos (para lazos de colectores) y mecaacutenicos (reloj de
pesas) (Paredes 2012)
16
Figura 8 Esquema del seguimiento solar a un eje de un CCP Fuente Greenpeace
Cimentacioacuten y estructura metaacutelica La cimentacioacuten soporta los colectores y los fija
al suelo de forma que el conjunto estructural soporte las cargas para las que fue
disentildeado La misioacuten de la estructura metaacutelica del colector es la de dar rigidez al
conjunto de elementos que lo componen a la vez que hacer de interface con la
cimentacioacuten del propio colector (Hidalgo 2012)
La tecnologiacutea cilindro paraboacutelica es una tecnologiacutea limpia madura y con un extenso
historial que demuestra estar preparada para la instalacioacuten a gran escala Esta
tecnologiacutea lleva siendo instalada a nivel comercial desde los antildeos 80 con un
excepcional comportamiento Desde entonces ha experimentado importantes
mejoras a nivel de costes y rendimientos Actualmente hay maacutes de 1 GWe en
operacioacuten maacutes de 800 MWe en construccioacuten y maacutes de 2 GWe en promocioacuten a nivel
mundial Por lo que es esta la tecnologiacutea maacutes segura a aplicar
16 Orientacioacuten del colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Los captadores cilindro paraboacutelicos suelen estar instalados en los campos solares de
tal manera que sus ejes de rotacioacuten queden orientados bien Norte-Sur o bien Este-
Oeste Con la configuracioacuten Este-Oeste las variaciones estacionales suelen ser
pequentildeas permitiendo tener un aporte teacutermico maacutes estable durante el antildeo a costa
de perder parte de la energiacutea anual disponible Con la configuracioacuten Norte-Sur esa
energiacutea anual suministrada es optimizada al maacuteximo con el punto en contra de tener
variaciones estacionales mucho mayores que con la configuracioacuten Este-Oeste que
en ocasiones y dependiendo de la latitud y de las condiciones atmosfeacutericas del
emplazamiento pueden suponer relaciones de 3 a 1 entre verano e invierno En el
caso de la planta Termo solar acoplada al economizador de la caldera para la
produccioacuten de electricidad de la UEB umlGeorge Washingtonuml se ha realizado el disentildeo
atendiendo al criterio de maximizacioacuten del aporte energeacutetico anual por lo que la
configuracioacuten elegida es la Norte-Sur
17
17 Peacuterdidas en un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Cuando la radiacioacuten solar alcanza la superficie de un colector paraboacutelico se pierde
una cantidad importante de ella debido a diferentes factores El total de las peacuterdidas
se puede dividir en tres grupos
171 Peacuterdidas geomeacutetricas Provocan la disminucioacuten del aacuterea efectiva de captacioacuten
solar de los colectores En un CCP se dividen en peacuterdidas debidas a la posicioacuten
relativa de los colectores entre siacute los cuales se pueden dar sombra unos a otros y
las peacuterdidas inherentes a cada colector que son motivo del aacutengulo de incidencia el
cual provoca que en los extremos del colector haya una peacuterdida de superficie reflexiva
uacutetil La existencia del aacutengulo de incidencia tambieacuten afecta a los valores de la
reflectividad absortividad y transmisividad ya que estos paraacutemetros presentan su
valor maacuteximo cuando el aacutengulo de incidencia es 0deg (Hidalgo 2012)
172 Peacuterdidas oacutepticas Se deben a imperfecciones en los materiales que componen
el colector la superficie del concentrador no es un reflector perfecto ni el vidrio del
tubo absorbedor es completamente transparente ni el recubrimiento selectivo del
tubo metaacutelico es un absorbedor perfecto Los cuatro paraacutemetros que intervienen en
las peacuterdidas oacutepticas de un canal paraboacutelico son la reflectividad de los espejos
paraboacutelicos la absortancia del tubo metaacutelico la transmitancia de la cubierta de vidrio
y el factor de interceptacioacuten (Hidalgo 2012)
Reflectancia ρ no toda la energiacutea incidente es reflejada hacia el tubo
absorbedor
Absortancia α cantidad de radiacioacuten que absorbe la superficie selectiva del
tubo metaacutelico
Transmitancia 120591 de aquella radiacioacuten que intercepta el tubo de vidrio solo
una parte consigue atravesarlo
Factor de interceptacioacuten γ no toda la radiacioacuten reflejada por los espejos
acaba incidiendo sobre el tubo absorbedor Las causas son diversas imperfecciones
en los espejos un mal posicionamiento de los colectores etc
173 Peacuterdidas teacutermicas Principalmente se encuentran asociadas a dos elementos
del sistema el tubo absorbedor y las tuberiacuteas de fluido teacutermico Las perdidas
asociadas estaacuten formadas por perdidas por conduccioacuten por conveccioacuten y por
radiacioacuten de los diferentes medios que conforman el conjunto del tubo absorbedor
es decir por el tubo metaacutelico la cubierta de cristal y la atmosfera De manera que
la potencia teacutermica disipada en el colector equivale a la suma de las peacuterdidas teacutermicas
en el receptor y las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas por donde circula el fluido
teacutermico (HTF) (Hidalgo 2012)
18
Peacuterdidas teacutermicas en el aceite teacutermico (HTF)
Las peacuterdidas teacutermicas asociadas al tubo absorbedor (119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905) se deben a la
diferencia de temperaturas entre eacuteste y el ambiente pudiendo ser por conduccioacuten
por radiacioacuten y por conveccioacuten desde el tubo absorbedor al ambiente Aunque cada
una de estas peacuterdidas podriacutea calcularse aplicando las ecuaciones que rigen los
mecanismos de transferencia de calor antes mencionados en la praacutectica las
peacuterdidas teacutermicas globales en un colector se cuantifican mediante ecuaciones
experimentales (Hidalgo 2012)
18 Rendimiento de un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Como consecuencia de todas las peacuterdidas oacutepticas geomeacutetricas y teacutermicas que
existen en un CCP la energiacutea teacutermica uacutetil que da un CCP es menor que la que dariacutea
en condiciones ideales cuando no existieran dichas peacuterdidas
En un CCP se suelen definir tres rendimientos diferentes y un paraacutemetro
I) Rendimiento oacuteptico con un aacutengulo de incidencia de 0ordm (rendimiento oacuteptico pico)
Tiene en cuenta todas las peacuterdidas oacutepticas que tienen lugar en el colector con un
aacutengulo de incidencia de 0ordm Su valor viene dado por el producto de estos cuatro
factores reflectividad de los espejos transmisividad del tubo de vidrio factor de
interceptacioacuten (que tiene en cuenta la parte de radiacioacuten reflejada que por cualquier
causa no alcanza el absorbente) y absortividad de la superficie selectiva que recubre
el tubo metaacutelico absorbente
II) Rendimiento teacutermico Considera todas las peacuterdidas teacutermicas que tienen lugar en
el colector
III) Rendimiento global Considera todas las peacuterdidas tanto oacutepticas como
geomeacutetricas y teacutermicas que tienen lugar en el colector
IV) Modificador por aacutengulo de incidencia Considera todas las peacuterdidas oacutepticas y
geomeacutetricas que tienen lugar en el colector para un aacutengulo de incidencia ϕ ne 0ordmy que
no se tienen en cuenta en rendimiento oacuteptico (peacuterdidas geomeacutetricas de final de
colector bloqueo de la radiacioacuten concentrada por parte de los soportes del tubo
absorbente e influencia del aacutengulo de incidencia en la absortividad y transmisividad
del tubo absorbente y en la reflectividad de los espejos) (Paredes 2012)
19 Disentildeos hiacutebridos
En general las formas de concentracioacuten de la energiacutea solar se pueden dividir en
tecnologiacuteas lineales y de enfoque puntual Los canales paraboacutelicos y los colectores
lineales Fresnel pertenecen a las tecnologiacuteas de enfoque lineal mientras que las
tecnologiacuteas de enfoque de puntos principales son el receptor central (torre solar) y el
reflector paraboacutelico (disco) Desde el punto de la disponibilidad del mercado y el
estado actual de desarrollo para el presente estudio de caso se han elegido las
siguientes tres opciones de tecnologiacutea Lineal Fresnel (LF) Ciliacutendrico Paraboacutelico
19
(CCP) y Torre Central (STC) Para todas las opciones de CSP nombradas hay
diferentes configuraciones de tecnologiacuteas posibles cuyo rango se muestra en la tabla
1 (E Burin 2016)
Tabla 1 Rangos para las 3 tecnologiacuteas posibles
Unidad LF CCP STC
Fluido teacutermico
(HTF)
- Aceite teacutermico
Agua
Sal
Aceite teacutermico
Agua
sal
Agua
Sal
Aire
Concentracioacuten - 25-100 70-80 300-1000
Rango de
temperatura
oC 380-600(ST) 380-600(ST) 565(ST)
Performance MWel 10-200 10-200 10-150
Capacidad de
corriente instalada
1 88 11
Proporcioacuten de las
obras (2012)
6 75 18
(ST) Steam Turbine
Fuente(Reuszlig 2012 Pitz-Paal 2013 REN 2013)
Debido a la diferente etapa de desarrollo teacutecnico de las tres tecnologiacuteas de CSP y
sus HTF para el estudio de caso se examinaron las siguientes combinaciones CCP
(aceite teacutermico) LF (agua vapor) y STC (agua vapor)
En cuanto a los disentildeos de integracioacuten de las tres tecnologiacuteas de CSP elegidas
desde el punto de vista termodinaacutemico es esforzarse por alcanzar un nivel de
temperatura lo maacutes alto posible para el calor solar agregado Por esa razoacuten el calor
solar agregado se usoacute aquiacute para proporcionar calor para el precalentamiento del agua
de alimentacioacuten a alta presioacuten asiacute como para la produccioacuten paralela de vapor
saturado y vapor vivo en paralelo con los generadores de vapor de bagazo Los
diagramas de flujo de proceso de los tres disentildeos de integracioacuten se muestran en la
siguiente figura
20
Figura 9 Diagramas de flujo de proceso de los tres disentildeos de integracioacuten posibles
En el disentildeo 1 el calor solar reemplaza completamente la extraccioacuten a alta presioacuten
de la turbina CEST Para este propoacutesito el campo solar proporciona en el punto de
disentildeo un rendimiento teacutermico equivalente a la demanda de calor requerida para el
calentador de agua de alimentacioacuten de alta presioacuten Debido al modo de operacioacuten de
ahorro de combustible este reemplazo y la cantidad reducida de bagazo quemado
afecta el rendimiento de la turbina CEST asiacute como la liacutenea de calentamiento del agua
de alimentacioacuten Debido a que no se realiza la extraccioacuten de vapor de alta presioacuten en
el tiempo en que el campo este trabajando se seleccionoacute las tecnologiacuteas CCP y LF
Cabe sentildealar que no es posible una operacioacuten de solo solar
El disentildeo de integracioacuten 2 permite una produccioacuten paralela de vapor saturado con
calor solar para reducir el consumo de bagazo Por lo tanto parte del flujo de masa
de agua de alimentacioacuten principal que va a los generadores de vapor se desviacutea Este
flujo maacutesico secundario pasa en el caso de CCP a traveacutes de un generador de vapor
solar tiacutepico mientras que en el caso de la LF se alimenta directamente al campo
solar En ambos casos se produce vapor saturado a 67 bar que luego se une al flujo
de masa principal dentro de los generadores de vapor para el sobrecalentamiento
En consecuencia el disentildeo de integracioacuten 2 solo afecta el rendimiento de los
21
generadores de vapor mientras que las condiciones de vapor vivo permanecen
iguales Al mantener el estudio de caso cerca de la viabilidad teacutecnica deben
respetarse las condiciones teacutecnicas de contorno de los generadores de vapor Con
el fin de evitar fuertes desequilibrios en estos componentes se asumioacute que se permite
reducir la carga del generador de vapor a un nivel miacutenimo del 85 Del mismo modo
este disentildeo no permite una operacioacuten solo solar
En el disentildeo de integracioacuten 3 el calor solar desplaza al generador de vapor de
carga teacutermica Una parte del agua de alimentacioacuten se deriva de los generadores de
vapor A medida que pasa a traveacutes del sistema de torre solar se produce vapor
sobrecalentado a 520 deg C y 67 bar Esta integracioacuten afecta solo el rendimiento teacutermico
de los generadores de vapor mientras que el ciclo agua vapor se opera en modo
normal En comparacioacuten con el disentildeo de integracioacuten 2 la operacioacuten de los
generadores de vapor se simplifica Eso significa que los generadores de vapor
funcionan aquiacute con una carga parcial normal de 100 a 65 de carga Con respecto
a eso al permitir una carga miacutenima del generador de vapor del 65 en el punto de
disentildeo solar la torre solar fue disentildeada para proporcionar todo el calor restante
necesario Cabe sentildealar que para el disentildeo de integracioacuten 3 es posible una
operacioacuten solo solar cuando la instalacioacuten de cantildea de azuacutecar estaacute fuera de servicio
Tabla 2 Muacuteltiplo solar simulado seguacuten la tecnologiacutea de CSP
Disentildeo Tecnologiacutea Muacuteltiplo solar
simulado
Disentildeo 1 CCP
LF
09 - 14
08 - 14
Disentildeo 2 CCP
LF
09 - 13
08 - 14
Disentildeo 3 STC 08 - 40
Seleccioacuten del Disentildeo y la tecnologiacutea
Luego del anaacutelisis acerca del disentildeo y la tecnologiacutea a emplear en este proyecto se
decidioacute elegir la tecnologiacutea de colectores ciliacutendricos paraboacutelicos (CCP) y el disentildeo
nuacutemero 1 Los colectores de canal paraboacutelico son los maacutes empleados en el mundo
actualmente y lleva siendo instalada a nivel comercial desde los antildeos 80 con un
excepcional comportamiento Desde entonces ha experimentado importantes
mejoras a nivel de costes y rendimientos Hoy diacutea hay maacutes de 1 GWe en operacioacuten
maacutes de 800 MWe en construccioacuten y maacutes de 2 GWe en promocioacuten a nivel mundial
22
Para las condiciones de nuestro paiacutes esta tecnologiacutea pudiera ser la maacutes factible y
segura tambieacuten contamos en Cuba con industrias que poseen capacidad
maquinaria y herramientas para llegar a construir gran parte del equipo como las
bases y estructuras metaacutelicas teniendo que importarse solamente el tubo
absolvedor Reduciendo esto los costos en gran medida ejemplo de esto es la faacutebrica
de antena de Santa Clara que ya han construido maquetas de un equipo de esta
tecnologiacutea y se encuentran en condiciones de comenzar una produccioacuten a mayor
escala
110 Influencia de la industria azucarera en Cuba
La escasez de recursos energeacuteticos primarios junto con la afectacioacuten ambiental
resultante de la utilizacioacuten irracional de la energiacutea asociada a la actividad humana
obliga a la buacutesqueda de fuentes alternativas en especial fuentes renovables de
energiacutea La biomasa ha sido fuente de energiacutea desde tiempos inmemoriales fue de
hecho el primer combustible que empleoacute el hombre pero no obstante sus milenios
de utilizacioacuten la biomasa continuacutea ocupando un lugar importante en la matriz
energeacutetica a nivel mundial y continuaraacute sieacutendolo La biomasa es un combustible
renovable se encuentra ampliamente distribuida a nivel mundial y resulta en muchas
ocasiones un subproducto de ciertos procesos productivos (agriacutecolas e industriales)
En Cuba existen diferentes tipos de biomasa con posibilidades econoacutemicas de
empleo entre las maacutes importantes estaacuten el bagazo y los residuos agriacutecolas de la
cantildea de azuacutecar la lentildea y el raleo de los bosques el marabuacute la cascara de arroz y
los residuos del cafeacute En la proyeccioacuten estrateacutegica de la generacioacuten de electricidad en
Cuba para el 2030 se considera que las fuentes renovables de energiacutea alcanzaran
el 24 del total (en la actualidad representan el 43 ) y la biomasa representaraacute el
14 del total por lo que ella representaraacute el 58 de la electricidad obtenida con
fuentes renovables Este proceso de generacioacuten de electricidad con biomasa se
centraraacute casi totalmente en la industria azucarera lo que conlleva a un problema
fundamental que consiste en que la zafra se realiza en tan solo 5 meses
aproximadamente y se necesita que la generacioacuten sea durante todo el antildeo En la
actualidad existen tecnologiacuteas disponibles y posibilidades para su empleo que
permiten valorar diferentes alternativas para incrementar sustantivamente el
potencial de generacioacuten eleacutectrica de los centrales azucareros como son las
bioeleacutectricas las cuales se plantea la instalacioacuten de alrededor de 25 en toda Cuba lo
que requiere de un suministro adicional de combustible para el resto del antildeo en que
no hay zafra Para esto planteamos en este trabajo la hibridacioacuten con un campo termo
solar que permita el ahorro de combustible y su posterior uso en los meses en que
no hay zafra
En nuestro paiacutes se sigue una poliacutetica de desarrollo sostenible y se ha comenzado
una serie de proyectos en la industria azucarera buscando modificaciones que
permitan un aumento en la energiacutea generada por toneladas de cantildea molida Para
23
esto se valoran aspectos como la variacioacuten de los paraacutemetros de explotacioacuten (presioacuten
y temperatura) de las plantas generadoras y las que consumen vapor mejorar el
secado del bagazo que se quema en las calderas hibridar los generadores de vapor
con energiacutea solar y aumentar la entrega al SEN haciendo un uso eficiente de la
electricidad que se consume asiacute como evitar las paradas imprevistas
Las Bioeleacutectricas suscitan hoy creciente intereacutes en el mundo y en Cuba ante la
necesidad de produccioacuten de energiacutea compatible con el medio ambiente Actualmente
una decena de naciones son paradigmas en el uso de esas instalaciones Isla
Reunioacuten India Isla Mauricio Australia Isla Guadalupe Belice Guatemala Estados
Unidos Costa Rica China y particularmente Brasil que posee 160 de 188 existentes
en el orbe Globalmente estas unidades tienen un potencia instalada de maacutes 2800
megavatios y de esa cifra al menos dos mil corresponden a Brasil secundado en
cuanto a cantidad de Bioeleacutectricas por India (14) Isla Mauricio (3) Isla Reunioacuten (2)
mientras que los restantes paiacuteses mencionados poseen una individualmente
(Salomoacuten 2016)
111 Propuesta para la hibridacioacuten de la bioeleacutectrica con energiacutea renovable
En el paiacutes se lucha hoy por un acercamiento hacia las tecnologiacuteas de energiacutea
renovables Con el propoacutesito de convertir todos los sistemas de generacioacuten de
energiacutea eleacutectrica en sistemas maacutes compatibles con el medio ambiente La hibridacioacuten
de la caldera del central George Washington consiste en disentildear un campo de
Colectores Ciliacutendricos Paraboacutelicos prototipo (EUROTrough-150) Con el fin de elevar
la temperatura del agua proveniente del proceso hasta los 260 oC e inyectarla al
economizador de la caldera para ahorrar bagazo que pudiera ser utilizado en los
restantes meses del antildeo cuando no hay zafra para la produccioacuten de energiacutea eleacutectrica
y su entrega al sistema energeacutetico nacional En el siguiente esquema se muestra la
propuesta planteada para la hibridacioacuten
24
Figura 10 Esquema de la hibridacion con colectores solares
25
Seguacuten un documento sobre eficiencia energeacutetica emitido por el Instituto Cubano de
Investigaciones Azucareras (ICINAZ) a todos los centrales del paiacutes se hace relacioacuten
en cuanto a la temperatura del agua de alimentacioacuten de la caldera y cuanto incide
esto en la eficiencia de dicha caldera Quedando que por cada 5 ordmC que se
incrementa la temperatura del agua de alimentacioacuten se incrementa 1 la eficiencia
de la caldera Siendo esto una justificacioacuten razonable para la propuesta planteada
que eleva la temperatura del agua de alimentacioacuten de 166 ordmC a 260 ordmC Alterando
la temperatura unos 94 ordmC influyendo esto en el aumento de la eficiencia en 18
puntos porcentuales
Conclusiones parciales
En este capiacutetulo se realizoacute una amplia revisioacuten bibliograacutefica que abordoacute el estado
del arte y avances tecnoloacutegicos maacutes importantes para los temas relacionados con
esta investigacioacuten que fueron el de energiacutea solar teacutermica y todo lo relacionado con
las bioeleacutectricas a nivel mundial y en nuestro paiacutes Tambieacuten se realizoacute un anaacutelisis
exhaustivo para la determinacioacuten de la tecnologiacutea de sistemas de concentracioacuten
solar lo que resulto que el sistema de Colectores Ciliacutendricos Paraboacutelicos prototipo
EUROTrough-150 es el maacutes factible para su instalacioacuten en Cuba y posteriormente
pudiera ser fabricado por industrias nacionales El disentildeo de incorporacioacuten del
campo al esquema termodinaacutemico de la bioeleacutectrica resulto ser maacutes factible y de
menores transformaciones tecnoloacutegicas en la estructura del central el de
incorporarlo antes de la caldera y que este inyecte el agua calentada directamente
al economizador realizando el salto teacutermico del agua en un intercambiador de calor
existente en la interseccioacuten del campo con la tuberiacutea del agua proveniente de las
bombas
26
Capiacutetulo 2 Materiales y Meacutetodos En este capiacutetulo se describen los programas y foacutermulas utilizadas para el caacutelculo de los objetivos planteados
La presente investigacioacuten se realizoacute desde enero hasta mayo del 2018 Para la realizacioacuten de los caacutelculos se utilizaron los softwares Engineering Equation Solver (EES) (2004) Matlab (2010) y Excel (2016)
Tabla 3 Condiciones de frontera para la bioeleacutectrica
21 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB uml George Washington uml
En este apartado se realizaraacute la evaluacioacuten del recurso solar disponible en el emplazamiento analizado El estudio del potencial solar en el emplazamiento consiste en el anaacutelisis de los datos de radiacioacuten disponibles el tratamiento de los mismos la estimacioacuten de las variabilidades asociadas y el caacutelculo de la produccioacuten una vez consideradas todas las peacuterdidas A la hora de evaluar el recurso solar y a falta de una medida precisa y especiacutefica en el propio emplazamiento se ha recurrido a diversas fuentes para la obtencioacuten de datos de radiacioacuten con el fin de realizar un ajuste estadiacutestico de los mismos y minimizar los errores asociados a ellos
Para el caacutelculo del potencial solar en la zona del central umlGeorge Washingtonuml fue necesario calcular la radiacioacuten solar directa (DNI) que incide en ese lugar y la duracioacuten diurna del diacutea
211 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa
Para el caacutelculo de la radiacioacuten solar directa en la zona de la UEB uml George Washington uml se tomaron como coordenadas de referencia la latitud y la longitud Lat 22587 Long -80244
Para ello se utilizaron modelos estadiacutesticos que permitieron obtener varios valores de radiacioacuten solar directa (DNI) teniendo en cuenta la posicioacuten geograacutefica del lugar y el diacutea del antildeo que se analiza dicha radiacioacuten En este caso se usoacute la foacutermula para condiciones normales
DNI = 1230 ∙ e^ (minus1
38∙cos∙(120579120579120579minus16)) (1)
27
Doacutende
Aacutengulo de incidencia solar θs El valor del aacutengulo de incidencia (θs) sobre la normal a una superficie plana estaacute dado por la siguiente foacutermulaθs
120579119904 = cosminus1(sin 119889 ∙ sin 119871 ∙ cos 119904 minus sin 119889 ∙ cos 119871 ∙ sin 119904 ∙ cos 119892 + cos 119889 cos 119871 ∙ cos 119904 ∙ cos 119908 +cos 119889 ∙ sin 119871 ∙ sin 119904 ∙ cos 119908 ∙ cos 119892 + cos 119892 ∙ sin 119904 ∙ sin 119892 ∙ sin 119908) (2)
Doacutende
d- Aacutengulo de declinacioacuten L- Latitud geograacutefica s- Inclinacioacuten del colector g- Orientacioacuten del colector w- Aacutengulo horario
212 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea (nuacutemero de horas en que el sol estaacute
sobre el horizonte)
119915 = 120784 ∙119934119930
120783120787 (3)
Doacutende
119830119826 = 119836119848119852minus120783(minus 119853119834119847 119923 ∙ 119853119834119847 119941) (4)
L-Latitud geograacutefica
d-Declinacioacuten
Se compararon los resultados de DNI por la metodologiacutea utilizada en este trabajo con la base de datos de la NASA (httpeosweblarcnasagovsse 2017)
Aun asiacute los lugares para desarrollar aplicaciones de energiacutea solar teacutermica por concentracioacuten deben cumplir con unos estaacutendares de acuerdo a la radiacioacuten solar perpendicular a la superficie incidente sobre un metro cuadrado para que sea eficiente dicha instalacioacuten lo cual se valora de la siguiente manera
Se tuvieron en cuenta los valores de radiacioacuten solar directa (kWm2diacutea) (GESIME 2014)
No idoacuteneos Hasta 1700 kWhmsup2antildeo (47 kWhmsup2diacutea)
Idoacuteneos Entre 1700 y 2700 kWhmsup2antildeo (47 y 74 kWhmsup2diacutea)
Oacuteptimos Maacutes de 2700 kWhmsup2antildeo (74 kWhmsup2diacutea)
28
213 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
El colector ciliacutendrico paraboacutelico que se propuso fue el (Eurotrough-150) cuyas caracteriacutesticas se observaran en la tabla4 y figura 11
Tabla 4 Caracteriacutesticas del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico Eurotrough-150 (ET-150)
Figura 11 Prototipo EUROTrough en la Plataforma Solar de Almeriacutea Espantildea
Para el caacutelculo del rendimiento global de un Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico hay que realizar un balance energeacutetico teniendo en cuenta las peacuterdidas que suceden en el mismo
Caracteriacutesticas um
Ancho de apertura 577 m
Longitud total de cada colector 150 m
Aacuterea de apertura del colector 8175 m2
Longitud focal 171 m
Longitud del absorbedor 41 m
Radio exterior del absorbedor 0035 m
Radio interior del absorbedor 00325 m
Distancia entre filas de colectores 17 m
Rendimiento Oacuteptico pico 78
Factor de ensuciamiento 95
Disponibilidad 97
29
214 Peacuterdidas geomeacutetricas
La geometriacutea del canal paraboacutelico lleva asociada una disminucioacuten del aacuterea efectiva de captacioacuten Estas peacuterdidas se dividen en dos grupos Peacuterdidas debidas a la posicioacuten relativa de los colectores los cuales se pueden dar sombra unos a otros Peacuterdidas inherentes a cada colector son las debidas al aacutengulo de incidencia de
la radiacioacuten solar (g) respecto a la normal del plano de apertura del colector (figura
12)
Figura 12 Aacutengulo de incidencia en un Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
Como consecuencia de este aacutengulo existe una peacuterdida de superficie reflexiva uacutetil en los extremos del colector Por tanto el aacutengulo de incidencia tiene gran importancia sobre el comportamiento teacutermico del colector puesto que limita la cantidad de radiacioacuten solar que se puede aprovechar Se hizo una comparacioacuten del aacutengulo de incidencia en cuanto a la orientacioacuten y el seguimiento solar del colector ciliacutendrico paraboacutelico
Si la orientacioacuten (g) es de Norte-Sur con seguimiento solar Este-Oeste g = 0ordm
Si la orientacioacuten (g) es de Este-Oeste con seguimiento solar Norte-Sur g = 90ordm
Declinacioacuten seguacuten foacutermula de Cooper (Ribot J 2001)
119889 = 2345 ∙ 119904119890119899 [360 ∙(284+119899)
365] (5)
Siendo ldquonrdquo el nuacutemero de diacutea natural para el 1 de enero n=1 y para el 31 de diciembre
n=365
El aacutengulo horario se calcula seguacuten la foacutermula
30
120591 = 15deg ∙ (ℎ119904 minus 12) (6)
Siendo ldquohsrdquo las horas de reloj El valor es negativo por la mantildeana y positivo tras el mediodiacutea y cero al mediodiacutea solar
Se consideroacute el aacutengulo horario 0ordm por ser el mediodiacutea solar donde maacutes radiacioacuten incide sobre la tierra con el objetivo de simplificar los caacutelculos
Se consideroacute el aacutengulo de inclinacioacuten igual a 0ordm (disposicioacuten horizontal) por ser maacutes eficiente
La latitud del lugar en estudio (UEB uml George Washington uml) Santo Domingo es de 22587ordm
Las peacuterdidas asociadas al aacutengulo de incidencia son miacutenimas cuando el aacutengulo es
0ordm cos 120579119904 = 1 y maacuteximas cuando es 90ordm Por tanto cuanto menor sea el aacutengulo de incidencia mayor es la energiacutea solar incidente sobre el colector y mayor es el rendimiento del mismo
215 Peacuterdidas oacutepticas
Caacutelculo del rendimiento oacuteptico pico del colector 120578119900119901119905119874119900 que es aquel que tiene en
cuenta todas las peacuterdidas oacutepticas que tienen lugar en el captador con un aacutengulo de incidencia de 0ordm 120578119900119901119905119874119900 = 120588 ∙ 120574 ∙ 120591 ∙ 120572 (7)
Donde
120588 Reflectancia no toda la energiacutea incidente es reflejada hacia el tubo absorbedor
120574 Factor de interceptacioacuten no toda la radiacioacuten reflejada por los espejos acaba incidiendo sobre el tubo absorbedor Las causas son diversas imperfecciones en los espejos un mal posicionamiento de los colectores etc
120591 Transmitancia de aquella radiacioacuten que intercepta el tubo de vidrio solo una parte consigue atravesarlo
α Absortancia cantidad de radiacioacuten que absorbe la superficie selectiva del tubo metaacutelico
Ademaacutes de las peacuterdidas debidas al aacutengulo de incidencia existen otras peacuterdidas que se asocian a dicho aacutengulo El efecto del aacutengulo de incidencia en el rendimiento del CCP se cuantifica mediante el modificador por aacutengulo de incidencia 119870(120579119904) Eacuteste considera todas las peacuterdidas oacutepticas y geomeacutetricas que tienen lugar en el captador
para un aacutengulo de incidencia 120579119904 ne 0ordm y que no se tienen en cuenta en el rendimiento oacuteptico pico
31
El modificador por el aacutengulo de incidencia depende directamente del aacutengulo de
incidencia siendo 119870(120579119904) = 1 para 120579119904 = 0deg y siendo 119870(120579119904) =0 para 120579119904 = 90deg y se
obtiene como funcioacuten de eacuteste seguacuten la expresioacuten
119870(120579119904) = 1 minus 223073 ∙ 10minus4 ∙ (120579119904) minus 11 ∙ 10minus4 ∙ (1205791199042) + 318596 ∙ 10minus6 ∙ (120579119904
3) minus 485509 ∙
10minus9 ∙ (1205791199044) (8)
216 Peacuterdidas teacutermicas
Las peacuterdidas teacutermicas que tiene lugar en un CCP dan como consecuencia que la energiacutea teacutermica uacutetil sea menor que la energiacutea solar absorbida por el colector Teniendo en cuenta esto la potencia teacutermica uacutetil por colector seraacute igual la diferencia entre los calores absorbido y perdido
119906119905119894119897 = 119886119887119904 minus 119901119890119903119889 (9)
Doacutende
119906119905119894119897 ∶ 119875119900119905119890119899119888119894119886 119905eacute119903119898119894119888119886 uacute119905119894119897 119901119900119903 119888119900119897119890119888119905119900119903 (119882)
119886119887119904 119862119886119897119900119903 119886119887119904119900119903119887119894119889119900 119901119900119903 119890119897 119891119897119906119894119889119900 119889119890 119905119903119886119899119904119891119890119903119890119899119888119894119886 119889119890 119888119886119897119900119903 (119867119879119865) (119882)
119901119890119903119889 119875eacute119903119889119894119889119886119904 119905eacute119903119898119894119888119886119904 119889119890119897 119867119879119865 119886119897 119886119898119887119894119890119899119905119890 (119882)
Peacuterdidas teacutermicas en el aceite teacutermico (HTF) Las peacuterdidas teacutermicas se producen a lo largo del circuito por donde se mueve el fluido teacutermico principalmente en dos lugares en el tubo absorbedor y en las tuberiacuteas del campo de colectores De manera que la potencia teacutermica disipada en el colector equivale a la suma de las peacuterdidas teacutermicas en el receptor y las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas por donde circula el fluido teacutermico (HTF)
119876119901119890119903119889 = 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 + 119875119890119903119889119905119906119887119890119903 (10)
Las peacuterdidas teacutermicas asociadas al tubo absorbedor 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 se deben a la diferencia de temperaturas entre eacuteste y el ambiente pudiendo ser por conduccioacuten por radiacioacuten y por conveccioacuten desde el tubo absobedor al ambiente Aunque cada una de estas peacuterdidas podriacutea calcularse aplicando las ecuaciones que rigen los mecanismos de transferencia de calor antes mencionados en la praacutectica las peacuterdidas teacutermicas globales en un colector se cuantifican mediante ecuaciones experimentales Asiacute las peacuterdidas teacutermicas en el tubo absorbedor por metro longitudinal de colector vienen dadas por la ecuacioacuten
119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 =1198751198901199031198891+1198751198901199031198892+1198751198901199031198893+1198751198901199031198894
119879119904minus119879119890 (11)
32
Doacutende
1198751198901199031198891 = (1198600 + 1198605 ∙ radic119907) ∙ (119879119904 minus 119879119890) (12)
1198751198901199031198892 = (1198601 + 1198606 ∙ radic119907) ∙ (119879119904
2minus1198791198902
2minus 119879119886119898119887 ∙ (119879119904 minus 119879119890)) (13)
1198751198901199031198893 = (1198602+1198604∙119863119873119868∙119870(120579119904)∙cos(120579119904)
3∙ (119879119904
3 minus 1198791198903)) (14)
1198751198901199031198894 =1198603
4∙ (119879119904
4 minus 1198791198904) (15)
Siendo
119879119904 Temperatura del HTF a la salida del campo solar
119879119890 Temperaturas del HTF a la entrada del campo solar
119879119886119898119887 Temperatura ambiente
119907 Velocidad del viento (ms)
Los coeficientes empleados en las foacutermulas se recogen en la tabla 5
Tabla 5 Coeficientes de peacuterdidas teacutermicas
A0 405
A1 0247
A2 -000146
A3 565E-06
A4 762E-08
A5 -17
A6 00125
En general las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas (119875119890119903119889119905119906119887119890119903 ) del campo de colectores son pequentildeas del orden de 8 Wm2 Finalmente la potencia teacutermica disipada por el aceite teacutermico a su paso por un colector es
33
119901119890119903119889 = 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 ∙ 119871119888119900119897119890119888119905119900119903 + 119875119890119903119889119905119906119887119890119903 ∙ 119878119888 (16)
Doacutende
119878119888 Aacuterea de apertura del colector (Ver tabla 1)
Un colector como todos los sistemas de concentracioacuten de la energiacutea solar solo puede aprovechar la radiacioacuten solar que incide normal a su plano de apertura De esta forma la energiacutea solar por unidad de tiempo y en el punto de disentildeo que incide sobre la superficie de apertura de un CCP viene dada por la ecuacioacuten
119904119900119897 = 119863119873119868 ∙ cos(120579119904) ∙ 119878119888 (17)
La potencia absorbida por el colector 119886119887119904 va a ser menor que la 119904119900119897 ya que eacutesta uacuteltima no tiene en cuenta las peacuterdidas oacutepticas y geomeacutetricas en el colector ni la limpieza de los espejos ni la disponibilidad del campo solar La radiacioacuten solar absorbida en un colector CCP viene dada por la ecuacioacuten
119886119887119904 = 119863119873119868 ∙ cos(120579119904) ∙ 119878119888 ∙ 119870 ∙ (120579119904) ∙ Ƞ1199001199011199050ordm ∙ 119865119888 ∙ 119865119889119894119904119901 (18)
Siendo
119865119888 Factor de ensuciamiento de los espejos (95 )Tiene en cuenta que aunque los espejos se limpien no recuperan su estado inicial 119865119889119894119904119901 Factor de disponibilidad (97 ) Fraccioacuten del campo solar que estaacute en
operacioacuten y captando la energiacutea solar El rendimiento global de un CCP viene dado por el cociente entre el aumento de entalpia en el HTF a su paso por el colector y la energiacutea solar incidente sobre el captador
Ƞ119888119900119897119890119888 =119876119906119905119894119897
119876119904119900119897 (19)
22 Dimensionamiento del campo solar de la zona de la UEB uml George
Washington uml
El dimensionamiento del campo solar consiste en determinar el nuacutemero de CCPs (o nuacutemero de lazos) necesarios para aportar la energiacutea que demanda este en el punto de disentildeo (Hidalgo 2012)
Para dimensionar el campo solar es necesario evaluar las condiciones del terreno
donde se va a realizar el montaje de los colectores y hacer un balance energeacutetico
del generador de vapor solar
34
221 Caracterizacioacuten del terrero
Se tuvo en cuenta el relieve y el tamantildeo del terreno cercano al central lo que resulto favorable para abaratar la inversioacuten en cuanto a movimientos de tierra y compra de terrenos Los recursos hiacutedricos ya tienen una infraestructura creada puesto que son necesarios para el proceso que realiza la faacutebrica actualmente Esto se basa en posos que bombean el agua hasta los filtros donde se realiza el tratamiento externo al agua y van luego al proceso todo este sistema ya se encuentra instalado y en buenas condiciones lo que resulta de gran ayuda para el proyecto futuro de Bioeleacutectrica
222 Balance energeacutetico en el generador de vapor solar (GVS)
Para calcular el nuacutemero de lazos necesarios en el campo solar es preciso conocer primero la potencia teacutermica que puede aportar el campo solar en el punto de disentildeo esto se determina mediante la foacutermula
119888119886119898119901119900 =119882119890119897119890119888119905
120578119905119906119903119887 (20)
Doacutende
119888119886119898119901119900 Potencia teacutermica del campo solar
119882119890119897119890119888119905 Potencia eleacutectrica de la turbina
120578119905119906119903119887 Eficiencia termo-mecaacutenica de la turbina (Se asumioacute de 68)
Seguidamente hay que establecer el balance de masas y energiacutea en el Generador de vapor solar (GVS) El GVS se disentildea para recuperar la energiacutea del fluido teacutermico procedente del campo solar Para el intercambiador de calor (GVS) se cumple que la cantidad de calor transferido por unidad de tiempo permanece constante o lo que es lo mismo la energiacutea total es la misma antes y despueacutes de cada transformacioacuten El balance energeacutetico en un intercambiador de calor se resuelve mediante la ecuacioacuten
119886119892119906119886 ∙ ∆119867119886119892119906119886 = 119886119888119890119894119905119890 ∙ ∆119867119886119888119890119894119905119890 (21)
Ademaacutes para cada fluido de forma individual se cumple que
= 119886119888119890119894119905119890 ∙ 119862119901119886119888119890119894119905119890∙ ∆119879 = 119898119886119888119890119894119905119890 ∙ (ℎ119904 minus ℎ119890) (22)
Doacutende
∆H Diferencia de entalpiacuteas a la entrada y a la salida del intercambiador (kJkg)
Q Potencia teacutermica intercambiada (kW)
35
m Caudal maacutesico (kgs) Cp Calor especiacutefico (kJkg ordmC)
∆T Diferencia de temperaturas a la entrada y la salida del intercambiador (ordmC) hs he Entalpiacuteas a la entrada y a la salida respectivamente (kJKg) Y seguacuten el teorema de conservacioacuten de la masa se tiene que
119890119899119905119903119886 = 119904119886119897119890
223 Caacutelculo del nuacutemero de lazos
Los caacutelculos que se han desarrollado en los acaacutepites anteriores constituyen los datos de partida para el caacutelculo del nuacutemero de colectores requeridos en el campo solar para poder alcanzar la potencia teacutermica demandada al campo solar
Caracteriacutesticas del aceite teacutermico (HTF)
El aceite teacutermico que se ha empleado como fluido calo-portador es Therminol VP-1 cuyo rango de temperatura de trabajo se encuentra entre 12-400ordmC La temperatura a la salida del campo solar no debe excederse de los 400ordmC ya que para temperaturas superiores el aceite se degrada y pierde sus propiedades teacutermicas A continuacioacuten se presentan las graacuteficas correspondientes a variacioacuten de densidad y entalpiacutea del aceite teacutermico Therminol VP-1 con la temperatura figuras 13 y 14 respectivamente y que han sido elaboradas a partir de datos del fabricante
Figura 13 Therminol VP-1 Entalpiacutea vs Temperatura
36
Figura 14 Therminol VP-1 Densidad vs Temperatura(Hidalgo 2012)
Para determinar el nuacutemero de lazos necesarios en el campo solar se ha seguido la siguiente metodologiacutea de caacutelculo
Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF
Incremento de temperatura del HTF en un colector
Nuacutemero de colectores necesarios por lazo Nuacutemero de lazos en el campo solar
224 Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF por cada lazo
El caudal de aceite estaacute controlado por la temperatura de salida del campo Cuando la radiacioacuten solar es baja el flujo se reduce con el objetivo de mantener la temperatura de salida del campo y por el contrario cuando la radiacioacuten solar es superior a la del punto de disentildeo los colectores se desenfocan para evitar que el aceite exceda los 393ordmC La velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor se calcula a partir de la expresioacuten del nuacutemero de Reynolds
119877119890 =119907∙119863∙120588
120583 (23)
Doacutende
119907 Velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor (ms) (Se asumioacute una
velocidad de 3 ms la cual es una velocidad econoacutemica)
119877119890 Nuacutemero de Reynolds (-)
120583 Viscosidad dinaacutemica del HTF a la temperatura media de trabajo (Pas)
119863 Diaacutemetro interior del tubo absorbedor (m)
120588 Densidad del HTF a la temperatura media de trabajo (kgm3)
37
Para cumplir con los requisitos de flujo turbulento el caudal miacutenimo de aceite que circula por un lazo en el punto de disentildeo es
= 119907 ∙ 119878 ∙ 120588 (24)
Siendo S en m2 la seccioacuten transversal interior del tubo absorbedor
225 Incremento de temperatura del HTF en un colector
La potencia teacutermica uacutetil del colector se invierte en aumentar la temperatura del aceite De esta forma el incremento de temperatura que sufre el aceite teacutermico a su paso por un colector es decir desde que entra en el colector y hasta que sale del mismo es
∆119879119888119900119897119890119888 = 119879119904 minus 119879119888 =uacute119905119894119897
∙119862119901 (25)
∆119879119888119900119897119890119888 Incremento de temperatura del aceite teacutermico en el colector (ordmC)
119879119888 119879119904 Temperatura del HTF a la entrada y a la salida del colector respectivamente
(ordmC)
119906119905119894119897 Potencia teacutermica uacutetil por colector (W)
Caudal maacutesico de aceite teacutermico por colector (kgs)
119862119901 Calor especiacutefico del aceite teacutermico a la temperatura media de trabajo (kJkg ordmC)
226 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
El incremento total de temperatura del HTF por lazo ΔT lazo es igual a la diferencia entre las temperaturas a la salida y a la entrada del campo solar Por tanto el nuacutemero teoacuterico de colectores en serie por lazo seraacute igual a
119873119888119900119897119890119888 =∆119879119897119886119911119900
∆119879119888119900119897119890119888 (26)
119873119888119900119897119890119888 Nuacutemero teoacuterico de colectores por lazo
∆119879119897119886119911119900 Incremento de temperatura por lazo (ordmC)
Esto implica el salto teacutermico y caudal maacutesico por lazo que es necesario tener el aceite para asiacute poder alcanzar la temperatura de entrada del agua en el economizador
227 Nuacutemero de lazos en el campo solar
A diferencia del nuacutemero de colectores que viene fijado por el salto de temperatura del aceite teacutermico en el campo el nuacutemero de lazos paralelos que conforman el campo solar depende de la potencia teacutermica demanda por el campo El nuacutemero de lazos es igual al cociente entre la potencia teacutermica del campo solar y la potencia teacutermica uacutetil por colector
38
119925119949119938119963119952 =119940119938119950119953119952
uacute119957119946119949 119935119949119938119963119952 (27)
Doacutende
119925119949119938119963119952 Nuacutemero de lazos
119940119938119950119953119952 Potencia teacutermica del campo solar (kW)
uacute119957119946119949 Potencia teacutermica uacutetil por lazo (kW)
23 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un
antildeo)
Para el caacutelculo de las toneladas de CO2 dejadas de emitir se utilizaraacute el iacutendice de
generacioacuten de una planta convencional de combustible foacutesil que para Cuba es de
270 gkWh Con este iacutendice y el aumento de la produccioacuten de energiacutea eleacutectrica con
la incorporacioacuten del campo solar se calcularaacute el ahorro de combustible foacutesil y a este
valor de combustible sustituido y el uso de los factores de emisioacuten de CO2 mostrados
en la siguiente (tabla 6) se podraacute determinar cuaacutentas toneladas de CO2 es capaz de
evitar la instalacioacuten del campo solar
Tabla 6 Factores de emisioacuten de especies especificadas
Tecnologiacutea CO (gkgf) SO2 (gkgf) NO2eq (gkgf) PM10
(gkgf)
CO2
(kgkgf)
CIE-HFO 24 27 128 528 306
CIE-DO 12 4 84 195 313
Fuente (EPA 2004)
24 Factibilidad econoacutemica del proyecto
Para el caacutelculo de la rentabilidad econoacutemica se optimizoacute la dimensioacuten del campo solar que fuera maacutes rentable para este trabajo donde se tuvo en cuenta el nuacutemero de lazos necesarios del campo y la tasa interna de retorno
241 Valor actual neto (VAN)
El VAN permite calcular el valor presente de un determinado nuacutemero de flujos de caja futuros originados por una inversioacuten teniendo en cuenta la peacuterdida de valor del dinero en el tiempo a traveacutes de una tasa de descuento (Martiacutenez 2017) y se calcula mediante la siguiente ecuacioacuten
39
(28)
Donde
119868119900 Costo inicial de la inversioacuten FC Flujo de caja n El tiempo para el cual se requiere calcular el VAN i La tasa de descuento Meacutetodo de caacutelculo mediante el Excel Para calcular el VAN es necesario conocer el flujo de caja teniendo en cuenta los ingresos y los gastos Ingresos El ingreso es debido a la venta de energiacutea eleacutectrica a la red para ello se utilizoacute un precio de 021 (USDkWh) Ingresos por ventas
119868119899119892119903119890119904119900=119875119903119890119888119894119900 (119880119878119863119896119882ℎ)lowast119864119899119890119903119892iacute119886 (29) Gastos Costo fijo de operacioacuten y mantenimiento Se calcula primero la inversioacuten total mediante la ecuacioacuten siguiente
119894119899119907119890119903119904119894oacute119899 119905119900119905119886119897=119862119900119904119905119900 119906119899119894119905119886119903119894119900 119889119890 119894119899119907119890119903119904119894oacuten (119880119878119863119896119882119890)lowast119875119900119905119890119899119888119894119886 (kWe) (30) Entonces se calcula el costo fijo de operacioacuten y mantenimiento
119862119891=119894119899119907119890119903119904119894oacute119899 119905119900119905119886119897lowast02 (31) Donde
119862119891 Costo fijo de operacioacuten y mantenimiento
Costo variable de operacioacuten y mantenimiento
119862119907=119864119899119903119892iacute119886 (119896119882ℎ)lowast002(119880119878119863119896119882ℎ) (32)
Donde
119862119907 Es el costo variable de operacioacuten y mantenimiento A continuacioacuten se calcula la utilidad antes de impuesto que es la diferencia entre los ingresos y los costos de operacioacuten fijo y variable 119880119879119860=119894119899119892119903119890119904119900minus(119862119891+119862119907) (33)
Donde
119880119879119860 Es la utilidad antes de impuesto o neta Entonces el impuesto en Cuba es del 35 de la utilidad neta
40
119868119898119901119906119890119904119905119900=035lowast(119880119878119863) (34)
El flujo de caja quedariacutea como
119865119888=119880119879119860 (119880119878119863)minus119868119898119901119906119890119904119905119900 (119880119878119863) (35)
Teniendo el flujo de caja se puede calcular el VAN aplicando la tasa de descuento
del 10
Si VAN gt 0 El proyecto es rentable
Si VAN = 0 El proyecto es postergado
Si VAN lt 0 El proyecto no es rentable
242 Tasa interna de retorno (TIR)
Se define como la tasa de descuento que iguala el VAN a cero
Si TIR gt tasa de descuento (r) El proyecto es aceptable
Si TIR = tasa de descuento (r) El proyecto es postergado
Si TIR lt tasa de descuento (r) El proyecto no es aceptable La TIR es aquella tasa de descuento que iguala el valor actual de la corriente de cobros con el valor actual de la corriente de pagos por lo que es la tasa de descuento que hace al VAN igual a cero y puede utilizarse como indicador de la rentabilidad de un proyecto se utiliza como uno de los criterios para decidir sobre la aceptacioacuten o rechazo de un proyecto de inversioacuten (Martiacutenez 2017) y se puede expresar de la siguiente forma
(36) Para simplificacioacuten de los caacutelculos se utilizoacute el software Microsoft Excel que de forma iterativa busca este valor se utilizoacute la estimacioacuten de los flujos de caja para 25 antildeos al igual que para el caacutelculo del VAN
243 Periacuteodo de recuperacioacuten de la inversioacuten
El periacuteodo de recuperacioacuten se cumple cuando la suma de los flujos de caja consecutivos desde el primer antildeo da como resultado el valor de la inversioacuten pero teniendo en cuenta el efecto del tiempo sobre el dinero Calculado de esta manera se conoce como periacuteodo de recuperacioacuten de la inversioacuten descontado Para obtenerlo se hallaron todos los flujos de caja para 25 antildeos consecutivos que es el tiempo de estudio del proyecto entonces se le restoacute el descuento correspondiente a cada antildeo y se graficoacute el resultado quedando como una curva
41
Conclusiones parciales
En este capiacutetulo se realizoacute un estudio de la metodologiacutea de caacutelculo para la
realizacioacuten del dimensionamiento del campo solar para la tecnologiacutea de colectores
cilindro paraboacutelico para esto se escogioacute la metodologiacutea planteada por (Hidalgo
2012) Siendo fundamental el estudio de la radiacioacuten solar de la zona en que estaacute
situada la instalacioacuten Tambieacuten se tuvo en cuenta el acceso a los recursos hiacutedricos
y la cercaniacutea a la red eleacutectrica nacional lo cual no tuvo ninguna dificultad puesto
que donde se pretende ubicar el campo ya existe una instalacioacuten con todas estas
necesidades cubiertas que es el central al cual se pretende convertir en
bioeleacutectrica Luego de estos anaacutelisis y una vez dimensionado el campo solar se
realizoacute el caacutelculo de la rentabilidad econoacutemica seguacuten lo planteado por (Martiacutenez
2017) planteaacutendose como principales indicadores econoacutemicos el costo nivelado de
la energiacutea generada costo de inversioacuten VAN y TIR El impacto ambiental se tuvo
en cuenta mediante el caacutelculo de las emisiones de CO2 dejadas de emitir si la
energiacutea generada con el excedente de bagazo ahorrado por la insercioacuten del campo
hubiera sido generada por una planta teacutermica convencional
42
Capiacutetulo 3 Resultados y Discusioacuten
En este capiacutetulo se exponen los resultados de los caacutelculos efectuados y a la vez se
interpreta el porqueacute de estos asiacute como la discusioacuten de las bibliografiacuteas consultadas
31 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB umlGeorge Washington uml
311 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa
Para el caacutelculo de la radiacioacuten solar directa (DNI) primeramente se halloacute el aacutengulo
de declinacioacuten de cada mes Dicho aacutengulo se anuloacute para el 22 de Marzo y el 23 de
Septiembre puesto que ocurren los equinoccios momento del antildeo en que el sol estaacute
situado en el plano del ecuador terrestre y alcanzoacute el valor maacuteximo positivo el 22 de
Junio y el valor maacuteximo negativo el 22 de diciembre diacuteas en que ocurren los
solsticios que son los momentos del antildeo en los que el sol alcanza su mayor o menor
altura aparente en el cielo y la duracioacuten del diacutea o de la noche son las maacuteximas del
antildeo respectivamente (figura 15)
Figura 15 Aacutengulo de declinacioacuten para los diferentes meses del antildeo
Los valores de DNI que inciden en la zona de la UEB umlGeorge Washingtonuml se
mantuvieron como promedio por encima de 10 kWhm2diacutea seguacuten la metodologiacutea
de caacutelculo empleada siendo oacuteptimos para la instalacioacuten de este tipo de tecnologiacutea
Esto pudiera ser debido a que por la metodologiacutea de caacutelculo solo se tuvo en cuenta
la latitud geograacutefica y el diacutea del antildeo en que se analizoacute dicha radiacioacuten por esta
razoacuten se observoacute que sus valores fueron mayores que los valores de radiacioacuten solar
-30
-20
-10
0
10
20
30
Gra
dos s
exagesim
ale
s
Aacutengulo de declinacioacuten
43
directa que aporta la base de datos de la NASA (httpeosweblarcnasagovsse
2017) como promedio 506 kWhm2diacutea y los aportados por el Instituto de
Meteorologiacutea cubano para esta zona (como promedio 582 kWhm2diacutea) idoacuteneo para
este tipo de tecnologiacutea de los datos de radiacioacuten analizados se utilizoacute para los
caacutelculos siguientes de dimensionamiento del campo los aportados por el instituto de
meteorologiacutea cubano por ser los maacutes especiacuteficos y detallados de todas las fuentes
consultadas Algunos meses como noviembre y diciembre no alcanzan el valor
idoacuteneo de 47 kWhm2-diacutea sin embargo (La Rosa 2014) planteoacute que Cuba se
localiza en una zona geograacutefica de alta radiacioacuten solar y que se caracteriza por la
gran cantidad de diacuteas soleados en el antildeo
Figura 16 Comparacioacuten entre el DNI calculado por la metodologiacutea el aportado por la NASA
y el obtenido por el Instituto de Meteorologiacutea cubano
En cada metro cuadrado del territorio cubano se recibe diariamente una cantidad de
energiacutea solar equivalente a medio kilogramo de petroacuteleo combustible valor
promedio praacutecticamente invariable durante todo el antildeo Otra de las caracteriacutesticas
de la radiacioacuten solar en Cuba es que su valor es casi igual en todo el paiacutes ya que
la diferencia en latitud desde el lugar maacutes bajo hasta el maacutes alto es de soacutelo 3 grados
Por lo tanto la radiacioacuten solar en Cuba es utilizable en todo el territorio y durante
todo el antildeo con un valor medio de maacutes de 5 kWhm2diacutea tanto en su forma de
bioenergiacutea o biomasa energiacutea hidraacuteulica energiacutea eoacutelica o directamente convertida
en calor o electricidad (Beacuterriz 2000)
0
2
4
6
8
10
12
14
DN
I (k
Whm
2-d
iacutea)
meses
Radiacioacuten solar
Calculado NASA Meteorologiacutea cubana
44
312 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea
Luego de haber calculado la semiduracioacuten diurna en grados sexagesimales (WS)
para cada diacutea del antildeo en la zona de la UEB umlGeorge Washingtonuml se calcularon las
horas de luz solar durante el diacutea lo cual se muestra promediado en la tabla 7 donde
se ve que esta es mayor que 10 horas asiacute como tambieacuten se observa que son maacutes
largos los diacuteas en los meses de verano (Abril-Agosto)
Tabla 7 promedio de horas de sol al diacutea por meses del antildeo
32 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
Se realizoacute el balance energeacutetico del CCP teniendo en cuenta las peacuterdidas que
sucedieron en el mismo debido a su fabricacioacuten y a su posicioacuten
321 Peacuterdidas geomeacutetricas
Peacuterdidas debidas a la posicioacuten relativa de los colectores
En este trabajo no se tuvo en cuenta las peacuterdidas por sombras ya que se asumioacute
que la construccioacuten de estos colectores iba a estar lo suficientemente separados
para que no se pudieran dar sombra unos a otros
Peacuterdidas inherentes a cada colector
Se comparoacute el aacutengulo de incidencia en cuanto a la orientacioacuten y el seguimiento solar
del colector ciliacutendrico paraboacutelico Se seleccionoacute la orientacioacuten N-S con seguimiento
solar E-O por lo que se seleccionoacute para el caacutelculo del resto de las variables (g = 0)
Para la inclinacioacuten del colector se tomoacute con eje horizontal (s = 0) Se consideroacute el
aacutengulo horario 0ordm por ser el mediodiacutea solar donde maacutes radiacioacuten incide sobre la
tierra con el objetivo de simplificar los caacutelculos
Con los datos calculados anteriormente se halloacute el aacutengulo de incidencia (figura 17)
En este caso se observa que a diferencia de la radiacioacuten solar directa el aacutengulo de
incidencia es menor para los meses de verano reafirmando que a menor aacutengulo de
incidencia mayor la radiacioacuten que va a captar el colector
enero febrero marzo abril mayo junio julio agosto septiembre octubre noviembre diciembre
108 112 119 125 131 134 132 127 121 114 109 106
45
Figura 17 Aacutengulo de incidencia por meses para una orientacioacuten N-S con seguimiento solar
E-O
322 Peacuterdidas oacutepticas
Las caracteriacutesticas oacutepticas del colector ET-150 se reflejaron en la tabla 8 y con estas
se calculoacute el rendimiento oacuteptico
Tabla 8 Caacutelculo del rendimiento oacuteptico
Rendimiento oacuteptico
ntilde Reflectividad superficie reflectora 090
ocirc Transmisividad del cristal absorbedor 095
aacute Absortividad del tubo del absorbedor 096
ɣ Factor de interceptacioacuten 095
Ƞopt0ordm= 078
Cuanto mayor es el valor del rendimiento oacuteptico mayor seraacute el rendimiento del
captador Asiacute cuanto mayor sea el valor de las variables que lo definen mejor seraacute
el rendimiento de los captadores (Rojas 2013)
Ademaacutes de las peacuterdidas debidas al aacutengulo de incidencia existen otras peacuterdidas que
se asocian a dicho aacutengulo El efecto del aacutengulo de incidencia en el rendimiento del
CCP se cuantifica mediante el modificador por aacutengulo de incidencia 119870(120579119904)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Gra
do
s se
xage
sim
ale
s
Aacutengulo de incidencia
46
323 Peacuterdidas teacutermicas
Se calculoacute la potencia teacutermica uacutetil la potencia teacutermica absorbida y la potencia
teacutermica perdida La energiacutea teacutermica uacutetil fue menor que la energiacutea teacutermica absorbida
Esto es debido a las peacuterdidas teacutermicas que se presentan en este tipo de tecnologiacutea
Durante los meses de verano existioacute un descenso de las diferentes potencias
calculadas a causa de las condiciones de nubosidad (lluvia) para esta eacutepoca del
antildeo (figura 18) Para los meses de invierno las potencias decrecieron debido a la
disminucioacuten de la radiacioacuten solar tiacutepico en esta eacutepoca del antildeo
Figura 18 Energiacutea solar por unidad de tiempo radiacioacuten solar absorbida en un colector
peacuterdidas teacutermicas y potencia teacutermica uacutetil para todos los meses del antildeo
Estas peacuterdidas teacutermicas influyeron negativamente en el rendimiento global del
colector CCP ET-150 que tuvo un valor aproximado al 70 Para los meses de
verano hubo un mayor rendimiento aunque este se vio afectado por la nubosidad
El funcionamiento teacutermico de cualquier captador solar estaacute determinado por el
llamado rendimiento global definido como la relacioacuten entre la potencia teacutermica que
es capaz de proporcionar o potencia teacutermica uacutetil y la potencia procedente del Sol
que se tome como referencia No toda la potencia solar puede ser absorbida por el
receptor Existen una serie de peacuterdidas de energiacutea debidas tanto a la geometriacutea y
oacuteptica del captador como a las propiedades de los materiales del propio receptor
que hay que tener en cuenta (Rojas 2013)
16
161
162
163
164
165
166
167
168
169
17
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Qp
er(
kW
h)
Qso
lu
til(
kW
h)
meses
Peacuterdidas teacutermicas
Qsol Qutil Qperd
47
33 Dimensionamiento del campo solar
331 Caracterizacioacuten del terrero
El terreno del central George Washington es llano desprovisto de grandes
obstaacuteculos que puedan crear dificultades en la construccioacuten del campo y crear
sombras que entorpezcan la radiacioacuten del sol en los espejos reflectores Estaacute
cercano a la carretera y consta con posos que facilita el acceso a los recursos
hiacutedricos en el emplazamiento Estaacute solucionado el problema de la conectividad a la
red eleacutectrica nacional puesto que el central ya contaba con esta infraestructura Por
lo tanto posee las condiciones idoacuteneas para la instalacioacuten de un campo solar
332 Balance energeacutetico en el intercambiador de calor
A partir de la temperatura que se quiere elevar el agua de alimentacioacuten de la caldera
(260 oC) y el flujo de esta (255 kgs) se determina una cantidad de energiacutea teacutermica
que debe suministrar el campo para suplir esta demanda Dicha energiacutea teacutermica se
logra a traveacutes de la radiacioacuten solar captada por los colectores la cual es transferida
en forma de calor a un fluido portador en este caso aceite HTF Este necesita un
determinado flujo para absorber toda esa energiacutea y luego transferirla al agua Los
caudales necesarios para la captacioacuten de este calor se encuentran en la (tabla 9)
Tabla 9 Paraacutemetros termodinaacutemicos en el intercambiador de calor
Datos Agua de
alimentacioacuten Aceite teacutermico
Caudal(kgs) 255 462
Temperatura(ordmC) 166 300
Presioacuten (bar) 67 25
Entalpiacutea (kJkg) 6974 490
Con estos datos se concluye que para calentar un flujo de agua de 255 kgs (a
temperatura de 166ordmC y presioacuten de 67 bar) hasta alcanzar una temperatura de
260ordmC se necesita un flujo de energiacutea teacutermica de 106225 kW lo cual es
proporcionada por 462 kgs de aceite teacutermico proveniente del campo solar que estaacute
a una temperatura de 300ordmC y presioacuten de 25 bar
48
333 Caacutelculo del nuacutemero de lazos
3331 Caacutelculo del caudal miacutenimo de circulacioacuten del fluido de transferencia de
calor (HTF) por cada lazo
Para que exista un flujo turbulento por el interior del tubo absorbedor a una velocidad
del fluido econoacutemica de 3 ms el caudal miacutenimo de circulacioacuten debe ser de 86 kgs
(tabla 10)
Tabla 10 Caudal miacutenimo de circulacioacuten del fluido de transferencia de calor (HTF) por
cada lazo
Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF por cada lazo 86 kgs
Nuacutemero de Reynolds 874E+5
Velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor 3 ms
Viscosidad dinaacutemica del HTF a la temperatura media de
trabajo 194E-04 kgmmiddots
Densidad del HTF a la temperatura media de trabajo 870 Kgm3
3332 Incremento de la temperatura del HTF en un colector
Para calentar el flujo de aceite de 200 a 300ordmC lo cual equivale a un salto teacutermico
por lazo de 100ordmC es necesario 4 colectores por lazo Por tanto el salto de
temperatura promedio del HTF a su paso por un colector es aproximadamente de
283ordmC (tabla 11)
Tabla 11 Salto de temperatura promedio del HTF a su paso por un colector
meses ∆119931119949119938119963119952() ∆119827119836119848119845119838119836() 119821119845119834119859119848119852
Enero 100 248 40
Febrero 100 263 38
Marzo 100 301 33
Abril 100 343 29
Mayo 100 333 30
Junio 100 318 31
Julio 100 325 31
Agosto 100 330 30
Septiembre 100 286 35
Octubre 100 262 38
Noviembre 100 202 50
Diciembre 100 186 54
49
3333 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
El nuacutemero de colectores necesarios por lazo para cada mes se refleja en la (tabla
12) Con este resultado se concluye que la cantidad de colectores totales que debe
tener cada lazo del campo solar es aproximadamente de 4
Tabla 12 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo para cada mes del antildeo
Meses Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
Enero 40
Febrero 38
Marzo 33
Abril 29
Mayo 30
Junio 31
Julio 31
Agosto 30
Septiembre 35
Octubre 38
Noviembre 50
Diciembre 54
3334 Nuacutemero de lazos en el campo solar
Al ser la potencia teacutermica del campo solar 106225 kW y ser la potencia teacutermica uacutetil
promedio por lazo aproximadamente de 26556 kW el nuacutemero de lazos necesarios
por campo solar debe ser aproximadamente de 4
Para generar 106 MW teacutermico con una radiacioacuten promedio de 5355 Wm2 para todo
un antildeo la dimensioacuten del campo solar debe ser de 44448 m2 Esto se logra con un
total de 4 lazos con 4 colectores cada uno
334 Caacutelculo del ahorro de bagazo propiciado por el campo
Una de las ideas fundamentales de este proyecto es el ahorro de bagazo para su
uso fuera de temporada y asiacute no parar la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica por la
ausencia de combustible Para esto se halloacute el iacutendice de generacioacuten con el campo
(tabla 13) quedando un ahorro de maacutes de 25 mil toneladas de bagazo Pudiendo
dar un margen de 30 diacuteas maacutes de generacioacuten de electricidad lo que equivale a maacutes
de 14 mil MWe
50
Tabla 13 Generacioacuten en el periacuteodo de zafra y ahorro de bagazo propiciados por el campo
solar
Generacioacuten eleacutectrica total 111063 MWh
Iacutendice de generacioacuten sin campo 500 kWhtb
Iacutendice de generacioacuten con campo 575 kWhtb
Ahorro de bagazo 251586 TonZafra
Porciento de bagazo ahorrado 14
Generacioacuten con el excedente de Bagazo 14463 MWh
Seguacuten los datos de la tabla 13 y suponiendo que la zafra sea de 120 diacuteas sin contar
las paradas este resultado extenderiacutea la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica a 232 diacuteas
aproximadamente maacutes de la mitad del antildeo y solo se necesitariacutea para los restantes
133 diacuteas del antildeo abastecerse por medio de otra fuente como pudiera ser bagazo
aportado por centrales cercanos que funcionaran como tributarios o utilizar otro
combustible complementario como los residuos agriacutecolas cantildeero lentildea o carboacuten de
marabuacute
34 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un
antildeo)
Para el caacutelculo se halloacute el ahorro de combustible foacutesil con la incorporacioacuten del campo
solar De la (tabla 14) mostrada en el capiacutetulo anterior se tomoacute el valor para las
emisiones de CO2 que fue de 306 kgkgf lo que reflejoacute los siguientes resultados
Tabla 14 Ahorro de combustible y emisiones de CO2 dejadas de emitir propiciado por el campo
Iacutendice de generacioacuten de una planta
teacutermica convencional en Cuba 270 gkWh
Ahorro de combustible Foacutesil 3888 TCC
CO2 dejado de emitir 11897 Ton
35 Factibilidad econoacutemica del proyecto
Para los caacutelculos de factibilidad econoacutemica en este proyecto se ha tomado los
siguientes valores (tabla 15)
51
Tabla 15 Valores necesarios para el caacutelculo de la factibilidad econoacutemica
Precio de la electricidad 021 $kWh
Impuestos 30
Tasa de descuento 10
Vida uacutetil 25 antildeos
Tambieacuten se tuvieron en cuenta los costos de inversioacuten del campo solar (tabla 16)
Tabla 16 Costos de Inversioacuten del campo solar Fuente (IDEA 2013)
Captacioacuten y concentracioacuten de
energiacutea solar
Campo solar(CCP)
espejos 35 Eur m2
apertura
130800 m2
457800
euros
estructuras
metaacutelicas
72 Eur m2
apertura
13080
m2
941760
euros
sistemas de
posicionamiento
6600 Eurunid
16
unidades
108585
euros
movimiento de
tierras
21 Eur m2
apertura
13080
m2 27468000 euros
cimentacioacuten 37 Eur m2
apertura
13080
m2 48396000 euros
montaje 43 Eur m2
apertura
13080
m2 56244000 euros
nave de montaje 545 Eur m2
apertura
13080
m2 7128600 euros
costo total
2900511
euros
Sistema de conversioacuten solar teacutermico
aceite teacutermico 283 Eurkg
100
Kg 283 euros
tubos
absorbedores
892 Eurtubo
16
tubos
14675
euros
juntas rotativas 190 Eur unid 33 unidades 625187 euros
tuverias valvulas y
accesorios
13400 Eurlazo 4 lazos 4915834 euros
sistTrasiego
aceites
87000 Eurlazo 4 lazos 31916236 euros
sistPurificacioacuten
de aceite
380000 Eur unid 1 unidades 380000 euros
ProteccContra
incendios
11400 Eurlazo 1 lazos 11400 euros
sistInertizacioacuten 5900 Eurlazo 1 lazos 5900 euros
52
Intercambiador
aceite-vapor
240 EurkW 10623 kWe 2549400 euros
calderas GV 53 EurkWt - 0 euros
costo total 33362310 euros
TOTAL DEL COSTO DE INVERSIOacuteN
9137253
euros
9959606
doacutelares
Tabla 17 Costos de operacioacuten y mantenimiento (OampM) del campo solar en millones de
euros (MEUR MWantildeo) Fuente (IDEA 2013)
Personal 001 MEUR MWantildeo
Mantenimiento 004 MEUR MWantildeo
Otros 002 MEUR MWantildeo
total 007 MEUR MWantildeo
Tabla 18 Costos de operacioacuten y mantenimiento (OampM) del campo solar en MEUR Fuente
(IDEA 2013)
Potencia del
campo solar
11 MW
Personal 011
Mantenimiento 042
Otros 021
total 074
Esto equivale a un costo fijo de 1772000 doacutelares en operacioacuten y mantenimiento
Paraacutemetros operativos
Venta de electricidad 21 centkWh
Produccioacuten de electricidad solar 144626 MWhantildeo
Costos OampM campo solar 289252 USD antildeo
Costo nivelado de la energiacutea generada
Este costo se determinoacute al sumar los costos variables el de inversioacuten total y los
costos de operacioacuten y mantenimiento luego se dividioacute entre la generacioacuten total de
la planta en los 25 antildeos de vida uacutetil de esta tecnologiacutea quedando de 0032$kWh
351 Tasa interna de retorno (TIR)
Con un campo de 16 colectores y para las condiciones de este proyecto se obtuvo
una TIR de
TIR= 30
La TIR calculada fue mayor que la tasa de descuento por tanto el proyecto es
aceptable
53
352 Valor actual neto (VAN)
El valor actual neto es positivo con un valor que asciende a $ 34116545 por lo que
se cumple la condicioacuten de VAN mayor que cero por lo que el proyecto es rentable
353 Periacuteodo de recuperacioacuten (PR)
El tiempo en que se recupera esta inversioacuten es de aproximadamente 9 antildeos (figura
18)
Los costos de inversioacuten incluyen costes de Ingenieriacutea obtencioacuten de los permisos
necesarios y autorizaciones administrativas obra civil y equipo electromecaacutenico
Los beneficios corresponden a las ventas anuales de electricidad una vez
deducidos los gastos de operacioacuten y mantenimiento En general se estima en el
sector que para que una inversioacuten sea interesante el periacuteodo de recuperacioacuten no
debe exceder de 7 antildeos (Penche 1998) Este proyecto excede en dos antildeos lo
planteado por (Penche 1998) aunque sigue siendo factible e interesante para las
condiciones del paiacutes ya que como plantea el problema de investigacioacuten el principal
intereacutes de este trabajo es aumentar los diacuteas de generacioacuten de electricidad Debido
al problema que presenta Cuba con los iacutendices de generacioacuten se hace necesario
una mejora en este sector a toda costa priorizando esto quedando asiacute los periodos
de recuperacioacuten por detraacutes de este intereacutes primordial
Figura 19 Periacuteodo de recuperacioacuten en antildeos
Teniendo en cuenta estos tres iacutendices econoacutemicos calculados que se tuvieron en
cuenta para la rentabilidad econoacutemica de este proyecto se obtiene como resultado
que dicho proyecto es econoacutemicamente factible
-15000000
-10000000
-5000000
0
5000000
10000000
15000000
20000000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Doacutela
res
Antildeos
Periacuteodo de recuperacioacuten de la invercioacuten
54
Conclusiones
La tecnologiacutea de plantas hibridas solar-biomasa para el caso de Cuba es
potencialmente factible a partir de los valores encontrados de radiacioacuten solar
directa en todo el territorio alcanzando estos maacutes de 5 kWhm2-dia durante
todo el antildeo siendo favorable para la implementacioacuten de esta tecnologiacutea
El rendimiento global de cada colector tiene un valor aproximado del 70
debido a las peacuterdidas geomeacutetricas oacutepticas teacutermicas y por las condiciones
meteoroloacutegicas del lugar puesto que al ser Cuba una isla rodeada de mar
hay ocurrencia de un gran nuacutemero de precipitaciones y cielos nublados al
antildeo que afectan considerablemente el factor de disponibilidad del campo
solar
El campo solar tendraacute 4 colectores por lazo y 4 lazos por campo con una
potencia teacutermica de 106 MW lo que representa un aacuterea de casi 45 ha
aumentaacutendose el iacutendice de generacioacuten de electricidad de la planta con su
conversioacuten en planta hibrida (solar-biomasa) de 500 kWhtb a 575 kWhtb
Con la implementacioacuten del proyecto propuesto (hibridacioacuten biomasa-energiacutea
solar) se puede lograr un ahorro de 251586 toneladas de bagazo por zafra
lo que equivale a 30 diacuteas adicionales de generacioacuten eleacutectrica de la planta lo
que extenderiacutea la generacioacuten en la bioeleacutectrica a unos 230 diacuteas acercaacutendose
cada vez maacutes a lo previsto por la poliacutetica existente en el paiacutes de conversioacuten
de centrales en bioeleacutectricas de llegar a los 300 diacuteas Pudieacutendose saldar los
70 diacuteas faltantes con combustibles alternativos como el RAC y el marabuacute con
gran abundancia en nuestros campos
La implementacioacuten en la UEB George Washington de la hibridacioacuten permitiriacutea
anualmente con el excedente de bagazo obtenido una generacioacuten de
electricidad adicional de 145 GWh con una disminucioacuten de 11897 toneladas
de emisiones de CO2 funcionando como una fuente de empleo considerable
para los habitantes de este lugar
El estudio de la hibridacioacuten solar-biomasa en la UEB George Washington
indica que un proyecto de este tipo es factible con una inversioacuten de casi 10
millones de doacutelares logra como resultados maacutes importantes un VAN de maacutes
de 34 millones una TIR de 30 un PRD de aproximadamente 9 antildeos y un
costo nivelado de la electricidad de 0032 $kWh valor de gran motivacioacuten
para la implementacioacuten de esta tecnologiacutea
55
Recomendaciones
Extender el estudio de factibilidad de plantas de energiacutea hiacutebridas biomasa
solar a otros centrales azucareros del paiacutes que se prevean convertir en
bioeleacutectricas
Incluir en la metodologiacutea de anaacutelisis empleada en este trabajo para futuros
estudios otro tipo de tecnologiacuteas de concentracioacuten como pudiera ser la de
colector lineal Fresnel cuya aplicacioacuten ha venido en aumento en los uacuteltimos
antildeos a nivel mundial
Profundizar en el estudio de factibilidad de este proyecto analizando la
influencia de la variacioacuten de paraacutemetros como el salto entaacutelpico en el
intercambiador de calor del campo solar para la optimizacioacuten del disentildeo del
campo solar
56
Bibliografiacutea
BEacuteRRIZ L MADRUGA E 2000 Cuba y las fuentes renovables de energiacutea CUBASOLAR pp 29
CENGEL Y 2012 Termodinaacutemica Meacutexico DF
DAVID A 2007 Business and Finance Israeli Company to build largest solar park in world in US [Online] Available (httpwwwynetnewscom) [Accessed 10 febrero 2018]
E BURIN T V S MULTHAUPT A THELEN G OELJEKLAUS K GOumlRNER E BAZZO 2016 Thermodynamic and economic evaluation of a solar aided sugarcane bagasse cogeneration power plant THE 28TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON EFFICIENCY COST OPTIMIZATION SIMULATION AND ENVIRONMENTAL IMPACT OF ENERGY SYSTEMS
EPA Factor Information REtrieval (FIRE) Software Technology Transfer Network Clearinghouse for Inventories amp Emissions Factors 2004
GACETA 2007 Estrategia Ambiental Nacional Ministerio de Justicia 30 ed Gaceta Oficial Republica de Cuba
GESIME 2014 Conceptualizacioacuten del programa de desarrollo de la energiacutea solar teacutermica en Cuba 2014-2020 MINEM Desarrollado por grupo de desarrollo de la energiacutea solar teacutermica Grupo Empresarial de la Industria Sidero-Mecaacutenica 36
GUTIEacuteRREZ E 2013 ldquoEl azuacutecar cubano adquiere protagonismo energeacuteticordquo Diarios latinoamericanos de Tierrameacuterica
HERRERA I 2016 Poligeneration Workshop KTH Universidad Central Marta Abreu de Las Villas
HIDALGO L 2012 Estudio Teacutecnico-econoacutemico de una central hiacutebrida solar-ciclo combinado Proyecto final de carrera para optar por el tiacutetulo ingeniero teacutecnico de minas Departamento de sistemas energeacuteticos 79
HTTPEOSWEBLARCNASAGOVSSE 2017 Surface Meteorology and Solar Energy [Online] [Accessed 22 noviembre]
HTTPWWWWIKIPEDIAORG 2017 Energiacutea solar teacutermica [Online] [Accessed 17 diciembre 2017]
IDEA 2013 Plan de Energiacuteas (PER) 2011-2020 Instituto para la Diversificacioacuten y Ahorro de la Energiacutea
LA ROSA D 2014 Recuperacioacuten de la disponibilidad de generacioacuten en el ciclo combinado de Energas Varadero con aporte termosolar httpwwwcubasolarcu
MARTIacuteN S 2017 Colector ciliacutendrico paraboacutelico Available from httpwwwtecnoblogsanmartinwordpresscom]
57
MARTIacuteNEZ L 2017 Conjunto de alternativas tecnoloacutegicas para la ingenieriacutea conceptual del estudio de oportunidad de la conversioacuten en bioeleacutectrica del central George Washington Trabajo de diploma Universidad Central ldquoMarta Abreurdquo de Las Villas
MAXWELL E L RENNE DS 1994 Measures of Renewable Energy National Renewable Energy Laboratory
PAREDES C 2012 Disentildeo de captador solar ciliacutendrico paraboacutelico para aplicaciones rurales en Paraguay Proyecto final de carrera para optar por el tiacutetulo de ingeniero teacutecnico de minas Especialidad en recursos energeacuteticos combustibles y explosivos 57
PENCHE C 1998 Manual de pequentildea hidroeleacutectrica D I R E C C I Oacute N G E N E R A L D
E E N E R G I A ( D G X V I I ) 259
PETROLEUM B 2006 BP Statistical Review of World Energy June 2006 Quantifying Energy
PETROLEUM B 2018 Statistical Review of World Energy [Online] Available httpwwwbpcomenergyoutlook [Accessed 12 febrero de 2018]
PITZ-PAAL 2013 Solar thermal power plants BINE-Themeninfo FIZ Karlsruhe GmbH
REN 2013 Global Status Report Paris
REUszlig N 2012 Modern Gas- amp Steam Turbines in Solarthermic Applications 14th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery Honolulu
RIBOT J E A ROVIRA P ROVIRA A BAROacuteN JL 2001 Curso de Energiacutea Solar Centro de Tecnologiacutea Educativa CTE Barcelona Espantildea Obra completa 4ta edicioacuten Leccioacuten 3 El potencial real de la energiacutea solar
RODRIacuteGUEZ J 2015 Metodologiacutea para la caracterizacioacuten termoeconoacutemica de plantas hiacutebridas de generacioacuten de electricidad Tesis Doctoral Universidad Politeacutecnica de Madrid
ROJAS E 2013 Energiacutea Solar Teacutermica Observatorio de energiacutea renovable para Ameacuterica Latina y Caribe Programa de capacitacioacuten de energiacuteas renovables ONUDI 68
SALOMOacuteN R 2016 ldquoBioeleacutectricas despiertan creciente intereacutes mundialrdquo
SALOMOacuteN R 2018 Biomasa fuente de electricidad inagotable para Cuba Diaacutelogos del Sur Prensa Latina de La Habana
SEBASTIAacuteN E 2011 Sistemas de colector ciliacutendrico paraboacutelico para generar energiacutea httpeliseosebastiancom
SHILLING Z NORMAN 2003 IGCC Clean Power Generation Alternative For Solid Fuels Product Line Leader
58
WWWSOLARBUZZCOM H 2016 Abener Signs Contract for Solar Thermal Electric-Combined Cycle Hybrid Plant [Online] [Accessed 16 diciembre 2017]
8
sanitaria (ACS) desecacioacuten y refrigeracioacuten Dentro de esta divisioacuten existen
diferencias seguacuten la temperatura alcanzada Podemos distinguir procesos de baja
temperatura que usan colectores planos para ACS hasta 60ordmC procesos de media
temperatura para calefaccioacuten y produccioacuten de friacuteo y procesos de alta temperatura en
la industria La generacioacuten teacutermica tambieacuten incluye la arquitectura bioclimaacutetica La
generacioacuten de trabajo se puede dar de forma teacutermica y de forma fotovoltaica Los
parques de heliostatos o concentradores ciliacutendrico-paraboacutelicos producen vapor que
se utiliza en ciclos de potencia mientras que los paneles fotovoltaicos convierten la
luz en electricidad por medio de semiconductores Por uacuteltimo la generacioacuten de friacuteo
se produce por medio de maacutequinas de absorcioacuten
Las tecnologiacuteas usadas para este tipo de energiacutea son colectores planos para
calefaccioacuten y ACS concentracioacuten en torre discos paraboacutelicos colectores ciliacutendricos
paraboacutelicos y colectores Fresnel para la produccioacuten de electricidad Maacutes adelante se
explicaraacuten con maacutes detalle todas estas tecnologiacuteas
La principal ventaja con la que cuenta la energiacutea solar es que se trata de un recurso
inagotable que estaacute al alcance de todos pero uno de los problemas de esta reside
que la demanda no coincide con la produccioacuten Para ajustar la demanda a la
produccioacuten se hace necesario el uso de sistemas de almacenamiento Otro problema
a tener en cuenta es la intermitencia del recurso solar A lo largo del antildeo hay
numerosos diacuteas en los que las nubes impiden el correcto aprovechamiento de la
energiacutea solar La solucioacuten a este problema es la instalacioacuten de un sistema de apoyo
consistente generalmente en una caldera auxiliar operada con un combustible foacutesil
De este modo se puede prescindir de los sistemas de almacenaje (Paredes 2012)
15 Sistemas teacutermicos solares El objetivo esencial de cualquier sistema teacutermico solar es captar la radiacioacuten que
proviene del sol para transformarla en energiacutea teacutermica de un fluido y transportarla de
la manera maacutes econoacutemica y eficaz posible a un usuario Las aplicaciones del
aprovechamiento solar pueden ser directas en forma de calor o bien indirectas
utilizando este calor para obtener trabajo mecaacutenico en un eje y finalmente
electricidad Entre las tecnologiacuteas existentes hay tres que destacan por su grado de
desarrollo los sistemas de colectores cilindro paraboacutelicos (CCP) los sistemas de
receptor central (SRC) o sistemas de torre central (STC) y los discos paraboacutelicos
(DP) o maacutes propiamente paraboloides de revolucioacuten Tambieacuten existen los sistemas
de concentradores lineales Fresnel (CLF) que a pesar de no estar ampliamente
desarrollados en cuanto a tecnologiacutea se refiere merecen una mencioacuten Aunque los
campos de aplicacioacuten de los Sistemas Termo-solares de Concentracioacuten (CSTS) son
diversos es en los campos de generacioacuten de electricidad vapor de proceso o de
ambos simultaacuteneamente donde estos sistemas han alcanzado su mayor grado de
desarrollo dando lugar a Centrales Energeacuteticas Termo-solares (CETS) Las CETS
son entre los sistemas basados en el aprovechamiento de las energiacuteas renovables
uno de los de mayor potencial de contribucioacuten a la satisfaccioacuten de la demanda
9
energeacutetica especialmente en las regiones situadas en el llamado ldquocinturoacuten solarrdquo
que son aquellas que se encuentran entre las latitudes 35o norte y 35o sur (Paredes
2012)
151 Sistemas de torre central (STC)
Este sistema se caracteriza porque el conjunto colector estaacute compuesto por un grupo
maacutes o menos numeroso de concentradores planos individuales llamados heliostatos
los cuales dirigen la radiacioacuten solar concentrada hacia un receptor central situado en
lo alto de una torre Por tanto la concentracioacuten de la radiacioacuten se produce en tres
dimensiones por lo que el valor de la razoacuten de concentracioacuten es muy elevado asiacute
como las temperaturas que se alcanzan pudiendo llegar eacutestas a los 1500 degC
Figura 3 Esquema de un STC Fuente Greenpeace
A parte de los componentes principales del sistema que se detallan maacutes adelante
para un correcto funcionamiento del sistema se requieren una serie de equipos y
sistemas auxiliares como el sistema de caracterizacioacuten de imaacutegenes blancos
lambertianos para evaluacioacuten de imaacutegenes ajustes de offsets etc
El sistema colector El heliostato es junto con el receptor uno de los componentes
que representa mayor importancia dentro del sistema llegando a suponer hasta un
60 del coste total de la parte solar Su funcioacuten es la de captar la radiacioacuten solar y
redirigirla hacia el receptor
Estaacute compuesto baacutesicamente por una superficie reflectante ndashespejos de vidrio como
los de los CCPs ademaacutes de una estructura soporte mecanismos de movimiento y
un sistema de control
En cuanto al tamantildeo existen de varias dimensiones desde 40 o 50 m2 hasta su
evolucioacuten a los 150 m2 Aunque actualmente se tiende a los heliostatos maacutes
10
pequentildeos pues suponen una simplificacioacuten y abaratamiento en los procesos de
transporte instalacioacuten y puesta en servicio El campo de heliostatos en relacioacuten al
receptor estaacute condicionado en gran parte por la orografiacutea del terreno por el tamantildeo
de la planta y por la disposicioacuten del receptor Las dos formas claacutesicas de colocar los
heliostatos son
Campo circundante heliostatos alrededor de la torre
Campo Norte-Sur heliostatos a un lado de la Torre La orientacioacuten dependeraacute de
en queacute latitud se encuentre el emplazamiento
No obstante existen otras disposiciones que tratan de aprovechar la orografiacutea del
terreno (por ejemplo una ladera orientada al Sur) o usan un concentrador secundario
para evitar los inconvenientes derivados de situar el receptor sobre una torre
La torre La funcioacuten de la torre es la de servir de soporte al receptor que
normalmente debe situarse a una cierta altura sobre el nivel del campo de helioacutestatos
para reducir las sombras y bloqueos entre eacutestos y a diversos elementos auxiliares
(blancos lambertianos sistemas de medida etc) Hasta hoy las torres construidas
han sido de estructuras metaacutelicas o de hormigoacuten
El receptor Es el dispositivo donde se produce la conversioacuten de la radiacioacuten solar
concentrada en energiacutea teacutermica
152 Disco Paraboacutelico (DP)
Los sistemas de discos paraboacutelicos se componen baacutesicamente en un reflector o en
un conjunto de reflectores que tienen forma de paraboloide de revolucioacuten Ademaacutes
poseen un receptor situado en el foco puntual de dicho paraboloide y de un sistema
de generacioacuten eleacutectrica compacto (un motor o una turbina maacutes un alternador) Por lo
general receptor y sistema de generacioacuten suelen formar parte de un mismo conjunto
El principio de funcionamiento es el mismo que para los CCPacutes es decir la radiacioacuten
concentrada por el paraboloide incide sobre el receptor donde se convierte en
energiacutea teacutermica (pudiendo alcanzar los 1500 oC que permite generar electricidad Los
elementos principales del colector Disco Paraboacutelico son los siguientes
Concentrador La forma de la superficie reflexiva en este tipo de sistema es la de
un paraboloide de revolucioacuten cuyo tamantildeo depende de la potencia nominal y de la
energiacutea que se desea generar en un determinado tiempo y bajo unas condiciones de
radiacioacuten determinadas
Receptor Es un sistema de discos paraboacutelicos que tienen dos funciones
fundamentales por un lado la de absorber la radiacioacuten solar reflejada por el
concentrador y por el otro transferir la energiacutea absorbida al fluido de trabajo de la
maacutequina asociada Hasta la fecha existen dos tipos de reflectores tubos
directamente iluminados por la reflexioacuten de los rayos y receptores de reflujo
11
Sistema de Seguimiento Con objeto de seguir la posicioacuten del sol en todo momento
los discos paraboacutelicos realizan un seguimiento de eacuteste en dos ejes Se realiza seguacuten
dos tipos de montaje
Seguimiento en acimut-elevacioacuten en el que el movimiento se realiza seguacuten dos
ejes el vertical y el horizontal
Seguimiento polar en el que el movimiento en un eje es muy lento pues solo se
debe seguir las variaciones estacionales del sol y el movimiento en el otro eje es a
velocidad constante
Actualmente el uso de discos paraboacutelicos para generar electricidad se encuentra en
fase de desarrollo en algunas plantas experimentales como la de Planta Solar de
Almeriacutea pero la falta de fiabilidad y su elevado coste constituyen los principales
obstaacuteculos para su introduccioacuten real en la generacioacuten eleacutectrica En cambio
atendiendo a la misma forma estructural y con el mismo principio de reflexioacuten en un
foco puntual del paraboloide de revolucioacuten es muy comuacuten encontrar a nivel
particular cocinas solares
Figura 4 Esquema de un Disco Paraboacutelico Fuente Greenpeace
12
153 Concentrador lineal Fresnel
Esta tecnologiacutea es la maacutes nueva de las cuatro que actualmente hay disponible para
los sistemas solares de concentracioacuten Son captadores de foco lineal en los que
largos reflectores que poseen ejes de giros independientes y paralelos reflejan la
radiacioacuten solar directa sobre un tubo receptor situado sobre ellos Es la tecnologiacutea
maacutes joven de las cuatro descritas por lo que existen actualmente solo dos plantas
comerciales en funcionamiento con una potencia eleacutectrica total de 64 MWe
Figura 5 Concentrador Lineal Fresnel
154 Colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Esta tecnologiacutea cilindro-paraboacutelica basa su funcionamiento en seguimiento solar y en
la concentracioacuten de los rayos solares en unos tubos receptores de alta eficiencia
teacutermica localizados en la liacutenea focal de los cilindros En estos tubos un fluido
transmisor de calor tal como aceite sinteacutetico es calentado aproximadamente a
400ordmC por los rayos solares concentrados El aceite es bombeado a traveacutes de una
serie de intercambiadores de calor para producir vapor sobrecalentado El calor
presente en este vapor se convierte en energiacutea eleacutectrica en una turbina de vapor
convencional Los colectores cilindro-paraboacutelicos se emplean maacutes a escala industrial
de 10 a 100 MW para la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica en un campo solar y en un
sistema de potencia En el campo solar la energiacutea de la radiacioacuten solar se transforma
en energiacutea teacutermica en una serie de filas paralelas de colectores cilindro-paraboacutelicos
cada uno de ellos con seguimiento solar La eficiencia durabilidad y costo de una
central con colectores cilindro-paraboacutelicos depende fuertemente de la estructura y
robustez del colector Un moacutedulo colector generalmente compuesto de elementos
de 12 m de largo conectados en serie puede tener hasta 150 m de longitud Sus
espejos paraboacutelicos reflejan la radiacioacuten solar y la concentran sobre un tubo
absorbente en su liacutenea focal (Sebastiaacuten 2011)
13
A principios del siglo pasado (1912) la primera planta de canal paraboacutelico fue
construida en Meadi Egipto para bombeo de agua Con 79 plantas 31425 MW
instalados esta tecnologiacutea es la maacutes madura de las tecnologiacuteas CSP (maacutes de 100
antildeos de experiencia en operacioacuten) (GESIME 2014)
Las primeras centrales con colectores cilindro-paraboacutelicos operan comercialmente en
California desde 1985 En este periodo de tiempo han generado maacutes de doce mil
millones de kilowatts hora de electricidad lo que es suficiente para suministrar
electricidad a aproximadamente doce millones de personas durante un antildeo Al igual
que en centrales teacutermicas con combustibles convencionales y tambieacuten en centrales
nucleares la corriente se genera en las centrales solares teacutermicas con una turbina a
vapor y un generador acoplado (Martiacuten 2017)
El Sistema de Generacioacuten de Energiacutea solar (en ingleacutes Solar Energy Generating
System SEGS) es un conjunto de nueve plantas con una capacidad total de 350 MW
Actualmente es el sistema solar operacional maacutes grande (tanto del tipo termal o no)
La planta Nevada Solar One tiene una capacidad de 64 MW Estaacuten en construccioacuten
las plantas Andasol 1 y 2 en Espantildea cada planta tiene una capacidad de 50 MW sin
embargo estas plantas son de un disentildeo que tiene un sistema de almacenamiento
de calor que requiere un terreno con colectores solares mayor en relacioacuten al tamantildeo
del que deberiacutea tener para su generacioacuten El almacenamiento de calor permite una
mejor utilizacioacuten de las turbinas de vapor Con una operacioacuten diurna y parcialmente
nocturna la turbina de vapor de Andasol 1 con una capacidad de punta de 50 MW
produce maacutes energiacutea que Nevada Solar One con una capacidad de punta de 64 MW
debido al sistema de almacenamiento de calor y un terreno de colectores maacutes grande
que posee la planta de Andasol 1(httpwwwwikipediaorg 2017)
Existiacutea la propuesta de instalar 553 MW adicionales en el Mojave Solar Park
California (David 2007) pero este proyecto fue cancelado en el antildeo 2011 Tambieacuten
IBERDROLA (2013) puso en marcha en Egipto la central de Kuraymat de 150
megavatios (MW) de potencia Se trata de una instalacioacuten pionera en el mundo dado
que incorpora una tecnologiacutea que utiliza de forma combinada el gas y la energiacutea solar
lo que contribuye a disminuir las emisiones de CO2 y a mejorar el rendimiento global
de la planta Tambieacuten se generan 25 MW de vapor como aporte para una planta de
gas en Hassi Rmel Argelia (wwwsolarbuzzcom 2016)
El gobierno de India ha comenzado a desarrollar una iniciativa llamada Jawaharlal
Nehru National Solar Mission (tambieacuten conocida como la misioacuten solar nacional) para
resolver el problema de abastecimiento de energiacutea eleacutectrica
(httpwwwwikipediaorg 2017)
14
Figura 6 Esquema de un CCP Fuente Greenpeace
En la figura 6 se pueden ver los elementos principales del conjunto del colector de
forma maacutes detallada se definen del siguiente modo
El Reflector Ciliacutendrico Paraboacutelico su misioacuten es la de reflejar y concentrar sobre el
Receptor la radiacioacuten solar directa incidente sobre la superficie A grandes rasgos es
un espejo curvo que forma en una de sus dimensiones una paraacutebola de forma que
concentra sobre su liacutenea focal toda la radiacioacuten reflejada Entre los materiales usados
para la reflexioacuten encontramos plaacutesticos recubiertos con peliacuteculas de plata o aluminio
chapas metaacutelicas o el maacutes usado vidrios sobre los que se depositan una capa de
plata junto con un protector de base de cobre y pintura epoxi
El tubo de absorcioacuten o Receptor El tubo absorbedor consta de dos tubos
conceacutentricos separados por un espacio de vaciacuteo El tubo interior por el que circula
el fluido calo-portador es metaacutelico y el exterior es de cristal
El tubo interior es tratado con un recubrimiento metaacutelico selectivo que puede consistir
en una fina capa de cromo niacutequel cobalto o alguacuten otro acabado logrado por
Sputtering o Deposicioacuten Fiacutesica de Vapor (PVD por sus siglas en ingleacutes) Dicho
recubrimiento otorga al tubo sus propiedades uacutetiles para eacuteste uso elevada
absortividad a lo largo de todo el espectro solar y una baja emisividad en el espectro
infrarrojo lo cual se traduce en un elevado rendimiento teacutermico El tubo exterior de
vidrio cumple dos propoacutesitos de igual importancia el primero es proteger el
recubrimiento selectivo del tubo interior y minimizar las perdidas teacutermicas por
conveccioacuten Para aumentar el rendimiento oacuteptico del captador es comuacuten la utilizacioacuten
de un tratamiento antireflexivo en ambas caras del tubo de vidrio que logra mejorar
15
la transmisividad Para lograr mantener el vaciacuteo necesario entre los dos tubos se suele
soldar cada tubo el de vidrio y el de metal por separado a un fuelle metaacutelico que
soporta las diferentes dilataciones de cada material al variar la temperatura Con esto
se logra flexibilizar la unioacuten entre los dos tubos evitando grietas por las que pudiera
ingresar aire al vaciacuteo Otro mecanismo que se utiliza para mantener el vaciacuteo son los
llamados getters en ingleacutes que son colocados en el vaciacuteo debido a su propiedad de
reaccionar quiacutemicamente o por absorcioacuten con cualquier moleacutecula de gas que pudiera
penetrar al espacio confinado atrapaacutendolo y asiacute manteniendo el espacio libre de
cualquier elemento
Figura 7 Esquema del tubo de absorcioacuten o Receptor
El Sistema de Seguimiento Solar El seguimiento del Sol se hace con el objetivo
de aprovechar la mayor parte de horas posibles de luz de forma que la radiacioacuten
solar llegue lo maacutes perpendicularmente posible al colector y se mantengan en el foco
lineal continuamente Los CCPacutes pueden tener seguimiento a dos ejes o a un uacutenico
eje Normalmente el seguimiento se realiza a un eje pues mecaacutenicamente es maacutes
sencillo esto implica menos costos y menores peacuterdidas teacutermicas por no haber
tuberiacuteas pasivas La orientacioacuten puede ser Norte-Sur o Este-Oeste Los mecanismos
de accionamiento que mueven al colector pueden ser eleacutectricos (apropiado para
equipos pequentildeos) hidraacuteulicos (para lazos de colectores) y mecaacutenicos (reloj de
pesas) (Paredes 2012)
16
Figura 8 Esquema del seguimiento solar a un eje de un CCP Fuente Greenpeace
Cimentacioacuten y estructura metaacutelica La cimentacioacuten soporta los colectores y los fija
al suelo de forma que el conjunto estructural soporte las cargas para las que fue
disentildeado La misioacuten de la estructura metaacutelica del colector es la de dar rigidez al
conjunto de elementos que lo componen a la vez que hacer de interface con la
cimentacioacuten del propio colector (Hidalgo 2012)
La tecnologiacutea cilindro paraboacutelica es una tecnologiacutea limpia madura y con un extenso
historial que demuestra estar preparada para la instalacioacuten a gran escala Esta
tecnologiacutea lleva siendo instalada a nivel comercial desde los antildeos 80 con un
excepcional comportamiento Desde entonces ha experimentado importantes
mejoras a nivel de costes y rendimientos Actualmente hay maacutes de 1 GWe en
operacioacuten maacutes de 800 MWe en construccioacuten y maacutes de 2 GWe en promocioacuten a nivel
mundial Por lo que es esta la tecnologiacutea maacutes segura a aplicar
16 Orientacioacuten del colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Los captadores cilindro paraboacutelicos suelen estar instalados en los campos solares de
tal manera que sus ejes de rotacioacuten queden orientados bien Norte-Sur o bien Este-
Oeste Con la configuracioacuten Este-Oeste las variaciones estacionales suelen ser
pequentildeas permitiendo tener un aporte teacutermico maacutes estable durante el antildeo a costa
de perder parte de la energiacutea anual disponible Con la configuracioacuten Norte-Sur esa
energiacutea anual suministrada es optimizada al maacuteximo con el punto en contra de tener
variaciones estacionales mucho mayores que con la configuracioacuten Este-Oeste que
en ocasiones y dependiendo de la latitud y de las condiciones atmosfeacutericas del
emplazamiento pueden suponer relaciones de 3 a 1 entre verano e invierno En el
caso de la planta Termo solar acoplada al economizador de la caldera para la
produccioacuten de electricidad de la UEB umlGeorge Washingtonuml se ha realizado el disentildeo
atendiendo al criterio de maximizacioacuten del aporte energeacutetico anual por lo que la
configuracioacuten elegida es la Norte-Sur
17
17 Peacuterdidas en un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Cuando la radiacioacuten solar alcanza la superficie de un colector paraboacutelico se pierde
una cantidad importante de ella debido a diferentes factores El total de las peacuterdidas
se puede dividir en tres grupos
171 Peacuterdidas geomeacutetricas Provocan la disminucioacuten del aacuterea efectiva de captacioacuten
solar de los colectores En un CCP se dividen en peacuterdidas debidas a la posicioacuten
relativa de los colectores entre siacute los cuales se pueden dar sombra unos a otros y
las peacuterdidas inherentes a cada colector que son motivo del aacutengulo de incidencia el
cual provoca que en los extremos del colector haya una peacuterdida de superficie reflexiva
uacutetil La existencia del aacutengulo de incidencia tambieacuten afecta a los valores de la
reflectividad absortividad y transmisividad ya que estos paraacutemetros presentan su
valor maacuteximo cuando el aacutengulo de incidencia es 0deg (Hidalgo 2012)
172 Peacuterdidas oacutepticas Se deben a imperfecciones en los materiales que componen
el colector la superficie del concentrador no es un reflector perfecto ni el vidrio del
tubo absorbedor es completamente transparente ni el recubrimiento selectivo del
tubo metaacutelico es un absorbedor perfecto Los cuatro paraacutemetros que intervienen en
las peacuterdidas oacutepticas de un canal paraboacutelico son la reflectividad de los espejos
paraboacutelicos la absortancia del tubo metaacutelico la transmitancia de la cubierta de vidrio
y el factor de interceptacioacuten (Hidalgo 2012)
Reflectancia ρ no toda la energiacutea incidente es reflejada hacia el tubo
absorbedor
Absortancia α cantidad de radiacioacuten que absorbe la superficie selectiva del
tubo metaacutelico
Transmitancia 120591 de aquella radiacioacuten que intercepta el tubo de vidrio solo
una parte consigue atravesarlo
Factor de interceptacioacuten γ no toda la radiacioacuten reflejada por los espejos
acaba incidiendo sobre el tubo absorbedor Las causas son diversas imperfecciones
en los espejos un mal posicionamiento de los colectores etc
173 Peacuterdidas teacutermicas Principalmente se encuentran asociadas a dos elementos
del sistema el tubo absorbedor y las tuberiacuteas de fluido teacutermico Las perdidas
asociadas estaacuten formadas por perdidas por conduccioacuten por conveccioacuten y por
radiacioacuten de los diferentes medios que conforman el conjunto del tubo absorbedor
es decir por el tubo metaacutelico la cubierta de cristal y la atmosfera De manera que
la potencia teacutermica disipada en el colector equivale a la suma de las peacuterdidas teacutermicas
en el receptor y las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas por donde circula el fluido
teacutermico (HTF) (Hidalgo 2012)
18
Peacuterdidas teacutermicas en el aceite teacutermico (HTF)
Las peacuterdidas teacutermicas asociadas al tubo absorbedor (119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905) se deben a la
diferencia de temperaturas entre eacuteste y el ambiente pudiendo ser por conduccioacuten
por radiacioacuten y por conveccioacuten desde el tubo absorbedor al ambiente Aunque cada
una de estas peacuterdidas podriacutea calcularse aplicando las ecuaciones que rigen los
mecanismos de transferencia de calor antes mencionados en la praacutectica las
peacuterdidas teacutermicas globales en un colector se cuantifican mediante ecuaciones
experimentales (Hidalgo 2012)
18 Rendimiento de un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Como consecuencia de todas las peacuterdidas oacutepticas geomeacutetricas y teacutermicas que
existen en un CCP la energiacutea teacutermica uacutetil que da un CCP es menor que la que dariacutea
en condiciones ideales cuando no existieran dichas peacuterdidas
En un CCP se suelen definir tres rendimientos diferentes y un paraacutemetro
I) Rendimiento oacuteptico con un aacutengulo de incidencia de 0ordm (rendimiento oacuteptico pico)
Tiene en cuenta todas las peacuterdidas oacutepticas que tienen lugar en el colector con un
aacutengulo de incidencia de 0ordm Su valor viene dado por el producto de estos cuatro
factores reflectividad de los espejos transmisividad del tubo de vidrio factor de
interceptacioacuten (que tiene en cuenta la parte de radiacioacuten reflejada que por cualquier
causa no alcanza el absorbente) y absortividad de la superficie selectiva que recubre
el tubo metaacutelico absorbente
II) Rendimiento teacutermico Considera todas las peacuterdidas teacutermicas que tienen lugar en
el colector
III) Rendimiento global Considera todas las peacuterdidas tanto oacutepticas como
geomeacutetricas y teacutermicas que tienen lugar en el colector
IV) Modificador por aacutengulo de incidencia Considera todas las peacuterdidas oacutepticas y
geomeacutetricas que tienen lugar en el colector para un aacutengulo de incidencia ϕ ne 0ordmy que
no se tienen en cuenta en rendimiento oacuteptico (peacuterdidas geomeacutetricas de final de
colector bloqueo de la radiacioacuten concentrada por parte de los soportes del tubo
absorbente e influencia del aacutengulo de incidencia en la absortividad y transmisividad
del tubo absorbente y en la reflectividad de los espejos) (Paredes 2012)
19 Disentildeos hiacutebridos
En general las formas de concentracioacuten de la energiacutea solar se pueden dividir en
tecnologiacuteas lineales y de enfoque puntual Los canales paraboacutelicos y los colectores
lineales Fresnel pertenecen a las tecnologiacuteas de enfoque lineal mientras que las
tecnologiacuteas de enfoque de puntos principales son el receptor central (torre solar) y el
reflector paraboacutelico (disco) Desde el punto de la disponibilidad del mercado y el
estado actual de desarrollo para el presente estudio de caso se han elegido las
siguientes tres opciones de tecnologiacutea Lineal Fresnel (LF) Ciliacutendrico Paraboacutelico
19
(CCP) y Torre Central (STC) Para todas las opciones de CSP nombradas hay
diferentes configuraciones de tecnologiacuteas posibles cuyo rango se muestra en la tabla
1 (E Burin 2016)
Tabla 1 Rangos para las 3 tecnologiacuteas posibles
Unidad LF CCP STC
Fluido teacutermico
(HTF)
- Aceite teacutermico
Agua
Sal
Aceite teacutermico
Agua
sal
Agua
Sal
Aire
Concentracioacuten - 25-100 70-80 300-1000
Rango de
temperatura
oC 380-600(ST) 380-600(ST) 565(ST)
Performance MWel 10-200 10-200 10-150
Capacidad de
corriente instalada
1 88 11
Proporcioacuten de las
obras (2012)
6 75 18
(ST) Steam Turbine
Fuente(Reuszlig 2012 Pitz-Paal 2013 REN 2013)
Debido a la diferente etapa de desarrollo teacutecnico de las tres tecnologiacuteas de CSP y
sus HTF para el estudio de caso se examinaron las siguientes combinaciones CCP
(aceite teacutermico) LF (agua vapor) y STC (agua vapor)
En cuanto a los disentildeos de integracioacuten de las tres tecnologiacuteas de CSP elegidas
desde el punto de vista termodinaacutemico es esforzarse por alcanzar un nivel de
temperatura lo maacutes alto posible para el calor solar agregado Por esa razoacuten el calor
solar agregado se usoacute aquiacute para proporcionar calor para el precalentamiento del agua
de alimentacioacuten a alta presioacuten asiacute como para la produccioacuten paralela de vapor
saturado y vapor vivo en paralelo con los generadores de vapor de bagazo Los
diagramas de flujo de proceso de los tres disentildeos de integracioacuten se muestran en la
siguiente figura
20
Figura 9 Diagramas de flujo de proceso de los tres disentildeos de integracioacuten posibles
En el disentildeo 1 el calor solar reemplaza completamente la extraccioacuten a alta presioacuten
de la turbina CEST Para este propoacutesito el campo solar proporciona en el punto de
disentildeo un rendimiento teacutermico equivalente a la demanda de calor requerida para el
calentador de agua de alimentacioacuten de alta presioacuten Debido al modo de operacioacuten de
ahorro de combustible este reemplazo y la cantidad reducida de bagazo quemado
afecta el rendimiento de la turbina CEST asiacute como la liacutenea de calentamiento del agua
de alimentacioacuten Debido a que no se realiza la extraccioacuten de vapor de alta presioacuten en
el tiempo en que el campo este trabajando se seleccionoacute las tecnologiacuteas CCP y LF
Cabe sentildealar que no es posible una operacioacuten de solo solar
El disentildeo de integracioacuten 2 permite una produccioacuten paralela de vapor saturado con
calor solar para reducir el consumo de bagazo Por lo tanto parte del flujo de masa
de agua de alimentacioacuten principal que va a los generadores de vapor se desviacutea Este
flujo maacutesico secundario pasa en el caso de CCP a traveacutes de un generador de vapor
solar tiacutepico mientras que en el caso de la LF se alimenta directamente al campo
solar En ambos casos se produce vapor saturado a 67 bar que luego se une al flujo
de masa principal dentro de los generadores de vapor para el sobrecalentamiento
En consecuencia el disentildeo de integracioacuten 2 solo afecta el rendimiento de los
21
generadores de vapor mientras que las condiciones de vapor vivo permanecen
iguales Al mantener el estudio de caso cerca de la viabilidad teacutecnica deben
respetarse las condiciones teacutecnicas de contorno de los generadores de vapor Con
el fin de evitar fuertes desequilibrios en estos componentes se asumioacute que se permite
reducir la carga del generador de vapor a un nivel miacutenimo del 85 Del mismo modo
este disentildeo no permite una operacioacuten solo solar
En el disentildeo de integracioacuten 3 el calor solar desplaza al generador de vapor de
carga teacutermica Una parte del agua de alimentacioacuten se deriva de los generadores de
vapor A medida que pasa a traveacutes del sistema de torre solar se produce vapor
sobrecalentado a 520 deg C y 67 bar Esta integracioacuten afecta solo el rendimiento teacutermico
de los generadores de vapor mientras que el ciclo agua vapor se opera en modo
normal En comparacioacuten con el disentildeo de integracioacuten 2 la operacioacuten de los
generadores de vapor se simplifica Eso significa que los generadores de vapor
funcionan aquiacute con una carga parcial normal de 100 a 65 de carga Con respecto
a eso al permitir una carga miacutenima del generador de vapor del 65 en el punto de
disentildeo solar la torre solar fue disentildeada para proporcionar todo el calor restante
necesario Cabe sentildealar que para el disentildeo de integracioacuten 3 es posible una
operacioacuten solo solar cuando la instalacioacuten de cantildea de azuacutecar estaacute fuera de servicio
Tabla 2 Muacuteltiplo solar simulado seguacuten la tecnologiacutea de CSP
Disentildeo Tecnologiacutea Muacuteltiplo solar
simulado
Disentildeo 1 CCP
LF
09 - 14
08 - 14
Disentildeo 2 CCP
LF
09 - 13
08 - 14
Disentildeo 3 STC 08 - 40
Seleccioacuten del Disentildeo y la tecnologiacutea
Luego del anaacutelisis acerca del disentildeo y la tecnologiacutea a emplear en este proyecto se
decidioacute elegir la tecnologiacutea de colectores ciliacutendricos paraboacutelicos (CCP) y el disentildeo
nuacutemero 1 Los colectores de canal paraboacutelico son los maacutes empleados en el mundo
actualmente y lleva siendo instalada a nivel comercial desde los antildeos 80 con un
excepcional comportamiento Desde entonces ha experimentado importantes
mejoras a nivel de costes y rendimientos Hoy diacutea hay maacutes de 1 GWe en operacioacuten
maacutes de 800 MWe en construccioacuten y maacutes de 2 GWe en promocioacuten a nivel mundial
22
Para las condiciones de nuestro paiacutes esta tecnologiacutea pudiera ser la maacutes factible y
segura tambieacuten contamos en Cuba con industrias que poseen capacidad
maquinaria y herramientas para llegar a construir gran parte del equipo como las
bases y estructuras metaacutelicas teniendo que importarse solamente el tubo
absolvedor Reduciendo esto los costos en gran medida ejemplo de esto es la faacutebrica
de antena de Santa Clara que ya han construido maquetas de un equipo de esta
tecnologiacutea y se encuentran en condiciones de comenzar una produccioacuten a mayor
escala
110 Influencia de la industria azucarera en Cuba
La escasez de recursos energeacuteticos primarios junto con la afectacioacuten ambiental
resultante de la utilizacioacuten irracional de la energiacutea asociada a la actividad humana
obliga a la buacutesqueda de fuentes alternativas en especial fuentes renovables de
energiacutea La biomasa ha sido fuente de energiacutea desde tiempos inmemoriales fue de
hecho el primer combustible que empleoacute el hombre pero no obstante sus milenios
de utilizacioacuten la biomasa continuacutea ocupando un lugar importante en la matriz
energeacutetica a nivel mundial y continuaraacute sieacutendolo La biomasa es un combustible
renovable se encuentra ampliamente distribuida a nivel mundial y resulta en muchas
ocasiones un subproducto de ciertos procesos productivos (agriacutecolas e industriales)
En Cuba existen diferentes tipos de biomasa con posibilidades econoacutemicas de
empleo entre las maacutes importantes estaacuten el bagazo y los residuos agriacutecolas de la
cantildea de azuacutecar la lentildea y el raleo de los bosques el marabuacute la cascara de arroz y
los residuos del cafeacute En la proyeccioacuten estrateacutegica de la generacioacuten de electricidad en
Cuba para el 2030 se considera que las fuentes renovables de energiacutea alcanzaran
el 24 del total (en la actualidad representan el 43 ) y la biomasa representaraacute el
14 del total por lo que ella representaraacute el 58 de la electricidad obtenida con
fuentes renovables Este proceso de generacioacuten de electricidad con biomasa se
centraraacute casi totalmente en la industria azucarera lo que conlleva a un problema
fundamental que consiste en que la zafra se realiza en tan solo 5 meses
aproximadamente y se necesita que la generacioacuten sea durante todo el antildeo En la
actualidad existen tecnologiacuteas disponibles y posibilidades para su empleo que
permiten valorar diferentes alternativas para incrementar sustantivamente el
potencial de generacioacuten eleacutectrica de los centrales azucareros como son las
bioeleacutectricas las cuales se plantea la instalacioacuten de alrededor de 25 en toda Cuba lo
que requiere de un suministro adicional de combustible para el resto del antildeo en que
no hay zafra Para esto planteamos en este trabajo la hibridacioacuten con un campo termo
solar que permita el ahorro de combustible y su posterior uso en los meses en que
no hay zafra
En nuestro paiacutes se sigue una poliacutetica de desarrollo sostenible y se ha comenzado
una serie de proyectos en la industria azucarera buscando modificaciones que
permitan un aumento en la energiacutea generada por toneladas de cantildea molida Para
23
esto se valoran aspectos como la variacioacuten de los paraacutemetros de explotacioacuten (presioacuten
y temperatura) de las plantas generadoras y las que consumen vapor mejorar el
secado del bagazo que se quema en las calderas hibridar los generadores de vapor
con energiacutea solar y aumentar la entrega al SEN haciendo un uso eficiente de la
electricidad que se consume asiacute como evitar las paradas imprevistas
Las Bioeleacutectricas suscitan hoy creciente intereacutes en el mundo y en Cuba ante la
necesidad de produccioacuten de energiacutea compatible con el medio ambiente Actualmente
una decena de naciones son paradigmas en el uso de esas instalaciones Isla
Reunioacuten India Isla Mauricio Australia Isla Guadalupe Belice Guatemala Estados
Unidos Costa Rica China y particularmente Brasil que posee 160 de 188 existentes
en el orbe Globalmente estas unidades tienen un potencia instalada de maacutes 2800
megavatios y de esa cifra al menos dos mil corresponden a Brasil secundado en
cuanto a cantidad de Bioeleacutectricas por India (14) Isla Mauricio (3) Isla Reunioacuten (2)
mientras que los restantes paiacuteses mencionados poseen una individualmente
(Salomoacuten 2016)
111 Propuesta para la hibridacioacuten de la bioeleacutectrica con energiacutea renovable
En el paiacutes se lucha hoy por un acercamiento hacia las tecnologiacuteas de energiacutea
renovables Con el propoacutesito de convertir todos los sistemas de generacioacuten de
energiacutea eleacutectrica en sistemas maacutes compatibles con el medio ambiente La hibridacioacuten
de la caldera del central George Washington consiste en disentildear un campo de
Colectores Ciliacutendricos Paraboacutelicos prototipo (EUROTrough-150) Con el fin de elevar
la temperatura del agua proveniente del proceso hasta los 260 oC e inyectarla al
economizador de la caldera para ahorrar bagazo que pudiera ser utilizado en los
restantes meses del antildeo cuando no hay zafra para la produccioacuten de energiacutea eleacutectrica
y su entrega al sistema energeacutetico nacional En el siguiente esquema se muestra la
propuesta planteada para la hibridacioacuten
24
Figura 10 Esquema de la hibridacion con colectores solares
25
Seguacuten un documento sobre eficiencia energeacutetica emitido por el Instituto Cubano de
Investigaciones Azucareras (ICINAZ) a todos los centrales del paiacutes se hace relacioacuten
en cuanto a la temperatura del agua de alimentacioacuten de la caldera y cuanto incide
esto en la eficiencia de dicha caldera Quedando que por cada 5 ordmC que se
incrementa la temperatura del agua de alimentacioacuten se incrementa 1 la eficiencia
de la caldera Siendo esto una justificacioacuten razonable para la propuesta planteada
que eleva la temperatura del agua de alimentacioacuten de 166 ordmC a 260 ordmC Alterando
la temperatura unos 94 ordmC influyendo esto en el aumento de la eficiencia en 18
puntos porcentuales
Conclusiones parciales
En este capiacutetulo se realizoacute una amplia revisioacuten bibliograacutefica que abordoacute el estado
del arte y avances tecnoloacutegicos maacutes importantes para los temas relacionados con
esta investigacioacuten que fueron el de energiacutea solar teacutermica y todo lo relacionado con
las bioeleacutectricas a nivel mundial y en nuestro paiacutes Tambieacuten se realizoacute un anaacutelisis
exhaustivo para la determinacioacuten de la tecnologiacutea de sistemas de concentracioacuten
solar lo que resulto que el sistema de Colectores Ciliacutendricos Paraboacutelicos prototipo
EUROTrough-150 es el maacutes factible para su instalacioacuten en Cuba y posteriormente
pudiera ser fabricado por industrias nacionales El disentildeo de incorporacioacuten del
campo al esquema termodinaacutemico de la bioeleacutectrica resulto ser maacutes factible y de
menores transformaciones tecnoloacutegicas en la estructura del central el de
incorporarlo antes de la caldera y que este inyecte el agua calentada directamente
al economizador realizando el salto teacutermico del agua en un intercambiador de calor
existente en la interseccioacuten del campo con la tuberiacutea del agua proveniente de las
bombas
26
Capiacutetulo 2 Materiales y Meacutetodos En este capiacutetulo se describen los programas y foacutermulas utilizadas para el caacutelculo de los objetivos planteados
La presente investigacioacuten se realizoacute desde enero hasta mayo del 2018 Para la realizacioacuten de los caacutelculos se utilizaron los softwares Engineering Equation Solver (EES) (2004) Matlab (2010) y Excel (2016)
Tabla 3 Condiciones de frontera para la bioeleacutectrica
21 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB uml George Washington uml
En este apartado se realizaraacute la evaluacioacuten del recurso solar disponible en el emplazamiento analizado El estudio del potencial solar en el emplazamiento consiste en el anaacutelisis de los datos de radiacioacuten disponibles el tratamiento de los mismos la estimacioacuten de las variabilidades asociadas y el caacutelculo de la produccioacuten una vez consideradas todas las peacuterdidas A la hora de evaluar el recurso solar y a falta de una medida precisa y especiacutefica en el propio emplazamiento se ha recurrido a diversas fuentes para la obtencioacuten de datos de radiacioacuten con el fin de realizar un ajuste estadiacutestico de los mismos y minimizar los errores asociados a ellos
Para el caacutelculo del potencial solar en la zona del central umlGeorge Washingtonuml fue necesario calcular la radiacioacuten solar directa (DNI) que incide en ese lugar y la duracioacuten diurna del diacutea
211 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa
Para el caacutelculo de la radiacioacuten solar directa en la zona de la UEB uml George Washington uml se tomaron como coordenadas de referencia la latitud y la longitud Lat 22587 Long -80244
Para ello se utilizaron modelos estadiacutesticos que permitieron obtener varios valores de radiacioacuten solar directa (DNI) teniendo en cuenta la posicioacuten geograacutefica del lugar y el diacutea del antildeo que se analiza dicha radiacioacuten En este caso se usoacute la foacutermula para condiciones normales
DNI = 1230 ∙ e^ (minus1
38∙cos∙(120579120579120579minus16)) (1)
27
Doacutende
Aacutengulo de incidencia solar θs El valor del aacutengulo de incidencia (θs) sobre la normal a una superficie plana estaacute dado por la siguiente foacutermulaθs
120579119904 = cosminus1(sin 119889 ∙ sin 119871 ∙ cos 119904 minus sin 119889 ∙ cos 119871 ∙ sin 119904 ∙ cos 119892 + cos 119889 cos 119871 ∙ cos 119904 ∙ cos 119908 +cos 119889 ∙ sin 119871 ∙ sin 119904 ∙ cos 119908 ∙ cos 119892 + cos 119892 ∙ sin 119904 ∙ sin 119892 ∙ sin 119908) (2)
Doacutende
d- Aacutengulo de declinacioacuten L- Latitud geograacutefica s- Inclinacioacuten del colector g- Orientacioacuten del colector w- Aacutengulo horario
212 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea (nuacutemero de horas en que el sol estaacute
sobre el horizonte)
119915 = 120784 ∙119934119930
120783120787 (3)
Doacutende
119830119826 = 119836119848119852minus120783(minus 119853119834119847 119923 ∙ 119853119834119847 119941) (4)
L-Latitud geograacutefica
d-Declinacioacuten
Se compararon los resultados de DNI por la metodologiacutea utilizada en este trabajo con la base de datos de la NASA (httpeosweblarcnasagovsse 2017)
Aun asiacute los lugares para desarrollar aplicaciones de energiacutea solar teacutermica por concentracioacuten deben cumplir con unos estaacutendares de acuerdo a la radiacioacuten solar perpendicular a la superficie incidente sobre un metro cuadrado para que sea eficiente dicha instalacioacuten lo cual se valora de la siguiente manera
Se tuvieron en cuenta los valores de radiacioacuten solar directa (kWm2diacutea) (GESIME 2014)
No idoacuteneos Hasta 1700 kWhmsup2antildeo (47 kWhmsup2diacutea)
Idoacuteneos Entre 1700 y 2700 kWhmsup2antildeo (47 y 74 kWhmsup2diacutea)
Oacuteptimos Maacutes de 2700 kWhmsup2antildeo (74 kWhmsup2diacutea)
28
213 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
El colector ciliacutendrico paraboacutelico que se propuso fue el (Eurotrough-150) cuyas caracteriacutesticas se observaran en la tabla4 y figura 11
Tabla 4 Caracteriacutesticas del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico Eurotrough-150 (ET-150)
Figura 11 Prototipo EUROTrough en la Plataforma Solar de Almeriacutea Espantildea
Para el caacutelculo del rendimiento global de un Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico hay que realizar un balance energeacutetico teniendo en cuenta las peacuterdidas que suceden en el mismo
Caracteriacutesticas um
Ancho de apertura 577 m
Longitud total de cada colector 150 m
Aacuterea de apertura del colector 8175 m2
Longitud focal 171 m
Longitud del absorbedor 41 m
Radio exterior del absorbedor 0035 m
Radio interior del absorbedor 00325 m
Distancia entre filas de colectores 17 m
Rendimiento Oacuteptico pico 78
Factor de ensuciamiento 95
Disponibilidad 97
29
214 Peacuterdidas geomeacutetricas
La geometriacutea del canal paraboacutelico lleva asociada una disminucioacuten del aacuterea efectiva de captacioacuten Estas peacuterdidas se dividen en dos grupos Peacuterdidas debidas a la posicioacuten relativa de los colectores los cuales se pueden dar sombra unos a otros Peacuterdidas inherentes a cada colector son las debidas al aacutengulo de incidencia de
la radiacioacuten solar (g) respecto a la normal del plano de apertura del colector (figura
12)
Figura 12 Aacutengulo de incidencia en un Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
Como consecuencia de este aacutengulo existe una peacuterdida de superficie reflexiva uacutetil en los extremos del colector Por tanto el aacutengulo de incidencia tiene gran importancia sobre el comportamiento teacutermico del colector puesto que limita la cantidad de radiacioacuten solar que se puede aprovechar Se hizo una comparacioacuten del aacutengulo de incidencia en cuanto a la orientacioacuten y el seguimiento solar del colector ciliacutendrico paraboacutelico
Si la orientacioacuten (g) es de Norte-Sur con seguimiento solar Este-Oeste g = 0ordm
Si la orientacioacuten (g) es de Este-Oeste con seguimiento solar Norte-Sur g = 90ordm
Declinacioacuten seguacuten foacutermula de Cooper (Ribot J 2001)
119889 = 2345 ∙ 119904119890119899 [360 ∙(284+119899)
365] (5)
Siendo ldquonrdquo el nuacutemero de diacutea natural para el 1 de enero n=1 y para el 31 de diciembre
n=365
El aacutengulo horario se calcula seguacuten la foacutermula
30
120591 = 15deg ∙ (ℎ119904 minus 12) (6)
Siendo ldquohsrdquo las horas de reloj El valor es negativo por la mantildeana y positivo tras el mediodiacutea y cero al mediodiacutea solar
Se consideroacute el aacutengulo horario 0ordm por ser el mediodiacutea solar donde maacutes radiacioacuten incide sobre la tierra con el objetivo de simplificar los caacutelculos
Se consideroacute el aacutengulo de inclinacioacuten igual a 0ordm (disposicioacuten horizontal) por ser maacutes eficiente
La latitud del lugar en estudio (UEB uml George Washington uml) Santo Domingo es de 22587ordm
Las peacuterdidas asociadas al aacutengulo de incidencia son miacutenimas cuando el aacutengulo es
0ordm cos 120579119904 = 1 y maacuteximas cuando es 90ordm Por tanto cuanto menor sea el aacutengulo de incidencia mayor es la energiacutea solar incidente sobre el colector y mayor es el rendimiento del mismo
215 Peacuterdidas oacutepticas
Caacutelculo del rendimiento oacuteptico pico del colector 120578119900119901119905119874119900 que es aquel que tiene en
cuenta todas las peacuterdidas oacutepticas que tienen lugar en el captador con un aacutengulo de incidencia de 0ordm 120578119900119901119905119874119900 = 120588 ∙ 120574 ∙ 120591 ∙ 120572 (7)
Donde
120588 Reflectancia no toda la energiacutea incidente es reflejada hacia el tubo absorbedor
120574 Factor de interceptacioacuten no toda la radiacioacuten reflejada por los espejos acaba incidiendo sobre el tubo absorbedor Las causas son diversas imperfecciones en los espejos un mal posicionamiento de los colectores etc
120591 Transmitancia de aquella radiacioacuten que intercepta el tubo de vidrio solo una parte consigue atravesarlo
α Absortancia cantidad de radiacioacuten que absorbe la superficie selectiva del tubo metaacutelico
Ademaacutes de las peacuterdidas debidas al aacutengulo de incidencia existen otras peacuterdidas que se asocian a dicho aacutengulo El efecto del aacutengulo de incidencia en el rendimiento del CCP se cuantifica mediante el modificador por aacutengulo de incidencia 119870(120579119904) Eacuteste considera todas las peacuterdidas oacutepticas y geomeacutetricas que tienen lugar en el captador
para un aacutengulo de incidencia 120579119904 ne 0ordm y que no se tienen en cuenta en el rendimiento oacuteptico pico
31
El modificador por el aacutengulo de incidencia depende directamente del aacutengulo de
incidencia siendo 119870(120579119904) = 1 para 120579119904 = 0deg y siendo 119870(120579119904) =0 para 120579119904 = 90deg y se
obtiene como funcioacuten de eacuteste seguacuten la expresioacuten
119870(120579119904) = 1 minus 223073 ∙ 10minus4 ∙ (120579119904) minus 11 ∙ 10minus4 ∙ (1205791199042) + 318596 ∙ 10minus6 ∙ (120579119904
3) minus 485509 ∙
10minus9 ∙ (1205791199044) (8)
216 Peacuterdidas teacutermicas
Las peacuterdidas teacutermicas que tiene lugar en un CCP dan como consecuencia que la energiacutea teacutermica uacutetil sea menor que la energiacutea solar absorbida por el colector Teniendo en cuenta esto la potencia teacutermica uacutetil por colector seraacute igual la diferencia entre los calores absorbido y perdido
119906119905119894119897 = 119886119887119904 minus 119901119890119903119889 (9)
Doacutende
119906119905119894119897 ∶ 119875119900119905119890119899119888119894119886 119905eacute119903119898119894119888119886 uacute119905119894119897 119901119900119903 119888119900119897119890119888119905119900119903 (119882)
119886119887119904 119862119886119897119900119903 119886119887119904119900119903119887119894119889119900 119901119900119903 119890119897 119891119897119906119894119889119900 119889119890 119905119903119886119899119904119891119890119903119890119899119888119894119886 119889119890 119888119886119897119900119903 (119867119879119865) (119882)
119901119890119903119889 119875eacute119903119889119894119889119886119904 119905eacute119903119898119894119888119886119904 119889119890119897 119867119879119865 119886119897 119886119898119887119894119890119899119905119890 (119882)
Peacuterdidas teacutermicas en el aceite teacutermico (HTF) Las peacuterdidas teacutermicas se producen a lo largo del circuito por donde se mueve el fluido teacutermico principalmente en dos lugares en el tubo absorbedor y en las tuberiacuteas del campo de colectores De manera que la potencia teacutermica disipada en el colector equivale a la suma de las peacuterdidas teacutermicas en el receptor y las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas por donde circula el fluido teacutermico (HTF)
119876119901119890119903119889 = 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 + 119875119890119903119889119905119906119887119890119903 (10)
Las peacuterdidas teacutermicas asociadas al tubo absorbedor 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 se deben a la diferencia de temperaturas entre eacuteste y el ambiente pudiendo ser por conduccioacuten por radiacioacuten y por conveccioacuten desde el tubo absobedor al ambiente Aunque cada una de estas peacuterdidas podriacutea calcularse aplicando las ecuaciones que rigen los mecanismos de transferencia de calor antes mencionados en la praacutectica las peacuterdidas teacutermicas globales en un colector se cuantifican mediante ecuaciones experimentales Asiacute las peacuterdidas teacutermicas en el tubo absorbedor por metro longitudinal de colector vienen dadas por la ecuacioacuten
119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 =1198751198901199031198891+1198751198901199031198892+1198751198901199031198893+1198751198901199031198894
119879119904minus119879119890 (11)
32
Doacutende
1198751198901199031198891 = (1198600 + 1198605 ∙ radic119907) ∙ (119879119904 minus 119879119890) (12)
1198751198901199031198892 = (1198601 + 1198606 ∙ radic119907) ∙ (119879119904
2minus1198791198902
2minus 119879119886119898119887 ∙ (119879119904 minus 119879119890)) (13)
1198751198901199031198893 = (1198602+1198604∙119863119873119868∙119870(120579119904)∙cos(120579119904)
3∙ (119879119904
3 minus 1198791198903)) (14)
1198751198901199031198894 =1198603
4∙ (119879119904
4 minus 1198791198904) (15)
Siendo
119879119904 Temperatura del HTF a la salida del campo solar
119879119890 Temperaturas del HTF a la entrada del campo solar
119879119886119898119887 Temperatura ambiente
119907 Velocidad del viento (ms)
Los coeficientes empleados en las foacutermulas se recogen en la tabla 5
Tabla 5 Coeficientes de peacuterdidas teacutermicas
A0 405
A1 0247
A2 -000146
A3 565E-06
A4 762E-08
A5 -17
A6 00125
En general las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas (119875119890119903119889119905119906119887119890119903 ) del campo de colectores son pequentildeas del orden de 8 Wm2 Finalmente la potencia teacutermica disipada por el aceite teacutermico a su paso por un colector es
33
119901119890119903119889 = 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 ∙ 119871119888119900119897119890119888119905119900119903 + 119875119890119903119889119905119906119887119890119903 ∙ 119878119888 (16)
Doacutende
119878119888 Aacuterea de apertura del colector (Ver tabla 1)
Un colector como todos los sistemas de concentracioacuten de la energiacutea solar solo puede aprovechar la radiacioacuten solar que incide normal a su plano de apertura De esta forma la energiacutea solar por unidad de tiempo y en el punto de disentildeo que incide sobre la superficie de apertura de un CCP viene dada por la ecuacioacuten
119904119900119897 = 119863119873119868 ∙ cos(120579119904) ∙ 119878119888 (17)
La potencia absorbida por el colector 119886119887119904 va a ser menor que la 119904119900119897 ya que eacutesta uacuteltima no tiene en cuenta las peacuterdidas oacutepticas y geomeacutetricas en el colector ni la limpieza de los espejos ni la disponibilidad del campo solar La radiacioacuten solar absorbida en un colector CCP viene dada por la ecuacioacuten
119886119887119904 = 119863119873119868 ∙ cos(120579119904) ∙ 119878119888 ∙ 119870 ∙ (120579119904) ∙ Ƞ1199001199011199050ordm ∙ 119865119888 ∙ 119865119889119894119904119901 (18)
Siendo
119865119888 Factor de ensuciamiento de los espejos (95 )Tiene en cuenta que aunque los espejos se limpien no recuperan su estado inicial 119865119889119894119904119901 Factor de disponibilidad (97 ) Fraccioacuten del campo solar que estaacute en
operacioacuten y captando la energiacutea solar El rendimiento global de un CCP viene dado por el cociente entre el aumento de entalpia en el HTF a su paso por el colector y la energiacutea solar incidente sobre el captador
Ƞ119888119900119897119890119888 =119876119906119905119894119897
119876119904119900119897 (19)
22 Dimensionamiento del campo solar de la zona de la UEB uml George
Washington uml
El dimensionamiento del campo solar consiste en determinar el nuacutemero de CCPs (o nuacutemero de lazos) necesarios para aportar la energiacutea que demanda este en el punto de disentildeo (Hidalgo 2012)
Para dimensionar el campo solar es necesario evaluar las condiciones del terreno
donde se va a realizar el montaje de los colectores y hacer un balance energeacutetico
del generador de vapor solar
34
221 Caracterizacioacuten del terrero
Se tuvo en cuenta el relieve y el tamantildeo del terreno cercano al central lo que resulto favorable para abaratar la inversioacuten en cuanto a movimientos de tierra y compra de terrenos Los recursos hiacutedricos ya tienen una infraestructura creada puesto que son necesarios para el proceso que realiza la faacutebrica actualmente Esto se basa en posos que bombean el agua hasta los filtros donde se realiza el tratamiento externo al agua y van luego al proceso todo este sistema ya se encuentra instalado y en buenas condiciones lo que resulta de gran ayuda para el proyecto futuro de Bioeleacutectrica
222 Balance energeacutetico en el generador de vapor solar (GVS)
Para calcular el nuacutemero de lazos necesarios en el campo solar es preciso conocer primero la potencia teacutermica que puede aportar el campo solar en el punto de disentildeo esto se determina mediante la foacutermula
119888119886119898119901119900 =119882119890119897119890119888119905
120578119905119906119903119887 (20)
Doacutende
119888119886119898119901119900 Potencia teacutermica del campo solar
119882119890119897119890119888119905 Potencia eleacutectrica de la turbina
120578119905119906119903119887 Eficiencia termo-mecaacutenica de la turbina (Se asumioacute de 68)
Seguidamente hay que establecer el balance de masas y energiacutea en el Generador de vapor solar (GVS) El GVS se disentildea para recuperar la energiacutea del fluido teacutermico procedente del campo solar Para el intercambiador de calor (GVS) se cumple que la cantidad de calor transferido por unidad de tiempo permanece constante o lo que es lo mismo la energiacutea total es la misma antes y despueacutes de cada transformacioacuten El balance energeacutetico en un intercambiador de calor se resuelve mediante la ecuacioacuten
119886119892119906119886 ∙ ∆119867119886119892119906119886 = 119886119888119890119894119905119890 ∙ ∆119867119886119888119890119894119905119890 (21)
Ademaacutes para cada fluido de forma individual se cumple que
= 119886119888119890119894119905119890 ∙ 119862119901119886119888119890119894119905119890∙ ∆119879 = 119898119886119888119890119894119905119890 ∙ (ℎ119904 minus ℎ119890) (22)
Doacutende
∆H Diferencia de entalpiacuteas a la entrada y a la salida del intercambiador (kJkg)
Q Potencia teacutermica intercambiada (kW)
35
m Caudal maacutesico (kgs) Cp Calor especiacutefico (kJkg ordmC)
∆T Diferencia de temperaturas a la entrada y la salida del intercambiador (ordmC) hs he Entalpiacuteas a la entrada y a la salida respectivamente (kJKg) Y seguacuten el teorema de conservacioacuten de la masa se tiene que
119890119899119905119903119886 = 119904119886119897119890
223 Caacutelculo del nuacutemero de lazos
Los caacutelculos que se han desarrollado en los acaacutepites anteriores constituyen los datos de partida para el caacutelculo del nuacutemero de colectores requeridos en el campo solar para poder alcanzar la potencia teacutermica demandada al campo solar
Caracteriacutesticas del aceite teacutermico (HTF)
El aceite teacutermico que se ha empleado como fluido calo-portador es Therminol VP-1 cuyo rango de temperatura de trabajo se encuentra entre 12-400ordmC La temperatura a la salida del campo solar no debe excederse de los 400ordmC ya que para temperaturas superiores el aceite se degrada y pierde sus propiedades teacutermicas A continuacioacuten se presentan las graacuteficas correspondientes a variacioacuten de densidad y entalpiacutea del aceite teacutermico Therminol VP-1 con la temperatura figuras 13 y 14 respectivamente y que han sido elaboradas a partir de datos del fabricante
Figura 13 Therminol VP-1 Entalpiacutea vs Temperatura
36
Figura 14 Therminol VP-1 Densidad vs Temperatura(Hidalgo 2012)
Para determinar el nuacutemero de lazos necesarios en el campo solar se ha seguido la siguiente metodologiacutea de caacutelculo
Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF
Incremento de temperatura del HTF en un colector
Nuacutemero de colectores necesarios por lazo Nuacutemero de lazos en el campo solar
224 Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF por cada lazo
El caudal de aceite estaacute controlado por la temperatura de salida del campo Cuando la radiacioacuten solar es baja el flujo se reduce con el objetivo de mantener la temperatura de salida del campo y por el contrario cuando la radiacioacuten solar es superior a la del punto de disentildeo los colectores se desenfocan para evitar que el aceite exceda los 393ordmC La velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor se calcula a partir de la expresioacuten del nuacutemero de Reynolds
119877119890 =119907∙119863∙120588
120583 (23)
Doacutende
119907 Velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor (ms) (Se asumioacute una
velocidad de 3 ms la cual es una velocidad econoacutemica)
119877119890 Nuacutemero de Reynolds (-)
120583 Viscosidad dinaacutemica del HTF a la temperatura media de trabajo (Pas)
119863 Diaacutemetro interior del tubo absorbedor (m)
120588 Densidad del HTF a la temperatura media de trabajo (kgm3)
37
Para cumplir con los requisitos de flujo turbulento el caudal miacutenimo de aceite que circula por un lazo en el punto de disentildeo es
= 119907 ∙ 119878 ∙ 120588 (24)
Siendo S en m2 la seccioacuten transversal interior del tubo absorbedor
225 Incremento de temperatura del HTF en un colector
La potencia teacutermica uacutetil del colector se invierte en aumentar la temperatura del aceite De esta forma el incremento de temperatura que sufre el aceite teacutermico a su paso por un colector es decir desde que entra en el colector y hasta que sale del mismo es
∆119879119888119900119897119890119888 = 119879119904 minus 119879119888 =uacute119905119894119897
∙119862119901 (25)
∆119879119888119900119897119890119888 Incremento de temperatura del aceite teacutermico en el colector (ordmC)
119879119888 119879119904 Temperatura del HTF a la entrada y a la salida del colector respectivamente
(ordmC)
119906119905119894119897 Potencia teacutermica uacutetil por colector (W)
Caudal maacutesico de aceite teacutermico por colector (kgs)
119862119901 Calor especiacutefico del aceite teacutermico a la temperatura media de trabajo (kJkg ordmC)
226 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
El incremento total de temperatura del HTF por lazo ΔT lazo es igual a la diferencia entre las temperaturas a la salida y a la entrada del campo solar Por tanto el nuacutemero teoacuterico de colectores en serie por lazo seraacute igual a
119873119888119900119897119890119888 =∆119879119897119886119911119900
∆119879119888119900119897119890119888 (26)
119873119888119900119897119890119888 Nuacutemero teoacuterico de colectores por lazo
∆119879119897119886119911119900 Incremento de temperatura por lazo (ordmC)
Esto implica el salto teacutermico y caudal maacutesico por lazo que es necesario tener el aceite para asiacute poder alcanzar la temperatura de entrada del agua en el economizador
227 Nuacutemero de lazos en el campo solar
A diferencia del nuacutemero de colectores que viene fijado por el salto de temperatura del aceite teacutermico en el campo el nuacutemero de lazos paralelos que conforman el campo solar depende de la potencia teacutermica demanda por el campo El nuacutemero de lazos es igual al cociente entre la potencia teacutermica del campo solar y la potencia teacutermica uacutetil por colector
38
119925119949119938119963119952 =119940119938119950119953119952
uacute119957119946119949 119935119949119938119963119952 (27)
Doacutende
119925119949119938119963119952 Nuacutemero de lazos
119940119938119950119953119952 Potencia teacutermica del campo solar (kW)
uacute119957119946119949 Potencia teacutermica uacutetil por lazo (kW)
23 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un
antildeo)
Para el caacutelculo de las toneladas de CO2 dejadas de emitir se utilizaraacute el iacutendice de
generacioacuten de una planta convencional de combustible foacutesil que para Cuba es de
270 gkWh Con este iacutendice y el aumento de la produccioacuten de energiacutea eleacutectrica con
la incorporacioacuten del campo solar se calcularaacute el ahorro de combustible foacutesil y a este
valor de combustible sustituido y el uso de los factores de emisioacuten de CO2 mostrados
en la siguiente (tabla 6) se podraacute determinar cuaacutentas toneladas de CO2 es capaz de
evitar la instalacioacuten del campo solar
Tabla 6 Factores de emisioacuten de especies especificadas
Tecnologiacutea CO (gkgf) SO2 (gkgf) NO2eq (gkgf) PM10
(gkgf)
CO2
(kgkgf)
CIE-HFO 24 27 128 528 306
CIE-DO 12 4 84 195 313
Fuente (EPA 2004)
24 Factibilidad econoacutemica del proyecto
Para el caacutelculo de la rentabilidad econoacutemica se optimizoacute la dimensioacuten del campo solar que fuera maacutes rentable para este trabajo donde se tuvo en cuenta el nuacutemero de lazos necesarios del campo y la tasa interna de retorno
241 Valor actual neto (VAN)
El VAN permite calcular el valor presente de un determinado nuacutemero de flujos de caja futuros originados por una inversioacuten teniendo en cuenta la peacuterdida de valor del dinero en el tiempo a traveacutes de una tasa de descuento (Martiacutenez 2017) y se calcula mediante la siguiente ecuacioacuten
39
(28)
Donde
119868119900 Costo inicial de la inversioacuten FC Flujo de caja n El tiempo para el cual se requiere calcular el VAN i La tasa de descuento Meacutetodo de caacutelculo mediante el Excel Para calcular el VAN es necesario conocer el flujo de caja teniendo en cuenta los ingresos y los gastos Ingresos El ingreso es debido a la venta de energiacutea eleacutectrica a la red para ello se utilizoacute un precio de 021 (USDkWh) Ingresos por ventas
119868119899119892119903119890119904119900=119875119903119890119888119894119900 (119880119878119863119896119882ℎ)lowast119864119899119890119903119892iacute119886 (29) Gastos Costo fijo de operacioacuten y mantenimiento Se calcula primero la inversioacuten total mediante la ecuacioacuten siguiente
119894119899119907119890119903119904119894oacute119899 119905119900119905119886119897=119862119900119904119905119900 119906119899119894119905119886119903119894119900 119889119890 119894119899119907119890119903119904119894oacuten (119880119878119863119896119882119890)lowast119875119900119905119890119899119888119894119886 (kWe) (30) Entonces se calcula el costo fijo de operacioacuten y mantenimiento
119862119891=119894119899119907119890119903119904119894oacute119899 119905119900119905119886119897lowast02 (31) Donde
119862119891 Costo fijo de operacioacuten y mantenimiento
Costo variable de operacioacuten y mantenimiento
119862119907=119864119899119903119892iacute119886 (119896119882ℎ)lowast002(119880119878119863119896119882ℎ) (32)
Donde
119862119907 Es el costo variable de operacioacuten y mantenimiento A continuacioacuten se calcula la utilidad antes de impuesto que es la diferencia entre los ingresos y los costos de operacioacuten fijo y variable 119880119879119860=119894119899119892119903119890119904119900minus(119862119891+119862119907) (33)
Donde
119880119879119860 Es la utilidad antes de impuesto o neta Entonces el impuesto en Cuba es del 35 de la utilidad neta
40
119868119898119901119906119890119904119905119900=035lowast(119880119878119863) (34)
El flujo de caja quedariacutea como
119865119888=119880119879119860 (119880119878119863)minus119868119898119901119906119890119904119905119900 (119880119878119863) (35)
Teniendo el flujo de caja se puede calcular el VAN aplicando la tasa de descuento
del 10
Si VAN gt 0 El proyecto es rentable
Si VAN = 0 El proyecto es postergado
Si VAN lt 0 El proyecto no es rentable
242 Tasa interna de retorno (TIR)
Se define como la tasa de descuento que iguala el VAN a cero
Si TIR gt tasa de descuento (r) El proyecto es aceptable
Si TIR = tasa de descuento (r) El proyecto es postergado
Si TIR lt tasa de descuento (r) El proyecto no es aceptable La TIR es aquella tasa de descuento que iguala el valor actual de la corriente de cobros con el valor actual de la corriente de pagos por lo que es la tasa de descuento que hace al VAN igual a cero y puede utilizarse como indicador de la rentabilidad de un proyecto se utiliza como uno de los criterios para decidir sobre la aceptacioacuten o rechazo de un proyecto de inversioacuten (Martiacutenez 2017) y se puede expresar de la siguiente forma
(36) Para simplificacioacuten de los caacutelculos se utilizoacute el software Microsoft Excel que de forma iterativa busca este valor se utilizoacute la estimacioacuten de los flujos de caja para 25 antildeos al igual que para el caacutelculo del VAN
243 Periacuteodo de recuperacioacuten de la inversioacuten
El periacuteodo de recuperacioacuten se cumple cuando la suma de los flujos de caja consecutivos desde el primer antildeo da como resultado el valor de la inversioacuten pero teniendo en cuenta el efecto del tiempo sobre el dinero Calculado de esta manera se conoce como periacuteodo de recuperacioacuten de la inversioacuten descontado Para obtenerlo se hallaron todos los flujos de caja para 25 antildeos consecutivos que es el tiempo de estudio del proyecto entonces se le restoacute el descuento correspondiente a cada antildeo y se graficoacute el resultado quedando como una curva
41
Conclusiones parciales
En este capiacutetulo se realizoacute un estudio de la metodologiacutea de caacutelculo para la
realizacioacuten del dimensionamiento del campo solar para la tecnologiacutea de colectores
cilindro paraboacutelico para esto se escogioacute la metodologiacutea planteada por (Hidalgo
2012) Siendo fundamental el estudio de la radiacioacuten solar de la zona en que estaacute
situada la instalacioacuten Tambieacuten se tuvo en cuenta el acceso a los recursos hiacutedricos
y la cercaniacutea a la red eleacutectrica nacional lo cual no tuvo ninguna dificultad puesto
que donde se pretende ubicar el campo ya existe una instalacioacuten con todas estas
necesidades cubiertas que es el central al cual se pretende convertir en
bioeleacutectrica Luego de estos anaacutelisis y una vez dimensionado el campo solar se
realizoacute el caacutelculo de la rentabilidad econoacutemica seguacuten lo planteado por (Martiacutenez
2017) planteaacutendose como principales indicadores econoacutemicos el costo nivelado de
la energiacutea generada costo de inversioacuten VAN y TIR El impacto ambiental se tuvo
en cuenta mediante el caacutelculo de las emisiones de CO2 dejadas de emitir si la
energiacutea generada con el excedente de bagazo ahorrado por la insercioacuten del campo
hubiera sido generada por una planta teacutermica convencional
42
Capiacutetulo 3 Resultados y Discusioacuten
En este capiacutetulo se exponen los resultados de los caacutelculos efectuados y a la vez se
interpreta el porqueacute de estos asiacute como la discusioacuten de las bibliografiacuteas consultadas
31 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB umlGeorge Washington uml
311 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa
Para el caacutelculo de la radiacioacuten solar directa (DNI) primeramente se halloacute el aacutengulo
de declinacioacuten de cada mes Dicho aacutengulo se anuloacute para el 22 de Marzo y el 23 de
Septiembre puesto que ocurren los equinoccios momento del antildeo en que el sol estaacute
situado en el plano del ecuador terrestre y alcanzoacute el valor maacuteximo positivo el 22 de
Junio y el valor maacuteximo negativo el 22 de diciembre diacuteas en que ocurren los
solsticios que son los momentos del antildeo en los que el sol alcanza su mayor o menor
altura aparente en el cielo y la duracioacuten del diacutea o de la noche son las maacuteximas del
antildeo respectivamente (figura 15)
Figura 15 Aacutengulo de declinacioacuten para los diferentes meses del antildeo
Los valores de DNI que inciden en la zona de la UEB umlGeorge Washingtonuml se
mantuvieron como promedio por encima de 10 kWhm2diacutea seguacuten la metodologiacutea
de caacutelculo empleada siendo oacuteptimos para la instalacioacuten de este tipo de tecnologiacutea
Esto pudiera ser debido a que por la metodologiacutea de caacutelculo solo se tuvo en cuenta
la latitud geograacutefica y el diacutea del antildeo en que se analizoacute dicha radiacioacuten por esta
razoacuten se observoacute que sus valores fueron mayores que los valores de radiacioacuten solar
-30
-20
-10
0
10
20
30
Gra
dos s
exagesim
ale
s
Aacutengulo de declinacioacuten
43
directa que aporta la base de datos de la NASA (httpeosweblarcnasagovsse
2017) como promedio 506 kWhm2diacutea y los aportados por el Instituto de
Meteorologiacutea cubano para esta zona (como promedio 582 kWhm2diacutea) idoacuteneo para
este tipo de tecnologiacutea de los datos de radiacioacuten analizados se utilizoacute para los
caacutelculos siguientes de dimensionamiento del campo los aportados por el instituto de
meteorologiacutea cubano por ser los maacutes especiacuteficos y detallados de todas las fuentes
consultadas Algunos meses como noviembre y diciembre no alcanzan el valor
idoacuteneo de 47 kWhm2-diacutea sin embargo (La Rosa 2014) planteoacute que Cuba se
localiza en una zona geograacutefica de alta radiacioacuten solar y que se caracteriza por la
gran cantidad de diacuteas soleados en el antildeo
Figura 16 Comparacioacuten entre el DNI calculado por la metodologiacutea el aportado por la NASA
y el obtenido por el Instituto de Meteorologiacutea cubano
En cada metro cuadrado del territorio cubano se recibe diariamente una cantidad de
energiacutea solar equivalente a medio kilogramo de petroacuteleo combustible valor
promedio praacutecticamente invariable durante todo el antildeo Otra de las caracteriacutesticas
de la radiacioacuten solar en Cuba es que su valor es casi igual en todo el paiacutes ya que
la diferencia en latitud desde el lugar maacutes bajo hasta el maacutes alto es de soacutelo 3 grados
Por lo tanto la radiacioacuten solar en Cuba es utilizable en todo el territorio y durante
todo el antildeo con un valor medio de maacutes de 5 kWhm2diacutea tanto en su forma de
bioenergiacutea o biomasa energiacutea hidraacuteulica energiacutea eoacutelica o directamente convertida
en calor o electricidad (Beacuterriz 2000)
0
2
4
6
8
10
12
14
DN
I (k
Whm
2-d
iacutea)
meses
Radiacioacuten solar
Calculado NASA Meteorologiacutea cubana
44
312 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea
Luego de haber calculado la semiduracioacuten diurna en grados sexagesimales (WS)
para cada diacutea del antildeo en la zona de la UEB umlGeorge Washingtonuml se calcularon las
horas de luz solar durante el diacutea lo cual se muestra promediado en la tabla 7 donde
se ve que esta es mayor que 10 horas asiacute como tambieacuten se observa que son maacutes
largos los diacuteas en los meses de verano (Abril-Agosto)
Tabla 7 promedio de horas de sol al diacutea por meses del antildeo
32 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
Se realizoacute el balance energeacutetico del CCP teniendo en cuenta las peacuterdidas que
sucedieron en el mismo debido a su fabricacioacuten y a su posicioacuten
321 Peacuterdidas geomeacutetricas
Peacuterdidas debidas a la posicioacuten relativa de los colectores
En este trabajo no se tuvo en cuenta las peacuterdidas por sombras ya que se asumioacute
que la construccioacuten de estos colectores iba a estar lo suficientemente separados
para que no se pudieran dar sombra unos a otros
Peacuterdidas inherentes a cada colector
Se comparoacute el aacutengulo de incidencia en cuanto a la orientacioacuten y el seguimiento solar
del colector ciliacutendrico paraboacutelico Se seleccionoacute la orientacioacuten N-S con seguimiento
solar E-O por lo que se seleccionoacute para el caacutelculo del resto de las variables (g = 0)
Para la inclinacioacuten del colector se tomoacute con eje horizontal (s = 0) Se consideroacute el
aacutengulo horario 0ordm por ser el mediodiacutea solar donde maacutes radiacioacuten incide sobre la
tierra con el objetivo de simplificar los caacutelculos
Con los datos calculados anteriormente se halloacute el aacutengulo de incidencia (figura 17)
En este caso se observa que a diferencia de la radiacioacuten solar directa el aacutengulo de
incidencia es menor para los meses de verano reafirmando que a menor aacutengulo de
incidencia mayor la radiacioacuten que va a captar el colector
enero febrero marzo abril mayo junio julio agosto septiembre octubre noviembre diciembre
108 112 119 125 131 134 132 127 121 114 109 106
45
Figura 17 Aacutengulo de incidencia por meses para una orientacioacuten N-S con seguimiento solar
E-O
322 Peacuterdidas oacutepticas
Las caracteriacutesticas oacutepticas del colector ET-150 se reflejaron en la tabla 8 y con estas
se calculoacute el rendimiento oacuteptico
Tabla 8 Caacutelculo del rendimiento oacuteptico
Rendimiento oacuteptico
ntilde Reflectividad superficie reflectora 090
ocirc Transmisividad del cristal absorbedor 095
aacute Absortividad del tubo del absorbedor 096
ɣ Factor de interceptacioacuten 095
Ƞopt0ordm= 078
Cuanto mayor es el valor del rendimiento oacuteptico mayor seraacute el rendimiento del
captador Asiacute cuanto mayor sea el valor de las variables que lo definen mejor seraacute
el rendimiento de los captadores (Rojas 2013)
Ademaacutes de las peacuterdidas debidas al aacutengulo de incidencia existen otras peacuterdidas que
se asocian a dicho aacutengulo El efecto del aacutengulo de incidencia en el rendimiento del
CCP se cuantifica mediante el modificador por aacutengulo de incidencia 119870(120579119904)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Gra
do
s se
xage
sim
ale
s
Aacutengulo de incidencia
46
323 Peacuterdidas teacutermicas
Se calculoacute la potencia teacutermica uacutetil la potencia teacutermica absorbida y la potencia
teacutermica perdida La energiacutea teacutermica uacutetil fue menor que la energiacutea teacutermica absorbida
Esto es debido a las peacuterdidas teacutermicas que se presentan en este tipo de tecnologiacutea
Durante los meses de verano existioacute un descenso de las diferentes potencias
calculadas a causa de las condiciones de nubosidad (lluvia) para esta eacutepoca del
antildeo (figura 18) Para los meses de invierno las potencias decrecieron debido a la
disminucioacuten de la radiacioacuten solar tiacutepico en esta eacutepoca del antildeo
Figura 18 Energiacutea solar por unidad de tiempo radiacioacuten solar absorbida en un colector
peacuterdidas teacutermicas y potencia teacutermica uacutetil para todos los meses del antildeo
Estas peacuterdidas teacutermicas influyeron negativamente en el rendimiento global del
colector CCP ET-150 que tuvo un valor aproximado al 70 Para los meses de
verano hubo un mayor rendimiento aunque este se vio afectado por la nubosidad
El funcionamiento teacutermico de cualquier captador solar estaacute determinado por el
llamado rendimiento global definido como la relacioacuten entre la potencia teacutermica que
es capaz de proporcionar o potencia teacutermica uacutetil y la potencia procedente del Sol
que se tome como referencia No toda la potencia solar puede ser absorbida por el
receptor Existen una serie de peacuterdidas de energiacutea debidas tanto a la geometriacutea y
oacuteptica del captador como a las propiedades de los materiales del propio receptor
que hay que tener en cuenta (Rojas 2013)
16
161
162
163
164
165
166
167
168
169
17
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Qp
er(
kW
h)
Qso
lu
til(
kW
h)
meses
Peacuterdidas teacutermicas
Qsol Qutil Qperd
47
33 Dimensionamiento del campo solar
331 Caracterizacioacuten del terrero
El terreno del central George Washington es llano desprovisto de grandes
obstaacuteculos que puedan crear dificultades en la construccioacuten del campo y crear
sombras que entorpezcan la radiacioacuten del sol en los espejos reflectores Estaacute
cercano a la carretera y consta con posos que facilita el acceso a los recursos
hiacutedricos en el emplazamiento Estaacute solucionado el problema de la conectividad a la
red eleacutectrica nacional puesto que el central ya contaba con esta infraestructura Por
lo tanto posee las condiciones idoacuteneas para la instalacioacuten de un campo solar
332 Balance energeacutetico en el intercambiador de calor
A partir de la temperatura que se quiere elevar el agua de alimentacioacuten de la caldera
(260 oC) y el flujo de esta (255 kgs) se determina una cantidad de energiacutea teacutermica
que debe suministrar el campo para suplir esta demanda Dicha energiacutea teacutermica se
logra a traveacutes de la radiacioacuten solar captada por los colectores la cual es transferida
en forma de calor a un fluido portador en este caso aceite HTF Este necesita un
determinado flujo para absorber toda esa energiacutea y luego transferirla al agua Los
caudales necesarios para la captacioacuten de este calor se encuentran en la (tabla 9)
Tabla 9 Paraacutemetros termodinaacutemicos en el intercambiador de calor
Datos Agua de
alimentacioacuten Aceite teacutermico
Caudal(kgs) 255 462
Temperatura(ordmC) 166 300
Presioacuten (bar) 67 25
Entalpiacutea (kJkg) 6974 490
Con estos datos se concluye que para calentar un flujo de agua de 255 kgs (a
temperatura de 166ordmC y presioacuten de 67 bar) hasta alcanzar una temperatura de
260ordmC se necesita un flujo de energiacutea teacutermica de 106225 kW lo cual es
proporcionada por 462 kgs de aceite teacutermico proveniente del campo solar que estaacute
a una temperatura de 300ordmC y presioacuten de 25 bar
48
333 Caacutelculo del nuacutemero de lazos
3331 Caacutelculo del caudal miacutenimo de circulacioacuten del fluido de transferencia de
calor (HTF) por cada lazo
Para que exista un flujo turbulento por el interior del tubo absorbedor a una velocidad
del fluido econoacutemica de 3 ms el caudal miacutenimo de circulacioacuten debe ser de 86 kgs
(tabla 10)
Tabla 10 Caudal miacutenimo de circulacioacuten del fluido de transferencia de calor (HTF) por
cada lazo
Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF por cada lazo 86 kgs
Nuacutemero de Reynolds 874E+5
Velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor 3 ms
Viscosidad dinaacutemica del HTF a la temperatura media de
trabajo 194E-04 kgmmiddots
Densidad del HTF a la temperatura media de trabajo 870 Kgm3
3332 Incremento de la temperatura del HTF en un colector
Para calentar el flujo de aceite de 200 a 300ordmC lo cual equivale a un salto teacutermico
por lazo de 100ordmC es necesario 4 colectores por lazo Por tanto el salto de
temperatura promedio del HTF a su paso por un colector es aproximadamente de
283ordmC (tabla 11)
Tabla 11 Salto de temperatura promedio del HTF a su paso por un colector
meses ∆119931119949119938119963119952() ∆119827119836119848119845119838119836() 119821119845119834119859119848119852
Enero 100 248 40
Febrero 100 263 38
Marzo 100 301 33
Abril 100 343 29
Mayo 100 333 30
Junio 100 318 31
Julio 100 325 31
Agosto 100 330 30
Septiembre 100 286 35
Octubre 100 262 38
Noviembre 100 202 50
Diciembre 100 186 54
49
3333 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
El nuacutemero de colectores necesarios por lazo para cada mes se refleja en la (tabla
12) Con este resultado se concluye que la cantidad de colectores totales que debe
tener cada lazo del campo solar es aproximadamente de 4
Tabla 12 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo para cada mes del antildeo
Meses Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
Enero 40
Febrero 38
Marzo 33
Abril 29
Mayo 30
Junio 31
Julio 31
Agosto 30
Septiembre 35
Octubre 38
Noviembre 50
Diciembre 54
3334 Nuacutemero de lazos en el campo solar
Al ser la potencia teacutermica del campo solar 106225 kW y ser la potencia teacutermica uacutetil
promedio por lazo aproximadamente de 26556 kW el nuacutemero de lazos necesarios
por campo solar debe ser aproximadamente de 4
Para generar 106 MW teacutermico con una radiacioacuten promedio de 5355 Wm2 para todo
un antildeo la dimensioacuten del campo solar debe ser de 44448 m2 Esto se logra con un
total de 4 lazos con 4 colectores cada uno
334 Caacutelculo del ahorro de bagazo propiciado por el campo
Una de las ideas fundamentales de este proyecto es el ahorro de bagazo para su
uso fuera de temporada y asiacute no parar la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica por la
ausencia de combustible Para esto se halloacute el iacutendice de generacioacuten con el campo
(tabla 13) quedando un ahorro de maacutes de 25 mil toneladas de bagazo Pudiendo
dar un margen de 30 diacuteas maacutes de generacioacuten de electricidad lo que equivale a maacutes
de 14 mil MWe
50
Tabla 13 Generacioacuten en el periacuteodo de zafra y ahorro de bagazo propiciados por el campo
solar
Generacioacuten eleacutectrica total 111063 MWh
Iacutendice de generacioacuten sin campo 500 kWhtb
Iacutendice de generacioacuten con campo 575 kWhtb
Ahorro de bagazo 251586 TonZafra
Porciento de bagazo ahorrado 14
Generacioacuten con el excedente de Bagazo 14463 MWh
Seguacuten los datos de la tabla 13 y suponiendo que la zafra sea de 120 diacuteas sin contar
las paradas este resultado extenderiacutea la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica a 232 diacuteas
aproximadamente maacutes de la mitad del antildeo y solo se necesitariacutea para los restantes
133 diacuteas del antildeo abastecerse por medio de otra fuente como pudiera ser bagazo
aportado por centrales cercanos que funcionaran como tributarios o utilizar otro
combustible complementario como los residuos agriacutecolas cantildeero lentildea o carboacuten de
marabuacute
34 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un
antildeo)
Para el caacutelculo se halloacute el ahorro de combustible foacutesil con la incorporacioacuten del campo
solar De la (tabla 14) mostrada en el capiacutetulo anterior se tomoacute el valor para las
emisiones de CO2 que fue de 306 kgkgf lo que reflejoacute los siguientes resultados
Tabla 14 Ahorro de combustible y emisiones de CO2 dejadas de emitir propiciado por el campo
Iacutendice de generacioacuten de una planta
teacutermica convencional en Cuba 270 gkWh
Ahorro de combustible Foacutesil 3888 TCC
CO2 dejado de emitir 11897 Ton
35 Factibilidad econoacutemica del proyecto
Para los caacutelculos de factibilidad econoacutemica en este proyecto se ha tomado los
siguientes valores (tabla 15)
51
Tabla 15 Valores necesarios para el caacutelculo de la factibilidad econoacutemica
Precio de la electricidad 021 $kWh
Impuestos 30
Tasa de descuento 10
Vida uacutetil 25 antildeos
Tambieacuten se tuvieron en cuenta los costos de inversioacuten del campo solar (tabla 16)
Tabla 16 Costos de Inversioacuten del campo solar Fuente (IDEA 2013)
Captacioacuten y concentracioacuten de
energiacutea solar
Campo solar(CCP)
espejos 35 Eur m2
apertura
130800 m2
457800
euros
estructuras
metaacutelicas
72 Eur m2
apertura
13080
m2
941760
euros
sistemas de
posicionamiento
6600 Eurunid
16
unidades
108585
euros
movimiento de
tierras
21 Eur m2
apertura
13080
m2 27468000 euros
cimentacioacuten 37 Eur m2
apertura
13080
m2 48396000 euros
montaje 43 Eur m2
apertura
13080
m2 56244000 euros
nave de montaje 545 Eur m2
apertura
13080
m2 7128600 euros
costo total
2900511
euros
Sistema de conversioacuten solar teacutermico
aceite teacutermico 283 Eurkg
100
Kg 283 euros
tubos
absorbedores
892 Eurtubo
16
tubos
14675
euros
juntas rotativas 190 Eur unid 33 unidades 625187 euros
tuverias valvulas y
accesorios
13400 Eurlazo 4 lazos 4915834 euros
sistTrasiego
aceites
87000 Eurlazo 4 lazos 31916236 euros
sistPurificacioacuten
de aceite
380000 Eur unid 1 unidades 380000 euros
ProteccContra
incendios
11400 Eurlazo 1 lazos 11400 euros
sistInertizacioacuten 5900 Eurlazo 1 lazos 5900 euros
52
Intercambiador
aceite-vapor
240 EurkW 10623 kWe 2549400 euros
calderas GV 53 EurkWt - 0 euros
costo total 33362310 euros
TOTAL DEL COSTO DE INVERSIOacuteN
9137253
euros
9959606
doacutelares
Tabla 17 Costos de operacioacuten y mantenimiento (OampM) del campo solar en millones de
euros (MEUR MWantildeo) Fuente (IDEA 2013)
Personal 001 MEUR MWantildeo
Mantenimiento 004 MEUR MWantildeo
Otros 002 MEUR MWantildeo
total 007 MEUR MWantildeo
Tabla 18 Costos de operacioacuten y mantenimiento (OampM) del campo solar en MEUR Fuente
(IDEA 2013)
Potencia del
campo solar
11 MW
Personal 011
Mantenimiento 042
Otros 021
total 074
Esto equivale a un costo fijo de 1772000 doacutelares en operacioacuten y mantenimiento
Paraacutemetros operativos
Venta de electricidad 21 centkWh
Produccioacuten de electricidad solar 144626 MWhantildeo
Costos OampM campo solar 289252 USD antildeo
Costo nivelado de la energiacutea generada
Este costo se determinoacute al sumar los costos variables el de inversioacuten total y los
costos de operacioacuten y mantenimiento luego se dividioacute entre la generacioacuten total de
la planta en los 25 antildeos de vida uacutetil de esta tecnologiacutea quedando de 0032$kWh
351 Tasa interna de retorno (TIR)
Con un campo de 16 colectores y para las condiciones de este proyecto se obtuvo
una TIR de
TIR= 30
La TIR calculada fue mayor que la tasa de descuento por tanto el proyecto es
aceptable
53
352 Valor actual neto (VAN)
El valor actual neto es positivo con un valor que asciende a $ 34116545 por lo que
se cumple la condicioacuten de VAN mayor que cero por lo que el proyecto es rentable
353 Periacuteodo de recuperacioacuten (PR)
El tiempo en que se recupera esta inversioacuten es de aproximadamente 9 antildeos (figura
18)
Los costos de inversioacuten incluyen costes de Ingenieriacutea obtencioacuten de los permisos
necesarios y autorizaciones administrativas obra civil y equipo electromecaacutenico
Los beneficios corresponden a las ventas anuales de electricidad una vez
deducidos los gastos de operacioacuten y mantenimiento En general se estima en el
sector que para que una inversioacuten sea interesante el periacuteodo de recuperacioacuten no
debe exceder de 7 antildeos (Penche 1998) Este proyecto excede en dos antildeos lo
planteado por (Penche 1998) aunque sigue siendo factible e interesante para las
condiciones del paiacutes ya que como plantea el problema de investigacioacuten el principal
intereacutes de este trabajo es aumentar los diacuteas de generacioacuten de electricidad Debido
al problema que presenta Cuba con los iacutendices de generacioacuten se hace necesario
una mejora en este sector a toda costa priorizando esto quedando asiacute los periodos
de recuperacioacuten por detraacutes de este intereacutes primordial
Figura 19 Periacuteodo de recuperacioacuten en antildeos
Teniendo en cuenta estos tres iacutendices econoacutemicos calculados que se tuvieron en
cuenta para la rentabilidad econoacutemica de este proyecto se obtiene como resultado
que dicho proyecto es econoacutemicamente factible
-15000000
-10000000
-5000000
0
5000000
10000000
15000000
20000000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Doacutela
res
Antildeos
Periacuteodo de recuperacioacuten de la invercioacuten
54
Conclusiones
La tecnologiacutea de plantas hibridas solar-biomasa para el caso de Cuba es
potencialmente factible a partir de los valores encontrados de radiacioacuten solar
directa en todo el territorio alcanzando estos maacutes de 5 kWhm2-dia durante
todo el antildeo siendo favorable para la implementacioacuten de esta tecnologiacutea
El rendimiento global de cada colector tiene un valor aproximado del 70
debido a las peacuterdidas geomeacutetricas oacutepticas teacutermicas y por las condiciones
meteoroloacutegicas del lugar puesto que al ser Cuba una isla rodeada de mar
hay ocurrencia de un gran nuacutemero de precipitaciones y cielos nublados al
antildeo que afectan considerablemente el factor de disponibilidad del campo
solar
El campo solar tendraacute 4 colectores por lazo y 4 lazos por campo con una
potencia teacutermica de 106 MW lo que representa un aacuterea de casi 45 ha
aumentaacutendose el iacutendice de generacioacuten de electricidad de la planta con su
conversioacuten en planta hibrida (solar-biomasa) de 500 kWhtb a 575 kWhtb
Con la implementacioacuten del proyecto propuesto (hibridacioacuten biomasa-energiacutea
solar) se puede lograr un ahorro de 251586 toneladas de bagazo por zafra
lo que equivale a 30 diacuteas adicionales de generacioacuten eleacutectrica de la planta lo
que extenderiacutea la generacioacuten en la bioeleacutectrica a unos 230 diacuteas acercaacutendose
cada vez maacutes a lo previsto por la poliacutetica existente en el paiacutes de conversioacuten
de centrales en bioeleacutectricas de llegar a los 300 diacuteas Pudieacutendose saldar los
70 diacuteas faltantes con combustibles alternativos como el RAC y el marabuacute con
gran abundancia en nuestros campos
La implementacioacuten en la UEB George Washington de la hibridacioacuten permitiriacutea
anualmente con el excedente de bagazo obtenido una generacioacuten de
electricidad adicional de 145 GWh con una disminucioacuten de 11897 toneladas
de emisiones de CO2 funcionando como una fuente de empleo considerable
para los habitantes de este lugar
El estudio de la hibridacioacuten solar-biomasa en la UEB George Washington
indica que un proyecto de este tipo es factible con una inversioacuten de casi 10
millones de doacutelares logra como resultados maacutes importantes un VAN de maacutes
de 34 millones una TIR de 30 un PRD de aproximadamente 9 antildeos y un
costo nivelado de la electricidad de 0032 $kWh valor de gran motivacioacuten
para la implementacioacuten de esta tecnologiacutea
55
Recomendaciones
Extender el estudio de factibilidad de plantas de energiacutea hiacutebridas biomasa
solar a otros centrales azucareros del paiacutes que se prevean convertir en
bioeleacutectricas
Incluir en la metodologiacutea de anaacutelisis empleada en este trabajo para futuros
estudios otro tipo de tecnologiacuteas de concentracioacuten como pudiera ser la de
colector lineal Fresnel cuya aplicacioacuten ha venido en aumento en los uacuteltimos
antildeos a nivel mundial
Profundizar en el estudio de factibilidad de este proyecto analizando la
influencia de la variacioacuten de paraacutemetros como el salto entaacutelpico en el
intercambiador de calor del campo solar para la optimizacioacuten del disentildeo del
campo solar
56
Bibliografiacutea
BEacuteRRIZ L MADRUGA E 2000 Cuba y las fuentes renovables de energiacutea CUBASOLAR pp 29
CENGEL Y 2012 Termodinaacutemica Meacutexico DF
DAVID A 2007 Business and Finance Israeli Company to build largest solar park in world in US [Online] Available (httpwwwynetnewscom) [Accessed 10 febrero 2018]
E BURIN T V S MULTHAUPT A THELEN G OELJEKLAUS K GOumlRNER E BAZZO 2016 Thermodynamic and economic evaluation of a solar aided sugarcane bagasse cogeneration power plant THE 28TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON EFFICIENCY COST OPTIMIZATION SIMULATION AND ENVIRONMENTAL IMPACT OF ENERGY SYSTEMS
EPA Factor Information REtrieval (FIRE) Software Technology Transfer Network Clearinghouse for Inventories amp Emissions Factors 2004
GACETA 2007 Estrategia Ambiental Nacional Ministerio de Justicia 30 ed Gaceta Oficial Republica de Cuba
GESIME 2014 Conceptualizacioacuten del programa de desarrollo de la energiacutea solar teacutermica en Cuba 2014-2020 MINEM Desarrollado por grupo de desarrollo de la energiacutea solar teacutermica Grupo Empresarial de la Industria Sidero-Mecaacutenica 36
GUTIEacuteRREZ E 2013 ldquoEl azuacutecar cubano adquiere protagonismo energeacuteticordquo Diarios latinoamericanos de Tierrameacuterica
HERRERA I 2016 Poligeneration Workshop KTH Universidad Central Marta Abreu de Las Villas
HIDALGO L 2012 Estudio Teacutecnico-econoacutemico de una central hiacutebrida solar-ciclo combinado Proyecto final de carrera para optar por el tiacutetulo ingeniero teacutecnico de minas Departamento de sistemas energeacuteticos 79
HTTPEOSWEBLARCNASAGOVSSE 2017 Surface Meteorology and Solar Energy [Online] [Accessed 22 noviembre]
HTTPWWWWIKIPEDIAORG 2017 Energiacutea solar teacutermica [Online] [Accessed 17 diciembre 2017]
IDEA 2013 Plan de Energiacuteas (PER) 2011-2020 Instituto para la Diversificacioacuten y Ahorro de la Energiacutea
LA ROSA D 2014 Recuperacioacuten de la disponibilidad de generacioacuten en el ciclo combinado de Energas Varadero con aporte termosolar httpwwwcubasolarcu
MARTIacuteN S 2017 Colector ciliacutendrico paraboacutelico Available from httpwwwtecnoblogsanmartinwordpresscom]
57
MARTIacuteNEZ L 2017 Conjunto de alternativas tecnoloacutegicas para la ingenieriacutea conceptual del estudio de oportunidad de la conversioacuten en bioeleacutectrica del central George Washington Trabajo de diploma Universidad Central ldquoMarta Abreurdquo de Las Villas
MAXWELL E L RENNE DS 1994 Measures of Renewable Energy National Renewable Energy Laboratory
PAREDES C 2012 Disentildeo de captador solar ciliacutendrico paraboacutelico para aplicaciones rurales en Paraguay Proyecto final de carrera para optar por el tiacutetulo de ingeniero teacutecnico de minas Especialidad en recursos energeacuteticos combustibles y explosivos 57
PENCHE C 1998 Manual de pequentildea hidroeleacutectrica D I R E C C I Oacute N G E N E R A L D
E E N E R G I A ( D G X V I I ) 259
PETROLEUM B 2006 BP Statistical Review of World Energy June 2006 Quantifying Energy
PETROLEUM B 2018 Statistical Review of World Energy [Online] Available httpwwwbpcomenergyoutlook [Accessed 12 febrero de 2018]
PITZ-PAAL 2013 Solar thermal power plants BINE-Themeninfo FIZ Karlsruhe GmbH
REN 2013 Global Status Report Paris
REUszlig N 2012 Modern Gas- amp Steam Turbines in Solarthermic Applications 14th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery Honolulu
RIBOT J E A ROVIRA P ROVIRA A BAROacuteN JL 2001 Curso de Energiacutea Solar Centro de Tecnologiacutea Educativa CTE Barcelona Espantildea Obra completa 4ta edicioacuten Leccioacuten 3 El potencial real de la energiacutea solar
RODRIacuteGUEZ J 2015 Metodologiacutea para la caracterizacioacuten termoeconoacutemica de plantas hiacutebridas de generacioacuten de electricidad Tesis Doctoral Universidad Politeacutecnica de Madrid
ROJAS E 2013 Energiacutea Solar Teacutermica Observatorio de energiacutea renovable para Ameacuterica Latina y Caribe Programa de capacitacioacuten de energiacuteas renovables ONUDI 68
SALOMOacuteN R 2016 ldquoBioeleacutectricas despiertan creciente intereacutes mundialrdquo
SALOMOacuteN R 2018 Biomasa fuente de electricidad inagotable para Cuba Diaacutelogos del Sur Prensa Latina de La Habana
SEBASTIAacuteN E 2011 Sistemas de colector ciliacutendrico paraboacutelico para generar energiacutea httpeliseosebastiancom
SHILLING Z NORMAN 2003 IGCC Clean Power Generation Alternative For Solid Fuels Product Line Leader
58
WWWSOLARBUZZCOM H 2016 Abener Signs Contract for Solar Thermal Electric-Combined Cycle Hybrid Plant [Online] [Accessed 16 diciembre 2017]
9
energeacutetica especialmente en las regiones situadas en el llamado ldquocinturoacuten solarrdquo
que son aquellas que se encuentran entre las latitudes 35o norte y 35o sur (Paredes
2012)
151 Sistemas de torre central (STC)
Este sistema se caracteriza porque el conjunto colector estaacute compuesto por un grupo
maacutes o menos numeroso de concentradores planos individuales llamados heliostatos
los cuales dirigen la radiacioacuten solar concentrada hacia un receptor central situado en
lo alto de una torre Por tanto la concentracioacuten de la radiacioacuten se produce en tres
dimensiones por lo que el valor de la razoacuten de concentracioacuten es muy elevado asiacute
como las temperaturas que se alcanzan pudiendo llegar eacutestas a los 1500 degC
Figura 3 Esquema de un STC Fuente Greenpeace
A parte de los componentes principales del sistema que se detallan maacutes adelante
para un correcto funcionamiento del sistema se requieren una serie de equipos y
sistemas auxiliares como el sistema de caracterizacioacuten de imaacutegenes blancos
lambertianos para evaluacioacuten de imaacutegenes ajustes de offsets etc
El sistema colector El heliostato es junto con el receptor uno de los componentes
que representa mayor importancia dentro del sistema llegando a suponer hasta un
60 del coste total de la parte solar Su funcioacuten es la de captar la radiacioacuten solar y
redirigirla hacia el receptor
Estaacute compuesto baacutesicamente por una superficie reflectante ndashespejos de vidrio como
los de los CCPs ademaacutes de una estructura soporte mecanismos de movimiento y
un sistema de control
En cuanto al tamantildeo existen de varias dimensiones desde 40 o 50 m2 hasta su
evolucioacuten a los 150 m2 Aunque actualmente se tiende a los heliostatos maacutes
10
pequentildeos pues suponen una simplificacioacuten y abaratamiento en los procesos de
transporte instalacioacuten y puesta en servicio El campo de heliostatos en relacioacuten al
receptor estaacute condicionado en gran parte por la orografiacutea del terreno por el tamantildeo
de la planta y por la disposicioacuten del receptor Las dos formas claacutesicas de colocar los
heliostatos son
Campo circundante heliostatos alrededor de la torre
Campo Norte-Sur heliostatos a un lado de la Torre La orientacioacuten dependeraacute de
en queacute latitud se encuentre el emplazamiento
No obstante existen otras disposiciones que tratan de aprovechar la orografiacutea del
terreno (por ejemplo una ladera orientada al Sur) o usan un concentrador secundario
para evitar los inconvenientes derivados de situar el receptor sobre una torre
La torre La funcioacuten de la torre es la de servir de soporte al receptor que
normalmente debe situarse a una cierta altura sobre el nivel del campo de helioacutestatos
para reducir las sombras y bloqueos entre eacutestos y a diversos elementos auxiliares
(blancos lambertianos sistemas de medida etc) Hasta hoy las torres construidas
han sido de estructuras metaacutelicas o de hormigoacuten
El receptor Es el dispositivo donde se produce la conversioacuten de la radiacioacuten solar
concentrada en energiacutea teacutermica
152 Disco Paraboacutelico (DP)
Los sistemas de discos paraboacutelicos se componen baacutesicamente en un reflector o en
un conjunto de reflectores que tienen forma de paraboloide de revolucioacuten Ademaacutes
poseen un receptor situado en el foco puntual de dicho paraboloide y de un sistema
de generacioacuten eleacutectrica compacto (un motor o una turbina maacutes un alternador) Por lo
general receptor y sistema de generacioacuten suelen formar parte de un mismo conjunto
El principio de funcionamiento es el mismo que para los CCPacutes es decir la radiacioacuten
concentrada por el paraboloide incide sobre el receptor donde se convierte en
energiacutea teacutermica (pudiendo alcanzar los 1500 oC que permite generar electricidad Los
elementos principales del colector Disco Paraboacutelico son los siguientes
Concentrador La forma de la superficie reflexiva en este tipo de sistema es la de
un paraboloide de revolucioacuten cuyo tamantildeo depende de la potencia nominal y de la
energiacutea que se desea generar en un determinado tiempo y bajo unas condiciones de
radiacioacuten determinadas
Receptor Es un sistema de discos paraboacutelicos que tienen dos funciones
fundamentales por un lado la de absorber la radiacioacuten solar reflejada por el
concentrador y por el otro transferir la energiacutea absorbida al fluido de trabajo de la
maacutequina asociada Hasta la fecha existen dos tipos de reflectores tubos
directamente iluminados por la reflexioacuten de los rayos y receptores de reflujo
11
Sistema de Seguimiento Con objeto de seguir la posicioacuten del sol en todo momento
los discos paraboacutelicos realizan un seguimiento de eacuteste en dos ejes Se realiza seguacuten
dos tipos de montaje
Seguimiento en acimut-elevacioacuten en el que el movimiento se realiza seguacuten dos
ejes el vertical y el horizontal
Seguimiento polar en el que el movimiento en un eje es muy lento pues solo se
debe seguir las variaciones estacionales del sol y el movimiento en el otro eje es a
velocidad constante
Actualmente el uso de discos paraboacutelicos para generar electricidad se encuentra en
fase de desarrollo en algunas plantas experimentales como la de Planta Solar de
Almeriacutea pero la falta de fiabilidad y su elevado coste constituyen los principales
obstaacuteculos para su introduccioacuten real en la generacioacuten eleacutectrica En cambio
atendiendo a la misma forma estructural y con el mismo principio de reflexioacuten en un
foco puntual del paraboloide de revolucioacuten es muy comuacuten encontrar a nivel
particular cocinas solares
Figura 4 Esquema de un Disco Paraboacutelico Fuente Greenpeace
12
153 Concentrador lineal Fresnel
Esta tecnologiacutea es la maacutes nueva de las cuatro que actualmente hay disponible para
los sistemas solares de concentracioacuten Son captadores de foco lineal en los que
largos reflectores que poseen ejes de giros independientes y paralelos reflejan la
radiacioacuten solar directa sobre un tubo receptor situado sobre ellos Es la tecnologiacutea
maacutes joven de las cuatro descritas por lo que existen actualmente solo dos plantas
comerciales en funcionamiento con una potencia eleacutectrica total de 64 MWe
Figura 5 Concentrador Lineal Fresnel
154 Colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Esta tecnologiacutea cilindro-paraboacutelica basa su funcionamiento en seguimiento solar y en
la concentracioacuten de los rayos solares en unos tubos receptores de alta eficiencia
teacutermica localizados en la liacutenea focal de los cilindros En estos tubos un fluido
transmisor de calor tal como aceite sinteacutetico es calentado aproximadamente a
400ordmC por los rayos solares concentrados El aceite es bombeado a traveacutes de una
serie de intercambiadores de calor para producir vapor sobrecalentado El calor
presente en este vapor se convierte en energiacutea eleacutectrica en una turbina de vapor
convencional Los colectores cilindro-paraboacutelicos se emplean maacutes a escala industrial
de 10 a 100 MW para la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica en un campo solar y en un
sistema de potencia En el campo solar la energiacutea de la radiacioacuten solar se transforma
en energiacutea teacutermica en una serie de filas paralelas de colectores cilindro-paraboacutelicos
cada uno de ellos con seguimiento solar La eficiencia durabilidad y costo de una
central con colectores cilindro-paraboacutelicos depende fuertemente de la estructura y
robustez del colector Un moacutedulo colector generalmente compuesto de elementos
de 12 m de largo conectados en serie puede tener hasta 150 m de longitud Sus
espejos paraboacutelicos reflejan la radiacioacuten solar y la concentran sobre un tubo
absorbente en su liacutenea focal (Sebastiaacuten 2011)
13
A principios del siglo pasado (1912) la primera planta de canal paraboacutelico fue
construida en Meadi Egipto para bombeo de agua Con 79 plantas 31425 MW
instalados esta tecnologiacutea es la maacutes madura de las tecnologiacuteas CSP (maacutes de 100
antildeos de experiencia en operacioacuten) (GESIME 2014)
Las primeras centrales con colectores cilindro-paraboacutelicos operan comercialmente en
California desde 1985 En este periodo de tiempo han generado maacutes de doce mil
millones de kilowatts hora de electricidad lo que es suficiente para suministrar
electricidad a aproximadamente doce millones de personas durante un antildeo Al igual
que en centrales teacutermicas con combustibles convencionales y tambieacuten en centrales
nucleares la corriente se genera en las centrales solares teacutermicas con una turbina a
vapor y un generador acoplado (Martiacuten 2017)
El Sistema de Generacioacuten de Energiacutea solar (en ingleacutes Solar Energy Generating
System SEGS) es un conjunto de nueve plantas con una capacidad total de 350 MW
Actualmente es el sistema solar operacional maacutes grande (tanto del tipo termal o no)
La planta Nevada Solar One tiene una capacidad de 64 MW Estaacuten en construccioacuten
las plantas Andasol 1 y 2 en Espantildea cada planta tiene una capacidad de 50 MW sin
embargo estas plantas son de un disentildeo que tiene un sistema de almacenamiento
de calor que requiere un terreno con colectores solares mayor en relacioacuten al tamantildeo
del que deberiacutea tener para su generacioacuten El almacenamiento de calor permite una
mejor utilizacioacuten de las turbinas de vapor Con una operacioacuten diurna y parcialmente
nocturna la turbina de vapor de Andasol 1 con una capacidad de punta de 50 MW
produce maacutes energiacutea que Nevada Solar One con una capacidad de punta de 64 MW
debido al sistema de almacenamiento de calor y un terreno de colectores maacutes grande
que posee la planta de Andasol 1(httpwwwwikipediaorg 2017)
Existiacutea la propuesta de instalar 553 MW adicionales en el Mojave Solar Park
California (David 2007) pero este proyecto fue cancelado en el antildeo 2011 Tambieacuten
IBERDROLA (2013) puso en marcha en Egipto la central de Kuraymat de 150
megavatios (MW) de potencia Se trata de una instalacioacuten pionera en el mundo dado
que incorpora una tecnologiacutea que utiliza de forma combinada el gas y la energiacutea solar
lo que contribuye a disminuir las emisiones de CO2 y a mejorar el rendimiento global
de la planta Tambieacuten se generan 25 MW de vapor como aporte para una planta de
gas en Hassi Rmel Argelia (wwwsolarbuzzcom 2016)
El gobierno de India ha comenzado a desarrollar una iniciativa llamada Jawaharlal
Nehru National Solar Mission (tambieacuten conocida como la misioacuten solar nacional) para
resolver el problema de abastecimiento de energiacutea eleacutectrica
(httpwwwwikipediaorg 2017)
14
Figura 6 Esquema de un CCP Fuente Greenpeace
En la figura 6 se pueden ver los elementos principales del conjunto del colector de
forma maacutes detallada se definen del siguiente modo
El Reflector Ciliacutendrico Paraboacutelico su misioacuten es la de reflejar y concentrar sobre el
Receptor la radiacioacuten solar directa incidente sobre la superficie A grandes rasgos es
un espejo curvo que forma en una de sus dimensiones una paraacutebola de forma que
concentra sobre su liacutenea focal toda la radiacioacuten reflejada Entre los materiales usados
para la reflexioacuten encontramos plaacutesticos recubiertos con peliacuteculas de plata o aluminio
chapas metaacutelicas o el maacutes usado vidrios sobre los que se depositan una capa de
plata junto con un protector de base de cobre y pintura epoxi
El tubo de absorcioacuten o Receptor El tubo absorbedor consta de dos tubos
conceacutentricos separados por un espacio de vaciacuteo El tubo interior por el que circula
el fluido calo-portador es metaacutelico y el exterior es de cristal
El tubo interior es tratado con un recubrimiento metaacutelico selectivo que puede consistir
en una fina capa de cromo niacutequel cobalto o alguacuten otro acabado logrado por
Sputtering o Deposicioacuten Fiacutesica de Vapor (PVD por sus siglas en ingleacutes) Dicho
recubrimiento otorga al tubo sus propiedades uacutetiles para eacuteste uso elevada
absortividad a lo largo de todo el espectro solar y una baja emisividad en el espectro
infrarrojo lo cual se traduce en un elevado rendimiento teacutermico El tubo exterior de
vidrio cumple dos propoacutesitos de igual importancia el primero es proteger el
recubrimiento selectivo del tubo interior y minimizar las perdidas teacutermicas por
conveccioacuten Para aumentar el rendimiento oacuteptico del captador es comuacuten la utilizacioacuten
de un tratamiento antireflexivo en ambas caras del tubo de vidrio que logra mejorar
15
la transmisividad Para lograr mantener el vaciacuteo necesario entre los dos tubos se suele
soldar cada tubo el de vidrio y el de metal por separado a un fuelle metaacutelico que
soporta las diferentes dilataciones de cada material al variar la temperatura Con esto
se logra flexibilizar la unioacuten entre los dos tubos evitando grietas por las que pudiera
ingresar aire al vaciacuteo Otro mecanismo que se utiliza para mantener el vaciacuteo son los
llamados getters en ingleacutes que son colocados en el vaciacuteo debido a su propiedad de
reaccionar quiacutemicamente o por absorcioacuten con cualquier moleacutecula de gas que pudiera
penetrar al espacio confinado atrapaacutendolo y asiacute manteniendo el espacio libre de
cualquier elemento
Figura 7 Esquema del tubo de absorcioacuten o Receptor
El Sistema de Seguimiento Solar El seguimiento del Sol se hace con el objetivo
de aprovechar la mayor parte de horas posibles de luz de forma que la radiacioacuten
solar llegue lo maacutes perpendicularmente posible al colector y se mantengan en el foco
lineal continuamente Los CCPacutes pueden tener seguimiento a dos ejes o a un uacutenico
eje Normalmente el seguimiento se realiza a un eje pues mecaacutenicamente es maacutes
sencillo esto implica menos costos y menores peacuterdidas teacutermicas por no haber
tuberiacuteas pasivas La orientacioacuten puede ser Norte-Sur o Este-Oeste Los mecanismos
de accionamiento que mueven al colector pueden ser eleacutectricos (apropiado para
equipos pequentildeos) hidraacuteulicos (para lazos de colectores) y mecaacutenicos (reloj de
pesas) (Paredes 2012)
16
Figura 8 Esquema del seguimiento solar a un eje de un CCP Fuente Greenpeace
Cimentacioacuten y estructura metaacutelica La cimentacioacuten soporta los colectores y los fija
al suelo de forma que el conjunto estructural soporte las cargas para las que fue
disentildeado La misioacuten de la estructura metaacutelica del colector es la de dar rigidez al
conjunto de elementos que lo componen a la vez que hacer de interface con la
cimentacioacuten del propio colector (Hidalgo 2012)
La tecnologiacutea cilindro paraboacutelica es una tecnologiacutea limpia madura y con un extenso
historial que demuestra estar preparada para la instalacioacuten a gran escala Esta
tecnologiacutea lleva siendo instalada a nivel comercial desde los antildeos 80 con un
excepcional comportamiento Desde entonces ha experimentado importantes
mejoras a nivel de costes y rendimientos Actualmente hay maacutes de 1 GWe en
operacioacuten maacutes de 800 MWe en construccioacuten y maacutes de 2 GWe en promocioacuten a nivel
mundial Por lo que es esta la tecnologiacutea maacutes segura a aplicar
16 Orientacioacuten del colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Los captadores cilindro paraboacutelicos suelen estar instalados en los campos solares de
tal manera que sus ejes de rotacioacuten queden orientados bien Norte-Sur o bien Este-
Oeste Con la configuracioacuten Este-Oeste las variaciones estacionales suelen ser
pequentildeas permitiendo tener un aporte teacutermico maacutes estable durante el antildeo a costa
de perder parte de la energiacutea anual disponible Con la configuracioacuten Norte-Sur esa
energiacutea anual suministrada es optimizada al maacuteximo con el punto en contra de tener
variaciones estacionales mucho mayores que con la configuracioacuten Este-Oeste que
en ocasiones y dependiendo de la latitud y de las condiciones atmosfeacutericas del
emplazamiento pueden suponer relaciones de 3 a 1 entre verano e invierno En el
caso de la planta Termo solar acoplada al economizador de la caldera para la
produccioacuten de electricidad de la UEB umlGeorge Washingtonuml se ha realizado el disentildeo
atendiendo al criterio de maximizacioacuten del aporte energeacutetico anual por lo que la
configuracioacuten elegida es la Norte-Sur
17
17 Peacuterdidas en un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Cuando la radiacioacuten solar alcanza la superficie de un colector paraboacutelico se pierde
una cantidad importante de ella debido a diferentes factores El total de las peacuterdidas
se puede dividir en tres grupos
171 Peacuterdidas geomeacutetricas Provocan la disminucioacuten del aacuterea efectiva de captacioacuten
solar de los colectores En un CCP se dividen en peacuterdidas debidas a la posicioacuten
relativa de los colectores entre siacute los cuales se pueden dar sombra unos a otros y
las peacuterdidas inherentes a cada colector que son motivo del aacutengulo de incidencia el
cual provoca que en los extremos del colector haya una peacuterdida de superficie reflexiva
uacutetil La existencia del aacutengulo de incidencia tambieacuten afecta a los valores de la
reflectividad absortividad y transmisividad ya que estos paraacutemetros presentan su
valor maacuteximo cuando el aacutengulo de incidencia es 0deg (Hidalgo 2012)
172 Peacuterdidas oacutepticas Se deben a imperfecciones en los materiales que componen
el colector la superficie del concentrador no es un reflector perfecto ni el vidrio del
tubo absorbedor es completamente transparente ni el recubrimiento selectivo del
tubo metaacutelico es un absorbedor perfecto Los cuatro paraacutemetros que intervienen en
las peacuterdidas oacutepticas de un canal paraboacutelico son la reflectividad de los espejos
paraboacutelicos la absortancia del tubo metaacutelico la transmitancia de la cubierta de vidrio
y el factor de interceptacioacuten (Hidalgo 2012)
Reflectancia ρ no toda la energiacutea incidente es reflejada hacia el tubo
absorbedor
Absortancia α cantidad de radiacioacuten que absorbe la superficie selectiva del
tubo metaacutelico
Transmitancia 120591 de aquella radiacioacuten que intercepta el tubo de vidrio solo
una parte consigue atravesarlo
Factor de interceptacioacuten γ no toda la radiacioacuten reflejada por los espejos
acaba incidiendo sobre el tubo absorbedor Las causas son diversas imperfecciones
en los espejos un mal posicionamiento de los colectores etc
173 Peacuterdidas teacutermicas Principalmente se encuentran asociadas a dos elementos
del sistema el tubo absorbedor y las tuberiacuteas de fluido teacutermico Las perdidas
asociadas estaacuten formadas por perdidas por conduccioacuten por conveccioacuten y por
radiacioacuten de los diferentes medios que conforman el conjunto del tubo absorbedor
es decir por el tubo metaacutelico la cubierta de cristal y la atmosfera De manera que
la potencia teacutermica disipada en el colector equivale a la suma de las peacuterdidas teacutermicas
en el receptor y las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas por donde circula el fluido
teacutermico (HTF) (Hidalgo 2012)
18
Peacuterdidas teacutermicas en el aceite teacutermico (HTF)
Las peacuterdidas teacutermicas asociadas al tubo absorbedor (119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905) se deben a la
diferencia de temperaturas entre eacuteste y el ambiente pudiendo ser por conduccioacuten
por radiacioacuten y por conveccioacuten desde el tubo absorbedor al ambiente Aunque cada
una de estas peacuterdidas podriacutea calcularse aplicando las ecuaciones que rigen los
mecanismos de transferencia de calor antes mencionados en la praacutectica las
peacuterdidas teacutermicas globales en un colector se cuantifican mediante ecuaciones
experimentales (Hidalgo 2012)
18 Rendimiento de un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Como consecuencia de todas las peacuterdidas oacutepticas geomeacutetricas y teacutermicas que
existen en un CCP la energiacutea teacutermica uacutetil que da un CCP es menor que la que dariacutea
en condiciones ideales cuando no existieran dichas peacuterdidas
En un CCP se suelen definir tres rendimientos diferentes y un paraacutemetro
I) Rendimiento oacuteptico con un aacutengulo de incidencia de 0ordm (rendimiento oacuteptico pico)
Tiene en cuenta todas las peacuterdidas oacutepticas que tienen lugar en el colector con un
aacutengulo de incidencia de 0ordm Su valor viene dado por el producto de estos cuatro
factores reflectividad de los espejos transmisividad del tubo de vidrio factor de
interceptacioacuten (que tiene en cuenta la parte de radiacioacuten reflejada que por cualquier
causa no alcanza el absorbente) y absortividad de la superficie selectiva que recubre
el tubo metaacutelico absorbente
II) Rendimiento teacutermico Considera todas las peacuterdidas teacutermicas que tienen lugar en
el colector
III) Rendimiento global Considera todas las peacuterdidas tanto oacutepticas como
geomeacutetricas y teacutermicas que tienen lugar en el colector
IV) Modificador por aacutengulo de incidencia Considera todas las peacuterdidas oacutepticas y
geomeacutetricas que tienen lugar en el colector para un aacutengulo de incidencia ϕ ne 0ordmy que
no se tienen en cuenta en rendimiento oacuteptico (peacuterdidas geomeacutetricas de final de
colector bloqueo de la radiacioacuten concentrada por parte de los soportes del tubo
absorbente e influencia del aacutengulo de incidencia en la absortividad y transmisividad
del tubo absorbente y en la reflectividad de los espejos) (Paredes 2012)
19 Disentildeos hiacutebridos
En general las formas de concentracioacuten de la energiacutea solar se pueden dividir en
tecnologiacuteas lineales y de enfoque puntual Los canales paraboacutelicos y los colectores
lineales Fresnel pertenecen a las tecnologiacuteas de enfoque lineal mientras que las
tecnologiacuteas de enfoque de puntos principales son el receptor central (torre solar) y el
reflector paraboacutelico (disco) Desde el punto de la disponibilidad del mercado y el
estado actual de desarrollo para el presente estudio de caso se han elegido las
siguientes tres opciones de tecnologiacutea Lineal Fresnel (LF) Ciliacutendrico Paraboacutelico
19
(CCP) y Torre Central (STC) Para todas las opciones de CSP nombradas hay
diferentes configuraciones de tecnologiacuteas posibles cuyo rango se muestra en la tabla
1 (E Burin 2016)
Tabla 1 Rangos para las 3 tecnologiacuteas posibles
Unidad LF CCP STC
Fluido teacutermico
(HTF)
- Aceite teacutermico
Agua
Sal
Aceite teacutermico
Agua
sal
Agua
Sal
Aire
Concentracioacuten - 25-100 70-80 300-1000
Rango de
temperatura
oC 380-600(ST) 380-600(ST) 565(ST)
Performance MWel 10-200 10-200 10-150
Capacidad de
corriente instalada
1 88 11
Proporcioacuten de las
obras (2012)
6 75 18
(ST) Steam Turbine
Fuente(Reuszlig 2012 Pitz-Paal 2013 REN 2013)
Debido a la diferente etapa de desarrollo teacutecnico de las tres tecnologiacuteas de CSP y
sus HTF para el estudio de caso se examinaron las siguientes combinaciones CCP
(aceite teacutermico) LF (agua vapor) y STC (agua vapor)
En cuanto a los disentildeos de integracioacuten de las tres tecnologiacuteas de CSP elegidas
desde el punto de vista termodinaacutemico es esforzarse por alcanzar un nivel de
temperatura lo maacutes alto posible para el calor solar agregado Por esa razoacuten el calor
solar agregado se usoacute aquiacute para proporcionar calor para el precalentamiento del agua
de alimentacioacuten a alta presioacuten asiacute como para la produccioacuten paralela de vapor
saturado y vapor vivo en paralelo con los generadores de vapor de bagazo Los
diagramas de flujo de proceso de los tres disentildeos de integracioacuten se muestran en la
siguiente figura
20
Figura 9 Diagramas de flujo de proceso de los tres disentildeos de integracioacuten posibles
En el disentildeo 1 el calor solar reemplaza completamente la extraccioacuten a alta presioacuten
de la turbina CEST Para este propoacutesito el campo solar proporciona en el punto de
disentildeo un rendimiento teacutermico equivalente a la demanda de calor requerida para el
calentador de agua de alimentacioacuten de alta presioacuten Debido al modo de operacioacuten de
ahorro de combustible este reemplazo y la cantidad reducida de bagazo quemado
afecta el rendimiento de la turbina CEST asiacute como la liacutenea de calentamiento del agua
de alimentacioacuten Debido a que no se realiza la extraccioacuten de vapor de alta presioacuten en
el tiempo en que el campo este trabajando se seleccionoacute las tecnologiacuteas CCP y LF
Cabe sentildealar que no es posible una operacioacuten de solo solar
El disentildeo de integracioacuten 2 permite una produccioacuten paralela de vapor saturado con
calor solar para reducir el consumo de bagazo Por lo tanto parte del flujo de masa
de agua de alimentacioacuten principal que va a los generadores de vapor se desviacutea Este
flujo maacutesico secundario pasa en el caso de CCP a traveacutes de un generador de vapor
solar tiacutepico mientras que en el caso de la LF se alimenta directamente al campo
solar En ambos casos se produce vapor saturado a 67 bar que luego se une al flujo
de masa principal dentro de los generadores de vapor para el sobrecalentamiento
En consecuencia el disentildeo de integracioacuten 2 solo afecta el rendimiento de los
21
generadores de vapor mientras que las condiciones de vapor vivo permanecen
iguales Al mantener el estudio de caso cerca de la viabilidad teacutecnica deben
respetarse las condiciones teacutecnicas de contorno de los generadores de vapor Con
el fin de evitar fuertes desequilibrios en estos componentes se asumioacute que se permite
reducir la carga del generador de vapor a un nivel miacutenimo del 85 Del mismo modo
este disentildeo no permite una operacioacuten solo solar
En el disentildeo de integracioacuten 3 el calor solar desplaza al generador de vapor de
carga teacutermica Una parte del agua de alimentacioacuten se deriva de los generadores de
vapor A medida que pasa a traveacutes del sistema de torre solar se produce vapor
sobrecalentado a 520 deg C y 67 bar Esta integracioacuten afecta solo el rendimiento teacutermico
de los generadores de vapor mientras que el ciclo agua vapor se opera en modo
normal En comparacioacuten con el disentildeo de integracioacuten 2 la operacioacuten de los
generadores de vapor se simplifica Eso significa que los generadores de vapor
funcionan aquiacute con una carga parcial normal de 100 a 65 de carga Con respecto
a eso al permitir una carga miacutenima del generador de vapor del 65 en el punto de
disentildeo solar la torre solar fue disentildeada para proporcionar todo el calor restante
necesario Cabe sentildealar que para el disentildeo de integracioacuten 3 es posible una
operacioacuten solo solar cuando la instalacioacuten de cantildea de azuacutecar estaacute fuera de servicio
Tabla 2 Muacuteltiplo solar simulado seguacuten la tecnologiacutea de CSP
Disentildeo Tecnologiacutea Muacuteltiplo solar
simulado
Disentildeo 1 CCP
LF
09 - 14
08 - 14
Disentildeo 2 CCP
LF
09 - 13
08 - 14
Disentildeo 3 STC 08 - 40
Seleccioacuten del Disentildeo y la tecnologiacutea
Luego del anaacutelisis acerca del disentildeo y la tecnologiacutea a emplear en este proyecto se
decidioacute elegir la tecnologiacutea de colectores ciliacutendricos paraboacutelicos (CCP) y el disentildeo
nuacutemero 1 Los colectores de canal paraboacutelico son los maacutes empleados en el mundo
actualmente y lleva siendo instalada a nivel comercial desde los antildeos 80 con un
excepcional comportamiento Desde entonces ha experimentado importantes
mejoras a nivel de costes y rendimientos Hoy diacutea hay maacutes de 1 GWe en operacioacuten
maacutes de 800 MWe en construccioacuten y maacutes de 2 GWe en promocioacuten a nivel mundial
22
Para las condiciones de nuestro paiacutes esta tecnologiacutea pudiera ser la maacutes factible y
segura tambieacuten contamos en Cuba con industrias que poseen capacidad
maquinaria y herramientas para llegar a construir gran parte del equipo como las
bases y estructuras metaacutelicas teniendo que importarse solamente el tubo
absolvedor Reduciendo esto los costos en gran medida ejemplo de esto es la faacutebrica
de antena de Santa Clara que ya han construido maquetas de un equipo de esta
tecnologiacutea y se encuentran en condiciones de comenzar una produccioacuten a mayor
escala
110 Influencia de la industria azucarera en Cuba
La escasez de recursos energeacuteticos primarios junto con la afectacioacuten ambiental
resultante de la utilizacioacuten irracional de la energiacutea asociada a la actividad humana
obliga a la buacutesqueda de fuentes alternativas en especial fuentes renovables de
energiacutea La biomasa ha sido fuente de energiacutea desde tiempos inmemoriales fue de
hecho el primer combustible que empleoacute el hombre pero no obstante sus milenios
de utilizacioacuten la biomasa continuacutea ocupando un lugar importante en la matriz
energeacutetica a nivel mundial y continuaraacute sieacutendolo La biomasa es un combustible
renovable se encuentra ampliamente distribuida a nivel mundial y resulta en muchas
ocasiones un subproducto de ciertos procesos productivos (agriacutecolas e industriales)
En Cuba existen diferentes tipos de biomasa con posibilidades econoacutemicas de
empleo entre las maacutes importantes estaacuten el bagazo y los residuos agriacutecolas de la
cantildea de azuacutecar la lentildea y el raleo de los bosques el marabuacute la cascara de arroz y
los residuos del cafeacute En la proyeccioacuten estrateacutegica de la generacioacuten de electricidad en
Cuba para el 2030 se considera que las fuentes renovables de energiacutea alcanzaran
el 24 del total (en la actualidad representan el 43 ) y la biomasa representaraacute el
14 del total por lo que ella representaraacute el 58 de la electricidad obtenida con
fuentes renovables Este proceso de generacioacuten de electricidad con biomasa se
centraraacute casi totalmente en la industria azucarera lo que conlleva a un problema
fundamental que consiste en que la zafra se realiza en tan solo 5 meses
aproximadamente y se necesita que la generacioacuten sea durante todo el antildeo En la
actualidad existen tecnologiacuteas disponibles y posibilidades para su empleo que
permiten valorar diferentes alternativas para incrementar sustantivamente el
potencial de generacioacuten eleacutectrica de los centrales azucareros como son las
bioeleacutectricas las cuales se plantea la instalacioacuten de alrededor de 25 en toda Cuba lo
que requiere de un suministro adicional de combustible para el resto del antildeo en que
no hay zafra Para esto planteamos en este trabajo la hibridacioacuten con un campo termo
solar que permita el ahorro de combustible y su posterior uso en los meses en que
no hay zafra
En nuestro paiacutes se sigue una poliacutetica de desarrollo sostenible y se ha comenzado
una serie de proyectos en la industria azucarera buscando modificaciones que
permitan un aumento en la energiacutea generada por toneladas de cantildea molida Para
23
esto se valoran aspectos como la variacioacuten de los paraacutemetros de explotacioacuten (presioacuten
y temperatura) de las plantas generadoras y las que consumen vapor mejorar el
secado del bagazo que se quema en las calderas hibridar los generadores de vapor
con energiacutea solar y aumentar la entrega al SEN haciendo un uso eficiente de la
electricidad que se consume asiacute como evitar las paradas imprevistas
Las Bioeleacutectricas suscitan hoy creciente intereacutes en el mundo y en Cuba ante la
necesidad de produccioacuten de energiacutea compatible con el medio ambiente Actualmente
una decena de naciones son paradigmas en el uso de esas instalaciones Isla
Reunioacuten India Isla Mauricio Australia Isla Guadalupe Belice Guatemala Estados
Unidos Costa Rica China y particularmente Brasil que posee 160 de 188 existentes
en el orbe Globalmente estas unidades tienen un potencia instalada de maacutes 2800
megavatios y de esa cifra al menos dos mil corresponden a Brasil secundado en
cuanto a cantidad de Bioeleacutectricas por India (14) Isla Mauricio (3) Isla Reunioacuten (2)
mientras que los restantes paiacuteses mencionados poseen una individualmente
(Salomoacuten 2016)
111 Propuesta para la hibridacioacuten de la bioeleacutectrica con energiacutea renovable
En el paiacutes se lucha hoy por un acercamiento hacia las tecnologiacuteas de energiacutea
renovables Con el propoacutesito de convertir todos los sistemas de generacioacuten de
energiacutea eleacutectrica en sistemas maacutes compatibles con el medio ambiente La hibridacioacuten
de la caldera del central George Washington consiste en disentildear un campo de
Colectores Ciliacutendricos Paraboacutelicos prototipo (EUROTrough-150) Con el fin de elevar
la temperatura del agua proveniente del proceso hasta los 260 oC e inyectarla al
economizador de la caldera para ahorrar bagazo que pudiera ser utilizado en los
restantes meses del antildeo cuando no hay zafra para la produccioacuten de energiacutea eleacutectrica
y su entrega al sistema energeacutetico nacional En el siguiente esquema se muestra la
propuesta planteada para la hibridacioacuten
24
Figura 10 Esquema de la hibridacion con colectores solares
25
Seguacuten un documento sobre eficiencia energeacutetica emitido por el Instituto Cubano de
Investigaciones Azucareras (ICINAZ) a todos los centrales del paiacutes se hace relacioacuten
en cuanto a la temperatura del agua de alimentacioacuten de la caldera y cuanto incide
esto en la eficiencia de dicha caldera Quedando que por cada 5 ordmC que se
incrementa la temperatura del agua de alimentacioacuten se incrementa 1 la eficiencia
de la caldera Siendo esto una justificacioacuten razonable para la propuesta planteada
que eleva la temperatura del agua de alimentacioacuten de 166 ordmC a 260 ordmC Alterando
la temperatura unos 94 ordmC influyendo esto en el aumento de la eficiencia en 18
puntos porcentuales
Conclusiones parciales
En este capiacutetulo se realizoacute una amplia revisioacuten bibliograacutefica que abordoacute el estado
del arte y avances tecnoloacutegicos maacutes importantes para los temas relacionados con
esta investigacioacuten que fueron el de energiacutea solar teacutermica y todo lo relacionado con
las bioeleacutectricas a nivel mundial y en nuestro paiacutes Tambieacuten se realizoacute un anaacutelisis
exhaustivo para la determinacioacuten de la tecnologiacutea de sistemas de concentracioacuten
solar lo que resulto que el sistema de Colectores Ciliacutendricos Paraboacutelicos prototipo
EUROTrough-150 es el maacutes factible para su instalacioacuten en Cuba y posteriormente
pudiera ser fabricado por industrias nacionales El disentildeo de incorporacioacuten del
campo al esquema termodinaacutemico de la bioeleacutectrica resulto ser maacutes factible y de
menores transformaciones tecnoloacutegicas en la estructura del central el de
incorporarlo antes de la caldera y que este inyecte el agua calentada directamente
al economizador realizando el salto teacutermico del agua en un intercambiador de calor
existente en la interseccioacuten del campo con la tuberiacutea del agua proveniente de las
bombas
26
Capiacutetulo 2 Materiales y Meacutetodos En este capiacutetulo se describen los programas y foacutermulas utilizadas para el caacutelculo de los objetivos planteados
La presente investigacioacuten se realizoacute desde enero hasta mayo del 2018 Para la realizacioacuten de los caacutelculos se utilizaron los softwares Engineering Equation Solver (EES) (2004) Matlab (2010) y Excel (2016)
Tabla 3 Condiciones de frontera para la bioeleacutectrica
21 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB uml George Washington uml
En este apartado se realizaraacute la evaluacioacuten del recurso solar disponible en el emplazamiento analizado El estudio del potencial solar en el emplazamiento consiste en el anaacutelisis de los datos de radiacioacuten disponibles el tratamiento de los mismos la estimacioacuten de las variabilidades asociadas y el caacutelculo de la produccioacuten una vez consideradas todas las peacuterdidas A la hora de evaluar el recurso solar y a falta de una medida precisa y especiacutefica en el propio emplazamiento se ha recurrido a diversas fuentes para la obtencioacuten de datos de radiacioacuten con el fin de realizar un ajuste estadiacutestico de los mismos y minimizar los errores asociados a ellos
Para el caacutelculo del potencial solar en la zona del central umlGeorge Washingtonuml fue necesario calcular la radiacioacuten solar directa (DNI) que incide en ese lugar y la duracioacuten diurna del diacutea
211 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa
Para el caacutelculo de la radiacioacuten solar directa en la zona de la UEB uml George Washington uml se tomaron como coordenadas de referencia la latitud y la longitud Lat 22587 Long -80244
Para ello se utilizaron modelos estadiacutesticos que permitieron obtener varios valores de radiacioacuten solar directa (DNI) teniendo en cuenta la posicioacuten geograacutefica del lugar y el diacutea del antildeo que se analiza dicha radiacioacuten En este caso se usoacute la foacutermula para condiciones normales
DNI = 1230 ∙ e^ (minus1
38∙cos∙(120579120579120579minus16)) (1)
27
Doacutende
Aacutengulo de incidencia solar θs El valor del aacutengulo de incidencia (θs) sobre la normal a una superficie plana estaacute dado por la siguiente foacutermulaθs
120579119904 = cosminus1(sin 119889 ∙ sin 119871 ∙ cos 119904 minus sin 119889 ∙ cos 119871 ∙ sin 119904 ∙ cos 119892 + cos 119889 cos 119871 ∙ cos 119904 ∙ cos 119908 +cos 119889 ∙ sin 119871 ∙ sin 119904 ∙ cos 119908 ∙ cos 119892 + cos 119892 ∙ sin 119904 ∙ sin 119892 ∙ sin 119908) (2)
Doacutende
d- Aacutengulo de declinacioacuten L- Latitud geograacutefica s- Inclinacioacuten del colector g- Orientacioacuten del colector w- Aacutengulo horario
212 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea (nuacutemero de horas en que el sol estaacute
sobre el horizonte)
119915 = 120784 ∙119934119930
120783120787 (3)
Doacutende
119830119826 = 119836119848119852minus120783(minus 119853119834119847 119923 ∙ 119853119834119847 119941) (4)
L-Latitud geograacutefica
d-Declinacioacuten
Se compararon los resultados de DNI por la metodologiacutea utilizada en este trabajo con la base de datos de la NASA (httpeosweblarcnasagovsse 2017)
Aun asiacute los lugares para desarrollar aplicaciones de energiacutea solar teacutermica por concentracioacuten deben cumplir con unos estaacutendares de acuerdo a la radiacioacuten solar perpendicular a la superficie incidente sobre un metro cuadrado para que sea eficiente dicha instalacioacuten lo cual se valora de la siguiente manera
Se tuvieron en cuenta los valores de radiacioacuten solar directa (kWm2diacutea) (GESIME 2014)
No idoacuteneos Hasta 1700 kWhmsup2antildeo (47 kWhmsup2diacutea)
Idoacuteneos Entre 1700 y 2700 kWhmsup2antildeo (47 y 74 kWhmsup2diacutea)
Oacuteptimos Maacutes de 2700 kWhmsup2antildeo (74 kWhmsup2diacutea)
28
213 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
El colector ciliacutendrico paraboacutelico que se propuso fue el (Eurotrough-150) cuyas caracteriacutesticas se observaran en la tabla4 y figura 11
Tabla 4 Caracteriacutesticas del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico Eurotrough-150 (ET-150)
Figura 11 Prototipo EUROTrough en la Plataforma Solar de Almeriacutea Espantildea
Para el caacutelculo del rendimiento global de un Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico hay que realizar un balance energeacutetico teniendo en cuenta las peacuterdidas que suceden en el mismo
Caracteriacutesticas um
Ancho de apertura 577 m
Longitud total de cada colector 150 m
Aacuterea de apertura del colector 8175 m2
Longitud focal 171 m
Longitud del absorbedor 41 m
Radio exterior del absorbedor 0035 m
Radio interior del absorbedor 00325 m
Distancia entre filas de colectores 17 m
Rendimiento Oacuteptico pico 78
Factor de ensuciamiento 95
Disponibilidad 97
29
214 Peacuterdidas geomeacutetricas
La geometriacutea del canal paraboacutelico lleva asociada una disminucioacuten del aacuterea efectiva de captacioacuten Estas peacuterdidas se dividen en dos grupos Peacuterdidas debidas a la posicioacuten relativa de los colectores los cuales se pueden dar sombra unos a otros Peacuterdidas inherentes a cada colector son las debidas al aacutengulo de incidencia de
la radiacioacuten solar (g) respecto a la normal del plano de apertura del colector (figura
12)
Figura 12 Aacutengulo de incidencia en un Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
Como consecuencia de este aacutengulo existe una peacuterdida de superficie reflexiva uacutetil en los extremos del colector Por tanto el aacutengulo de incidencia tiene gran importancia sobre el comportamiento teacutermico del colector puesto que limita la cantidad de radiacioacuten solar que se puede aprovechar Se hizo una comparacioacuten del aacutengulo de incidencia en cuanto a la orientacioacuten y el seguimiento solar del colector ciliacutendrico paraboacutelico
Si la orientacioacuten (g) es de Norte-Sur con seguimiento solar Este-Oeste g = 0ordm
Si la orientacioacuten (g) es de Este-Oeste con seguimiento solar Norte-Sur g = 90ordm
Declinacioacuten seguacuten foacutermula de Cooper (Ribot J 2001)
119889 = 2345 ∙ 119904119890119899 [360 ∙(284+119899)
365] (5)
Siendo ldquonrdquo el nuacutemero de diacutea natural para el 1 de enero n=1 y para el 31 de diciembre
n=365
El aacutengulo horario se calcula seguacuten la foacutermula
30
120591 = 15deg ∙ (ℎ119904 minus 12) (6)
Siendo ldquohsrdquo las horas de reloj El valor es negativo por la mantildeana y positivo tras el mediodiacutea y cero al mediodiacutea solar
Se consideroacute el aacutengulo horario 0ordm por ser el mediodiacutea solar donde maacutes radiacioacuten incide sobre la tierra con el objetivo de simplificar los caacutelculos
Se consideroacute el aacutengulo de inclinacioacuten igual a 0ordm (disposicioacuten horizontal) por ser maacutes eficiente
La latitud del lugar en estudio (UEB uml George Washington uml) Santo Domingo es de 22587ordm
Las peacuterdidas asociadas al aacutengulo de incidencia son miacutenimas cuando el aacutengulo es
0ordm cos 120579119904 = 1 y maacuteximas cuando es 90ordm Por tanto cuanto menor sea el aacutengulo de incidencia mayor es la energiacutea solar incidente sobre el colector y mayor es el rendimiento del mismo
215 Peacuterdidas oacutepticas
Caacutelculo del rendimiento oacuteptico pico del colector 120578119900119901119905119874119900 que es aquel que tiene en
cuenta todas las peacuterdidas oacutepticas que tienen lugar en el captador con un aacutengulo de incidencia de 0ordm 120578119900119901119905119874119900 = 120588 ∙ 120574 ∙ 120591 ∙ 120572 (7)
Donde
120588 Reflectancia no toda la energiacutea incidente es reflejada hacia el tubo absorbedor
120574 Factor de interceptacioacuten no toda la radiacioacuten reflejada por los espejos acaba incidiendo sobre el tubo absorbedor Las causas son diversas imperfecciones en los espejos un mal posicionamiento de los colectores etc
120591 Transmitancia de aquella radiacioacuten que intercepta el tubo de vidrio solo una parte consigue atravesarlo
α Absortancia cantidad de radiacioacuten que absorbe la superficie selectiva del tubo metaacutelico
Ademaacutes de las peacuterdidas debidas al aacutengulo de incidencia existen otras peacuterdidas que se asocian a dicho aacutengulo El efecto del aacutengulo de incidencia en el rendimiento del CCP se cuantifica mediante el modificador por aacutengulo de incidencia 119870(120579119904) Eacuteste considera todas las peacuterdidas oacutepticas y geomeacutetricas que tienen lugar en el captador
para un aacutengulo de incidencia 120579119904 ne 0ordm y que no se tienen en cuenta en el rendimiento oacuteptico pico
31
El modificador por el aacutengulo de incidencia depende directamente del aacutengulo de
incidencia siendo 119870(120579119904) = 1 para 120579119904 = 0deg y siendo 119870(120579119904) =0 para 120579119904 = 90deg y se
obtiene como funcioacuten de eacuteste seguacuten la expresioacuten
119870(120579119904) = 1 minus 223073 ∙ 10minus4 ∙ (120579119904) minus 11 ∙ 10minus4 ∙ (1205791199042) + 318596 ∙ 10minus6 ∙ (120579119904
3) minus 485509 ∙
10minus9 ∙ (1205791199044) (8)
216 Peacuterdidas teacutermicas
Las peacuterdidas teacutermicas que tiene lugar en un CCP dan como consecuencia que la energiacutea teacutermica uacutetil sea menor que la energiacutea solar absorbida por el colector Teniendo en cuenta esto la potencia teacutermica uacutetil por colector seraacute igual la diferencia entre los calores absorbido y perdido
119906119905119894119897 = 119886119887119904 minus 119901119890119903119889 (9)
Doacutende
119906119905119894119897 ∶ 119875119900119905119890119899119888119894119886 119905eacute119903119898119894119888119886 uacute119905119894119897 119901119900119903 119888119900119897119890119888119905119900119903 (119882)
119886119887119904 119862119886119897119900119903 119886119887119904119900119903119887119894119889119900 119901119900119903 119890119897 119891119897119906119894119889119900 119889119890 119905119903119886119899119904119891119890119903119890119899119888119894119886 119889119890 119888119886119897119900119903 (119867119879119865) (119882)
119901119890119903119889 119875eacute119903119889119894119889119886119904 119905eacute119903119898119894119888119886119904 119889119890119897 119867119879119865 119886119897 119886119898119887119894119890119899119905119890 (119882)
Peacuterdidas teacutermicas en el aceite teacutermico (HTF) Las peacuterdidas teacutermicas se producen a lo largo del circuito por donde se mueve el fluido teacutermico principalmente en dos lugares en el tubo absorbedor y en las tuberiacuteas del campo de colectores De manera que la potencia teacutermica disipada en el colector equivale a la suma de las peacuterdidas teacutermicas en el receptor y las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas por donde circula el fluido teacutermico (HTF)
119876119901119890119903119889 = 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 + 119875119890119903119889119905119906119887119890119903 (10)
Las peacuterdidas teacutermicas asociadas al tubo absorbedor 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 se deben a la diferencia de temperaturas entre eacuteste y el ambiente pudiendo ser por conduccioacuten por radiacioacuten y por conveccioacuten desde el tubo absobedor al ambiente Aunque cada una de estas peacuterdidas podriacutea calcularse aplicando las ecuaciones que rigen los mecanismos de transferencia de calor antes mencionados en la praacutectica las peacuterdidas teacutermicas globales en un colector se cuantifican mediante ecuaciones experimentales Asiacute las peacuterdidas teacutermicas en el tubo absorbedor por metro longitudinal de colector vienen dadas por la ecuacioacuten
119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 =1198751198901199031198891+1198751198901199031198892+1198751198901199031198893+1198751198901199031198894
119879119904minus119879119890 (11)
32
Doacutende
1198751198901199031198891 = (1198600 + 1198605 ∙ radic119907) ∙ (119879119904 minus 119879119890) (12)
1198751198901199031198892 = (1198601 + 1198606 ∙ radic119907) ∙ (119879119904
2minus1198791198902
2minus 119879119886119898119887 ∙ (119879119904 minus 119879119890)) (13)
1198751198901199031198893 = (1198602+1198604∙119863119873119868∙119870(120579119904)∙cos(120579119904)
3∙ (119879119904
3 minus 1198791198903)) (14)
1198751198901199031198894 =1198603
4∙ (119879119904
4 minus 1198791198904) (15)
Siendo
119879119904 Temperatura del HTF a la salida del campo solar
119879119890 Temperaturas del HTF a la entrada del campo solar
119879119886119898119887 Temperatura ambiente
119907 Velocidad del viento (ms)
Los coeficientes empleados en las foacutermulas se recogen en la tabla 5
Tabla 5 Coeficientes de peacuterdidas teacutermicas
A0 405
A1 0247
A2 -000146
A3 565E-06
A4 762E-08
A5 -17
A6 00125
En general las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas (119875119890119903119889119905119906119887119890119903 ) del campo de colectores son pequentildeas del orden de 8 Wm2 Finalmente la potencia teacutermica disipada por el aceite teacutermico a su paso por un colector es
33
119901119890119903119889 = 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 ∙ 119871119888119900119897119890119888119905119900119903 + 119875119890119903119889119905119906119887119890119903 ∙ 119878119888 (16)
Doacutende
119878119888 Aacuterea de apertura del colector (Ver tabla 1)
Un colector como todos los sistemas de concentracioacuten de la energiacutea solar solo puede aprovechar la radiacioacuten solar que incide normal a su plano de apertura De esta forma la energiacutea solar por unidad de tiempo y en el punto de disentildeo que incide sobre la superficie de apertura de un CCP viene dada por la ecuacioacuten
119904119900119897 = 119863119873119868 ∙ cos(120579119904) ∙ 119878119888 (17)
La potencia absorbida por el colector 119886119887119904 va a ser menor que la 119904119900119897 ya que eacutesta uacuteltima no tiene en cuenta las peacuterdidas oacutepticas y geomeacutetricas en el colector ni la limpieza de los espejos ni la disponibilidad del campo solar La radiacioacuten solar absorbida en un colector CCP viene dada por la ecuacioacuten
119886119887119904 = 119863119873119868 ∙ cos(120579119904) ∙ 119878119888 ∙ 119870 ∙ (120579119904) ∙ Ƞ1199001199011199050ordm ∙ 119865119888 ∙ 119865119889119894119904119901 (18)
Siendo
119865119888 Factor de ensuciamiento de los espejos (95 )Tiene en cuenta que aunque los espejos se limpien no recuperan su estado inicial 119865119889119894119904119901 Factor de disponibilidad (97 ) Fraccioacuten del campo solar que estaacute en
operacioacuten y captando la energiacutea solar El rendimiento global de un CCP viene dado por el cociente entre el aumento de entalpia en el HTF a su paso por el colector y la energiacutea solar incidente sobre el captador
Ƞ119888119900119897119890119888 =119876119906119905119894119897
119876119904119900119897 (19)
22 Dimensionamiento del campo solar de la zona de la UEB uml George
Washington uml
El dimensionamiento del campo solar consiste en determinar el nuacutemero de CCPs (o nuacutemero de lazos) necesarios para aportar la energiacutea que demanda este en el punto de disentildeo (Hidalgo 2012)
Para dimensionar el campo solar es necesario evaluar las condiciones del terreno
donde se va a realizar el montaje de los colectores y hacer un balance energeacutetico
del generador de vapor solar
34
221 Caracterizacioacuten del terrero
Se tuvo en cuenta el relieve y el tamantildeo del terreno cercano al central lo que resulto favorable para abaratar la inversioacuten en cuanto a movimientos de tierra y compra de terrenos Los recursos hiacutedricos ya tienen una infraestructura creada puesto que son necesarios para el proceso que realiza la faacutebrica actualmente Esto se basa en posos que bombean el agua hasta los filtros donde se realiza el tratamiento externo al agua y van luego al proceso todo este sistema ya se encuentra instalado y en buenas condiciones lo que resulta de gran ayuda para el proyecto futuro de Bioeleacutectrica
222 Balance energeacutetico en el generador de vapor solar (GVS)
Para calcular el nuacutemero de lazos necesarios en el campo solar es preciso conocer primero la potencia teacutermica que puede aportar el campo solar en el punto de disentildeo esto se determina mediante la foacutermula
119888119886119898119901119900 =119882119890119897119890119888119905
120578119905119906119903119887 (20)
Doacutende
119888119886119898119901119900 Potencia teacutermica del campo solar
119882119890119897119890119888119905 Potencia eleacutectrica de la turbina
120578119905119906119903119887 Eficiencia termo-mecaacutenica de la turbina (Se asumioacute de 68)
Seguidamente hay que establecer el balance de masas y energiacutea en el Generador de vapor solar (GVS) El GVS se disentildea para recuperar la energiacutea del fluido teacutermico procedente del campo solar Para el intercambiador de calor (GVS) se cumple que la cantidad de calor transferido por unidad de tiempo permanece constante o lo que es lo mismo la energiacutea total es la misma antes y despueacutes de cada transformacioacuten El balance energeacutetico en un intercambiador de calor se resuelve mediante la ecuacioacuten
119886119892119906119886 ∙ ∆119867119886119892119906119886 = 119886119888119890119894119905119890 ∙ ∆119867119886119888119890119894119905119890 (21)
Ademaacutes para cada fluido de forma individual se cumple que
= 119886119888119890119894119905119890 ∙ 119862119901119886119888119890119894119905119890∙ ∆119879 = 119898119886119888119890119894119905119890 ∙ (ℎ119904 minus ℎ119890) (22)
Doacutende
∆H Diferencia de entalpiacuteas a la entrada y a la salida del intercambiador (kJkg)
Q Potencia teacutermica intercambiada (kW)
35
m Caudal maacutesico (kgs) Cp Calor especiacutefico (kJkg ordmC)
∆T Diferencia de temperaturas a la entrada y la salida del intercambiador (ordmC) hs he Entalpiacuteas a la entrada y a la salida respectivamente (kJKg) Y seguacuten el teorema de conservacioacuten de la masa se tiene que
119890119899119905119903119886 = 119904119886119897119890
223 Caacutelculo del nuacutemero de lazos
Los caacutelculos que se han desarrollado en los acaacutepites anteriores constituyen los datos de partida para el caacutelculo del nuacutemero de colectores requeridos en el campo solar para poder alcanzar la potencia teacutermica demandada al campo solar
Caracteriacutesticas del aceite teacutermico (HTF)
El aceite teacutermico que se ha empleado como fluido calo-portador es Therminol VP-1 cuyo rango de temperatura de trabajo se encuentra entre 12-400ordmC La temperatura a la salida del campo solar no debe excederse de los 400ordmC ya que para temperaturas superiores el aceite se degrada y pierde sus propiedades teacutermicas A continuacioacuten se presentan las graacuteficas correspondientes a variacioacuten de densidad y entalpiacutea del aceite teacutermico Therminol VP-1 con la temperatura figuras 13 y 14 respectivamente y que han sido elaboradas a partir de datos del fabricante
Figura 13 Therminol VP-1 Entalpiacutea vs Temperatura
36
Figura 14 Therminol VP-1 Densidad vs Temperatura(Hidalgo 2012)
Para determinar el nuacutemero de lazos necesarios en el campo solar se ha seguido la siguiente metodologiacutea de caacutelculo
Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF
Incremento de temperatura del HTF en un colector
Nuacutemero de colectores necesarios por lazo Nuacutemero de lazos en el campo solar
224 Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF por cada lazo
El caudal de aceite estaacute controlado por la temperatura de salida del campo Cuando la radiacioacuten solar es baja el flujo se reduce con el objetivo de mantener la temperatura de salida del campo y por el contrario cuando la radiacioacuten solar es superior a la del punto de disentildeo los colectores se desenfocan para evitar que el aceite exceda los 393ordmC La velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor se calcula a partir de la expresioacuten del nuacutemero de Reynolds
119877119890 =119907∙119863∙120588
120583 (23)
Doacutende
119907 Velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor (ms) (Se asumioacute una
velocidad de 3 ms la cual es una velocidad econoacutemica)
119877119890 Nuacutemero de Reynolds (-)
120583 Viscosidad dinaacutemica del HTF a la temperatura media de trabajo (Pas)
119863 Diaacutemetro interior del tubo absorbedor (m)
120588 Densidad del HTF a la temperatura media de trabajo (kgm3)
37
Para cumplir con los requisitos de flujo turbulento el caudal miacutenimo de aceite que circula por un lazo en el punto de disentildeo es
= 119907 ∙ 119878 ∙ 120588 (24)
Siendo S en m2 la seccioacuten transversal interior del tubo absorbedor
225 Incremento de temperatura del HTF en un colector
La potencia teacutermica uacutetil del colector se invierte en aumentar la temperatura del aceite De esta forma el incremento de temperatura que sufre el aceite teacutermico a su paso por un colector es decir desde que entra en el colector y hasta que sale del mismo es
∆119879119888119900119897119890119888 = 119879119904 minus 119879119888 =uacute119905119894119897
∙119862119901 (25)
∆119879119888119900119897119890119888 Incremento de temperatura del aceite teacutermico en el colector (ordmC)
119879119888 119879119904 Temperatura del HTF a la entrada y a la salida del colector respectivamente
(ordmC)
119906119905119894119897 Potencia teacutermica uacutetil por colector (W)
Caudal maacutesico de aceite teacutermico por colector (kgs)
119862119901 Calor especiacutefico del aceite teacutermico a la temperatura media de trabajo (kJkg ordmC)
226 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
El incremento total de temperatura del HTF por lazo ΔT lazo es igual a la diferencia entre las temperaturas a la salida y a la entrada del campo solar Por tanto el nuacutemero teoacuterico de colectores en serie por lazo seraacute igual a
119873119888119900119897119890119888 =∆119879119897119886119911119900
∆119879119888119900119897119890119888 (26)
119873119888119900119897119890119888 Nuacutemero teoacuterico de colectores por lazo
∆119879119897119886119911119900 Incremento de temperatura por lazo (ordmC)
Esto implica el salto teacutermico y caudal maacutesico por lazo que es necesario tener el aceite para asiacute poder alcanzar la temperatura de entrada del agua en el economizador
227 Nuacutemero de lazos en el campo solar
A diferencia del nuacutemero de colectores que viene fijado por el salto de temperatura del aceite teacutermico en el campo el nuacutemero de lazos paralelos que conforman el campo solar depende de la potencia teacutermica demanda por el campo El nuacutemero de lazos es igual al cociente entre la potencia teacutermica del campo solar y la potencia teacutermica uacutetil por colector
38
119925119949119938119963119952 =119940119938119950119953119952
uacute119957119946119949 119935119949119938119963119952 (27)
Doacutende
119925119949119938119963119952 Nuacutemero de lazos
119940119938119950119953119952 Potencia teacutermica del campo solar (kW)
uacute119957119946119949 Potencia teacutermica uacutetil por lazo (kW)
23 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un
antildeo)
Para el caacutelculo de las toneladas de CO2 dejadas de emitir se utilizaraacute el iacutendice de
generacioacuten de una planta convencional de combustible foacutesil que para Cuba es de
270 gkWh Con este iacutendice y el aumento de la produccioacuten de energiacutea eleacutectrica con
la incorporacioacuten del campo solar se calcularaacute el ahorro de combustible foacutesil y a este
valor de combustible sustituido y el uso de los factores de emisioacuten de CO2 mostrados
en la siguiente (tabla 6) se podraacute determinar cuaacutentas toneladas de CO2 es capaz de
evitar la instalacioacuten del campo solar
Tabla 6 Factores de emisioacuten de especies especificadas
Tecnologiacutea CO (gkgf) SO2 (gkgf) NO2eq (gkgf) PM10
(gkgf)
CO2
(kgkgf)
CIE-HFO 24 27 128 528 306
CIE-DO 12 4 84 195 313
Fuente (EPA 2004)
24 Factibilidad econoacutemica del proyecto
Para el caacutelculo de la rentabilidad econoacutemica se optimizoacute la dimensioacuten del campo solar que fuera maacutes rentable para este trabajo donde se tuvo en cuenta el nuacutemero de lazos necesarios del campo y la tasa interna de retorno
241 Valor actual neto (VAN)
El VAN permite calcular el valor presente de un determinado nuacutemero de flujos de caja futuros originados por una inversioacuten teniendo en cuenta la peacuterdida de valor del dinero en el tiempo a traveacutes de una tasa de descuento (Martiacutenez 2017) y se calcula mediante la siguiente ecuacioacuten
39
(28)
Donde
119868119900 Costo inicial de la inversioacuten FC Flujo de caja n El tiempo para el cual se requiere calcular el VAN i La tasa de descuento Meacutetodo de caacutelculo mediante el Excel Para calcular el VAN es necesario conocer el flujo de caja teniendo en cuenta los ingresos y los gastos Ingresos El ingreso es debido a la venta de energiacutea eleacutectrica a la red para ello se utilizoacute un precio de 021 (USDkWh) Ingresos por ventas
119868119899119892119903119890119904119900=119875119903119890119888119894119900 (119880119878119863119896119882ℎ)lowast119864119899119890119903119892iacute119886 (29) Gastos Costo fijo de operacioacuten y mantenimiento Se calcula primero la inversioacuten total mediante la ecuacioacuten siguiente
119894119899119907119890119903119904119894oacute119899 119905119900119905119886119897=119862119900119904119905119900 119906119899119894119905119886119903119894119900 119889119890 119894119899119907119890119903119904119894oacuten (119880119878119863119896119882119890)lowast119875119900119905119890119899119888119894119886 (kWe) (30) Entonces se calcula el costo fijo de operacioacuten y mantenimiento
119862119891=119894119899119907119890119903119904119894oacute119899 119905119900119905119886119897lowast02 (31) Donde
119862119891 Costo fijo de operacioacuten y mantenimiento
Costo variable de operacioacuten y mantenimiento
119862119907=119864119899119903119892iacute119886 (119896119882ℎ)lowast002(119880119878119863119896119882ℎ) (32)
Donde
119862119907 Es el costo variable de operacioacuten y mantenimiento A continuacioacuten se calcula la utilidad antes de impuesto que es la diferencia entre los ingresos y los costos de operacioacuten fijo y variable 119880119879119860=119894119899119892119903119890119904119900minus(119862119891+119862119907) (33)
Donde
119880119879119860 Es la utilidad antes de impuesto o neta Entonces el impuesto en Cuba es del 35 de la utilidad neta
40
119868119898119901119906119890119904119905119900=035lowast(119880119878119863) (34)
El flujo de caja quedariacutea como
119865119888=119880119879119860 (119880119878119863)minus119868119898119901119906119890119904119905119900 (119880119878119863) (35)
Teniendo el flujo de caja se puede calcular el VAN aplicando la tasa de descuento
del 10
Si VAN gt 0 El proyecto es rentable
Si VAN = 0 El proyecto es postergado
Si VAN lt 0 El proyecto no es rentable
242 Tasa interna de retorno (TIR)
Se define como la tasa de descuento que iguala el VAN a cero
Si TIR gt tasa de descuento (r) El proyecto es aceptable
Si TIR = tasa de descuento (r) El proyecto es postergado
Si TIR lt tasa de descuento (r) El proyecto no es aceptable La TIR es aquella tasa de descuento que iguala el valor actual de la corriente de cobros con el valor actual de la corriente de pagos por lo que es la tasa de descuento que hace al VAN igual a cero y puede utilizarse como indicador de la rentabilidad de un proyecto se utiliza como uno de los criterios para decidir sobre la aceptacioacuten o rechazo de un proyecto de inversioacuten (Martiacutenez 2017) y se puede expresar de la siguiente forma
(36) Para simplificacioacuten de los caacutelculos se utilizoacute el software Microsoft Excel que de forma iterativa busca este valor se utilizoacute la estimacioacuten de los flujos de caja para 25 antildeos al igual que para el caacutelculo del VAN
243 Periacuteodo de recuperacioacuten de la inversioacuten
El periacuteodo de recuperacioacuten se cumple cuando la suma de los flujos de caja consecutivos desde el primer antildeo da como resultado el valor de la inversioacuten pero teniendo en cuenta el efecto del tiempo sobre el dinero Calculado de esta manera se conoce como periacuteodo de recuperacioacuten de la inversioacuten descontado Para obtenerlo se hallaron todos los flujos de caja para 25 antildeos consecutivos que es el tiempo de estudio del proyecto entonces se le restoacute el descuento correspondiente a cada antildeo y se graficoacute el resultado quedando como una curva
41
Conclusiones parciales
En este capiacutetulo se realizoacute un estudio de la metodologiacutea de caacutelculo para la
realizacioacuten del dimensionamiento del campo solar para la tecnologiacutea de colectores
cilindro paraboacutelico para esto se escogioacute la metodologiacutea planteada por (Hidalgo
2012) Siendo fundamental el estudio de la radiacioacuten solar de la zona en que estaacute
situada la instalacioacuten Tambieacuten se tuvo en cuenta el acceso a los recursos hiacutedricos
y la cercaniacutea a la red eleacutectrica nacional lo cual no tuvo ninguna dificultad puesto
que donde se pretende ubicar el campo ya existe una instalacioacuten con todas estas
necesidades cubiertas que es el central al cual se pretende convertir en
bioeleacutectrica Luego de estos anaacutelisis y una vez dimensionado el campo solar se
realizoacute el caacutelculo de la rentabilidad econoacutemica seguacuten lo planteado por (Martiacutenez
2017) planteaacutendose como principales indicadores econoacutemicos el costo nivelado de
la energiacutea generada costo de inversioacuten VAN y TIR El impacto ambiental se tuvo
en cuenta mediante el caacutelculo de las emisiones de CO2 dejadas de emitir si la
energiacutea generada con el excedente de bagazo ahorrado por la insercioacuten del campo
hubiera sido generada por una planta teacutermica convencional
42
Capiacutetulo 3 Resultados y Discusioacuten
En este capiacutetulo se exponen los resultados de los caacutelculos efectuados y a la vez se
interpreta el porqueacute de estos asiacute como la discusioacuten de las bibliografiacuteas consultadas
31 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB umlGeorge Washington uml
311 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa
Para el caacutelculo de la radiacioacuten solar directa (DNI) primeramente se halloacute el aacutengulo
de declinacioacuten de cada mes Dicho aacutengulo se anuloacute para el 22 de Marzo y el 23 de
Septiembre puesto que ocurren los equinoccios momento del antildeo en que el sol estaacute
situado en el plano del ecuador terrestre y alcanzoacute el valor maacuteximo positivo el 22 de
Junio y el valor maacuteximo negativo el 22 de diciembre diacuteas en que ocurren los
solsticios que son los momentos del antildeo en los que el sol alcanza su mayor o menor
altura aparente en el cielo y la duracioacuten del diacutea o de la noche son las maacuteximas del
antildeo respectivamente (figura 15)
Figura 15 Aacutengulo de declinacioacuten para los diferentes meses del antildeo
Los valores de DNI que inciden en la zona de la UEB umlGeorge Washingtonuml se
mantuvieron como promedio por encima de 10 kWhm2diacutea seguacuten la metodologiacutea
de caacutelculo empleada siendo oacuteptimos para la instalacioacuten de este tipo de tecnologiacutea
Esto pudiera ser debido a que por la metodologiacutea de caacutelculo solo se tuvo en cuenta
la latitud geograacutefica y el diacutea del antildeo en que se analizoacute dicha radiacioacuten por esta
razoacuten se observoacute que sus valores fueron mayores que los valores de radiacioacuten solar
-30
-20
-10
0
10
20
30
Gra
dos s
exagesim
ale
s
Aacutengulo de declinacioacuten
43
directa que aporta la base de datos de la NASA (httpeosweblarcnasagovsse
2017) como promedio 506 kWhm2diacutea y los aportados por el Instituto de
Meteorologiacutea cubano para esta zona (como promedio 582 kWhm2diacutea) idoacuteneo para
este tipo de tecnologiacutea de los datos de radiacioacuten analizados se utilizoacute para los
caacutelculos siguientes de dimensionamiento del campo los aportados por el instituto de
meteorologiacutea cubano por ser los maacutes especiacuteficos y detallados de todas las fuentes
consultadas Algunos meses como noviembre y diciembre no alcanzan el valor
idoacuteneo de 47 kWhm2-diacutea sin embargo (La Rosa 2014) planteoacute que Cuba se
localiza en una zona geograacutefica de alta radiacioacuten solar y que se caracteriza por la
gran cantidad de diacuteas soleados en el antildeo
Figura 16 Comparacioacuten entre el DNI calculado por la metodologiacutea el aportado por la NASA
y el obtenido por el Instituto de Meteorologiacutea cubano
En cada metro cuadrado del territorio cubano se recibe diariamente una cantidad de
energiacutea solar equivalente a medio kilogramo de petroacuteleo combustible valor
promedio praacutecticamente invariable durante todo el antildeo Otra de las caracteriacutesticas
de la radiacioacuten solar en Cuba es que su valor es casi igual en todo el paiacutes ya que
la diferencia en latitud desde el lugar maacutes bajo hasta el maacutes alto es de soacutelo 3 grados
Por lo tanto la radiacioacuten solar en Cuba es utilizable en todo el territorio y durante
todo el antildeo con un valor medio de maacutes de 5 kWhm2diacutea tanto en su forma de
bioenergiacutea o biomasa energiacutea hidraacuteulica energiacutea eoacutelica o directamente convertida
en calor o electricidad (Beacuterriz 2000)
0
2
4
6
8
10
12
14
DN
I (k
Whm
2-d
iacutea)
meses
Radiacioacuten solar
Calculado NASA Meteorologiacutea cubana
44
312 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea
Luego de haber calculado la semiduracioacuten diurna en grados sexagesimales (WS)
para cada diacutea del antildeo en la zona de la UEB umlGeorge Washingtonuml se calcularon las
horas de luz solar durante el diacutea lo cual se muestra promediado en la tabla 7 donde
se ve que esta es mayor que 10 horas asiacute como tambieacuten se observa que son maacutes
largos los diacuteas en los meses de verano (Abril-Agosto)
Tabla 7 promedio de horas de sol al diacutea por meses del antildeo
32 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
Se realizoacute el balance energeacutetico del CCP teniendo en cuenta las peacuterdidas que
sucedieron en el mismo debido a su fabricacioacuten y a su posicioacuten
321 Peacuterdidas geomeacutetricas
Peacuterdidas debidas a la posicioacuten relativa de los colectores
En este trabajo no se tuvo en cuenta las peacuterdidas por sombras ya que se asumioacute
que la construccioacuten de estos colectores iba a estar lo suficientemente separados
para que no se pudieran dar sombra unos a otros
Peacuterdidas inherentes a cada colector
Se comparoacute el aacutengulo de incidencia en cuanto a la orientacioacuten y el seguimiento solar
del colector ciliacutendrico paraboacutelico Se seleccionoacute la orientacioacuten N-S con seguimiento
solar E-O por lo que se seleccionoacute para el caacutelculo del resto de las variables (g = 0)
Para la inclinacioacuten del colector se tomoacute con eje horizontal (s = 0) Se consideroacute el
aacutengulo horario 0ordm por ser el mediodiacutea solar donde maacutes radiacioacuten incide sobre la
tierra con el objetivo de simplificar los caacutelculos
Con los datos calculados anteriormente se halloacute el aacutengulo de incidencia (figura 17)
En este caso se observa que a diferencia de la radiacioacuten solar directa el aacutengulo de
incidencia es menor para los meses de verano reafirmando que a menor aacutengulo de
incidencia mayor la radiacioacuten que va a captar el colector
enero febrero marzo abril mayo junio julio agosto septiembre octubre noviembre diciembre
108 112 119 125 131 134 132 127 121 114 109 106
45
Figura 17 Aacutengulo de incidencia por meses para una orientacioacuten N-S con seguimiento solar
E-O
322 Peacuterdidas oacutepticas
Las caracteriacutesticas oacutepticas del colector ET-150 se reflejaron en la tabla 8 y con estas
se calculoacute el rendimiento oacuteptico
Tabla 8 Caacutelculo del rendimiento oacuteptico
Rendimiento oacuteptico
ntilde Reflectividad superficie reflectora 090
ocirc Transmisividad del cristal absorbedor 095
aacute Absortividad del tubo del absorbedor 096
ɣ Factor de interceptacioacuten 095
Ƞopt0ordm= 078
Cuanto mayor es el valor del rendimiento oacuteptico mayor seraacute el rendimiento del
captador Asiacute cuanto mayor sea el valor de las variables que lo definen mejor seraacute
el rendimiento de los captadores (Rojas 2013)
Ademaacutes de las peacuterdidas debidas al aacutengulo de incidencia existen otras peacuterdidas que
se asocian a dicho aacutengulo El efecto del aacutengulo de incidencia en el rendimiento del
CCP se cuantifica mediante el modificador por aacutengulo de incidencia 119870(120579119904)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Gra
do
s se
xage
sim
ale
s
Aacutengulo de incidencia
46
323 Peacuterdidas teacutermicas
Se calculoacute la potencia teacutermica uacutetil la potencia teacutermica absorbida y la potencia
teacutermica perdida La energiacutea teacutermica uacutetil fue menor que la energiacutea teacutermica absorbida
Esto es debido a las peacuterdidas teacutermicas que se presentan en este tipo de tecnologiacutea
Durante los meses de verano existioacute un descenso de las diferentes potencias
calculadas a causa de las condiciones de nubosidad (lluvia) para esta eacutepoca del
antildeo (figura 18) Para los meses de invierno las potencias decrecieron debido a la
disminucioacuten de la radiacioacuten solar tiacutepico en esta eacutepoca del antildeo
Figura 18 Energiacutea solar por unidad de tiempo radiacioacuten solar absorbida en un colector
peacuterdidas teacutermicas y potencia teacutermica uacutetil para todos los meses del antildeo
Estas peacuterdidas teacutermicas influyeron negativamente en el rendimiento global del
colector CCP ET-150 que tuvo un valor aproximado al 70 Para los meses de
verano hubo un mayor rendimiento aunque este se vio afectado por la nubosidad
El funcionamiento teacutermico de cualquier captador solar estaacute determinado por el
llamado rendimiento global definido como la relacioacuten entre la potencia teacutermica que
es capaz de proporcionar o potencia teacutermica uacutetil y la potencia procedente del Sol
que se tome como referencia No toda la potencia solar puede ser absorbida por el
receptor Existen una serie de peacuterdidas de energiacutea debidas tanto a la geometriacutea y
oacuteptica del captador como a las propiedades de los materiales del propio receptor
que hay que tener en cuenta (Rojas 2013)
16
161
162
163
164
165
166
167
168
169
17
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Qp
er(
kW
h)
Qso
lu
til(
kW
h)
meses
Peacuterdidas teacutermicas
Qsol Qutil Qperd
47
33 Dimensionamiento del campo solar
331 Caracterizacioacuten del terrero
El terreno del central George Washington es llano desprovisto de grandes
obstaacuteculos que puedan crear dificultades en la construccioacuten del campo y crear
sombras que entorpezcan la radiacioacuten del sol en los espejos reflectores Estaacute
cercano a la carretera y consta con posos que facilita el acceso a los recursos
hiacutedricos en el emplazamiento Estaacute solucionado el problema de la conectividad a la
red eleacutectrica nacional puesto que el central ya contaba con esta infraestructura Por
lo tanto posee las condiciones idoacuteneas para la instalacioacuten de un campo solar
332 Balance energeacutetico en el intercambiador de calor
A partir de la temperatura que se quiere elevar el agua de alimentacioacuten de la caldera
(260 oC) y el flujo de esta (255 kgs) se determina una cantidad de energiacutea teacutermica
que debe suministrar el campo para suplir esta demanda Dicha energiacutea teacutermica se
logra a traveacutes de la radiacioacuten solar captada por los colectores la cual es transferida
en forma de calor a un fluido portador en este caso aceite HTF Este necesita un
determinado flujo para absorber toda esa energiacutea y luego transferirla al agua Los
caudales necesarios para la captacioacuten de este calor se encuentran en la (tabla 9)
Tabla 9 Paraacutemetros termodinaacutemicos en el intercambiador de calor
Datos Agua de
alimentacioacuten Aceite teacutermico
Caudal(kgs) 255 462
Temperatura(ordmC) 166 300
Presioacuten (bar) 67 25
Entalpiacutea (kJkg) 6974 490
Con estos datos se concluye que para calentar un flujo de agua de 255 kgs (a
temperatura de 166ordmC y presioacuten de 67 bar) hasta alcanzar una temperatura de
260ordmC se necesita un flujo de energiacutea teacutermica de 106225 kW lo cual es
proporcionada por 462 kgs de aceite teacutermico proveniente del campo solar que estaacute
a una temperatura de 300ordmC y presioacuten de 25 bar
48
333 Caacutelculo del nuacutemero de lazos
3331 Caacutelculo del caudal miacutenimo de circulacioacuten del fluido de transferencia de
calor (HTF) por cada lazo
Para que exista un flujo turbulento por el interior del tubo absorbedor a una velocidad
del fluido econoacutemica de 3 ms el caudal miacutenimo de circulacioacuten debe ser de 86 kgs
(tabla 10)
Tabla 10 Caudal miacutenimo de circulacioacuten del fluido de transferencia de calor (HTF) por
cada lazo
Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF por cada lazo 86 kgs
Nuacutemero de Reynolds 874E+5
Velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor 3 ms
Viscosidad dinaacutemica del HTF a la temperatura media de
trabajo 194E-04 kgmmiddots
Densidad del HTF a la temperatura media de trabajo 870 Kgm3
3332 Incremento de la temperatura del HTF en un colector
Para calentar el flujo de aceite de 200 a 300ordmC lo cual equivale a un salto teacutermico
por lazo de 100ordmC es necesario 4 colectores por lazo Por tanto el salto de
temperatura promedio del HTF a su paso por un colector es aproximadamente de
283ordmC (tabla 11)
Tabla 11 Salto de temperatura promedio del HTF a su paso por un colector
meses ∆119931119949119938119963119952() ∆119827119836119848119845119838119836() 119821119845119834119859119848119852
Enero 100 248 40
Febrero 100 263 38
Marzo 100 301 33
Abril 100 343 29
Mayo 100 333 30
Junio 100 318 31
Julio 100 325 31
Agosto 100 330 30
Septiembre 100 286 35
Octubre 100 262 38
Noviembre 100 202 50
Diciembre 100 186 54
49
3333 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
El nuacutemero de colectores necesarios por lazo para cada mes se refleja en la (tabla
12) Con este resultado se concluye que la cantidad de colectores totales que debe
tener cada lazo del campo solar es aproximadamente de 4
Tabla 12 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo para cada mes del antildeo
Meses Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
Enero 40
Febrero 38
Marzo 33
Abril 29
Mayo 30
Junio 31
Julio 31
Agosto 30
Septiembre 35
Octubre 38
Noviembre 50
Diciembre 54
3334 Nuacutemero de lazos en el campo solar
Al ser la potencia teacutermica del campo solar 106225 kW y ser la potencia teacutermica uacutetil
promedio por lazo aproximadamente de 26556 kW el nuacutemero de lazos necesarios
por campo solar debe ser aproximadamente de 4
Para generar 106 MW teacutermico con una radiacioacuten promedio de 5355 Wm2 para todo
un antildeo la dimensioacuten del campo solar debe ser de 44448 m2 Esto se logra con un
total de 4 lazos con 4 colectores cada uno
334 Caacutelculo del ahorro de bagazo propiciado por el campo
Una de las ideas fundamentales de este proyecto es el ahorro de bagazo para su
uso fuera de temporada y asiacute no parar la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica por la
ausencia de combustible Para esto se halloacute el iacutendice de generacioacuten con el campo
(tabla 13) quedando un ahorro de maacutes de 25 mil toneladas de bagazo Pudiendo
dar un margen de 30 diacuteas maacutes de generacioacuten de electricidad lo que equivale a maacutes
de 14 mil MWe
50
Tabla 13 Generacioacuten en el periacuteodo de zafra y ahorro de bagazo propiciados por el campo
solar
Generacioacuten eleacutectrica total 111063 MWh
Iacutendice de generacioacuten sin campo 500 kWhtb
Iacutendice de generacioacuten con campo 575 kWhtb
Ahorro de bagazo 251586 TonZafra
Porciento de bagazo ahorrado 14
Generacioacuten con el excedente de Bagazo 14463 MWh
Seguacuten los datos de la tabla 13 y suponiendo que la zafra sea de 120 diacuteas sin contar
las paradas este resultado extenderiacutea la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica a 232 diacuteas
aproximadamente maacutes de la mitad del antildeo y solo se necesitariacutea para los restantes
133 diacuteas del antildeo abastecerse por medio de otra fuente como pudiera ser bagazo
aportado por centrales cercanos que funcionaran como tributarios o utilizar otro
combustible complementario como los residuos agriacutecolas cantildeero lentildea o carboacuten de
marabuacute
34 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un
antildeo)
Para el caacutelculo se halloacute el ahorro de combustible foacutesil con la incorporacioacuten del campo
solar De la (tabla 14) mostrada en el capiacutetulo anterior se tomoacute el valor para las
emisiones de CO2 que fue de 306 kgkgf lo que reflejoacute los siguientes resultados
Tabla 14 Ahorro de combustible y emisiones de CO2 dejadas de emitir propiciado por el campo
Iacutendice de generacioacuten de una planta
teacutermica convencional en Cuba 270 gkWh
Ahorro de combustible Foacutesil 3888 TCC
CO2 dejado de emitir 11897 Ton
35 Factibilidad econoacutemica del proyecto
Para los caacutelculos de factibilidad econoacutemica en este proyecto se ha tomado los
siguientes valores (tabla 15)
51
Tabla 15 Valores necesarios para el caacutelculo de la factibilidad econoacutemica
Precio de la electricidad 021 $kWh
Impuestos 30
Tasa de descuento 10
Vida uacutetil 25 antildeos
Tambieacuten se tuvieron en cuenta los costos de inversioacuten del campo solar (tabla 16)
Tabla 16 Costos de Inversioacuten del campo solar Fuente (IDEA 2013)
Captacioacuten y concentracioacuten de
energiacutea solar
Campo solar(CCP)
espejos 35 Eur m2
apertura
130800 m2
457800
euros
estructuras
metaacutelicas
72 Eur m2
apertura
13080
m2
941760
euros
sistemas de
posicionamiento
6600 Eurunid
16
unidades
108585
euros
movimiento de
tierras
21 Eur m2
apertura
13080
m2 27468000 euros
cimentacioacuten 37 Eur m2
apertura
13080
m2 48396000 euros
montaje 43 Eur m2
apertura
13080
m2 56244000 euros
nave de montaje 545 Eur m2
apertura
13080
m2 7128600 euros
costo total
2900511
euros
Sistema de conversioacuten solar teacutermico
aceite teacutermico 283 Eurkg
100
Kg 283 euros
tubos
absorbedores
892 Eurtubo
16
tubos
14675
euros
juntas rotativas 190 Eur unid 33 unidades 625187 euros
tuverias valvulas y
accesorios
13400 Eurlazo 4 lazos 4915834 euros
sistTrasiego
aceites
87000 Eurlazo 4 lazos 31916236 euros
sistPurificacioacuten
de aceite
380000 Eur unid 1 unidades 380000 euros
ProteccContra
incendios
11400 Eurlazo 1 lazos 11400 euros
sistInertizacioacuten 5900 Eurlazo 1 lazos 5900 euros
52
Intercambiador
aceite-vapor
240 EurkW 10623 kWe 2549400 euros
calderas GV 53 EurkWt - 0 euros
costo total 33362310 euros
TOTAL DEL COSTO DE INVERSIOacuteN
9137253
euros
9959606
doacutelares
Tabla 17 Costos de operacioacuten y mantenimiento (OampM) del campo solar en millones de
euros (MEUR MWantildeo) Fuente (IDEA 2013)
Personal 001 MEUR MWantildeo
Mantenimiento 004 MEUR MWantildeo
Otros 002 MEUR MWantildeo
total 007 MEUR MWantildeo
Tabla 18 Costos de operacioacuten y mantenimiento (OampM) del campo solar en MEUR Fuente
(IDEA 2013)
Potencia del
campo solar
11 MW
Personal 011
Mantenimiento 042
Otros 021
total 074
Esto equivale a un costo fijo de 1772000 doacutelares en operacioacuten y mantenimiento
Paraacutemetros operativos
Venta de electricidad 21 centkWh
Produccioacuten de electricidad solar 144626 MWhantildeo
Costos OampM campo solar 289252 USD antildeo
Costo nivelado de la energiacutea generada
Este costo se determinoacute al sumar los costos variables el de inversioacuten total y los
costos de operacioacuten y mantenimiento luego se dividioacute entre la generacioacuten total de
la planta en los 25 antildeos de vida uacutetil de esta tecnologiacutea quedando de 0032$kWh
351 Tasa interna de retorno (TIR)
Con un campo de 16 colectores y para las condiciones de este proyecto se obtuvo
una TIR de
TIR= 30
La TIR calculada fue mayor que la tasa de descuento por tanto el proyecto es
aceptable
53
352 Valor actual neto (VAN)
El valor actual neto es positivo con un valor que asciende a $ 34116545 por lo que
se cumple la condicioacuten de VAN mayor que cero por lo que el proyecto es rentable
353 Periacuteodo de recuperacioacuten (PR)
El tiempo en que se recupera esta inversioacuten es de aproximadamente 9 antildeos (figura
18)
Los costos de inversioacuten incluyen costes de Ingenieriacutea obtencioacuten de los permisos
necesarios y autorizaciones administrativas obra civil y equipo electromecaacutenico
Los beneficios corresponden a las ventas anuales de electricidad una vez
deducidos los gastos de operacioacuten y mantenimiento En general se estima en el
sector que para que una inversioacuten sea interesante el periacuteodo de recuperacioacuten no
debe exceder de 7 antildeos (Penche 1998) Este proyecto excede en dos antildeos lo
planteado por (Penche 1998) aunque sigue siendo factible e interesante para las
condiciones del paiacutes ya que como plantea el problema de investigacioacuten el principal
intereacutes de este trabajo es aumentar los diacuteas de generacioacuten de electricidad Debido
al problema que presenta Cuba con los iacutendices de generacioacuten se hace necesario
una mejora en este sector a toda costa priorizando esto quedando asiacute los periodos
de recuperacioacuten por detraacutes de este intereacutes primordial
Figura 19 Periacuteodo de recuperacioacuten en antildeos
Teniendo en cuenta estos tres iacutendices econoacutemicos calculados que se tuvieron en
cuenta para la rentabilidad econoacutemica de este proyecto se obtiene como resultado
que dicho proyecto es econoacutemicamente factible
-15000000
-10000000
-5000000
0
5000000
10000000
15000000
20000000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Doacutela
res
Antildeos
Periacuteodo de recuperacioacuten de la invercioacuten
54
Conclusiones
La tecnologiacutea de plantas hibridas solar-biomasa para el caso de Cuba es
potencialmente factible a partir de los valores encontrados de radiacioacuten solar
directa en todo el territorio alcanzando estos maacutes de 5 kWhm2-dia durante
todo el antildeo siendo favorable para la implementacioacuten de esta tecnologiacutea
El rendimiento global de cada colector tiene un valor aproximado del 70
debido a las peacuterdidas geomeacutetricas oacutepticas teacutermicas y por las condiciones
meteoroloacutegicas del lugar puesto que al ser Cuba una isla rodeada de mar
hay ocurrencia de un gran nuacutemero de precipitaciones y cielos nublados al
antildeo que afectan considerablemente el factor de disponibilidad del campo
solar
El campo solar tendraacute 4 colectores por lazo y 4 lazos por campo con una
potencia teacutermica de 106 MW lo que representa un aacuterea de casi 45 ha
aumentaacutendose el iacutendice de generacioacuten de electricidad de la planta con su
conversioacuten en planta hibrida (solar-biomasa) de 500 kWhtb a 575 kWhtb
Con la implementacioacuten del proyecto propuesto (hibridacioacuten biomasa-energiacutea
solar) se puede lograr un ahorro de 251586 toneladas de bagazo por zafra
lo que equivale a 30 diacuteas adicionales de generacioacuten eleacutectrica de la planta lo
que extenderiacutea la generacioacuten en la bioeleacutectrica a unos 230 diacuteas acercaacutendose
cada vez maacutes a lo previsto por la poliacutetica existente en el paiacutes de conversioacuten
de centrales en bioeleacutectricas de llegar a los 300 diacuteas Pudieacutendose saldar los
70 diacuteas faltantes con combustibles alternativos como el RAC y el marabuacute con
gran abundancia en nuestros campos
La implementacioacuten en la UEB George Washington de la hibridacioacuten permitiriacutea
anualmente con el excedente de bagazo obtenido una generacioacuten de
electricidad adicional de 145 GWh con una disminucioacuten de 11897 toneladas
de emisiones de CO2 funcionando como una fuente de empleo considerable
para los habitantes de este lugar
El estudio de la hibridacioacuten solar-biomasa en la UEB George Washington
indica que un proyecto de este tipo es factible con una inversioacuten de casi 10
millones de doacutelares logra como resultados maacutes importantes un VAN de maacutes
de 34 millones una TIR de 30 un PRD de aproximadamente 9 antildeos y un
costo nivelado de la electricidad de 0032 $kWh valor de gran motivacioacuten
para la implementacioacuten de esta tecnologiacutea
55
Recomendaciones
Extender el estudio de factibilidad de plantas de energiacutea hiacutebridas biomasa
solar a otros centrales azucareros del paiacutes que se prevean convertir en
bioeleacutectricas
Incluir en la metodologiacutea de anaacutelisis empleada en este trabajo para futuros
estudios otro tipo de tecnologiacuteas de concentracioacuten como pudiera ser la de
colector lineal Fresnel cuya aplicacioacuten ha venido en aumento en los uacuteltimos
antildeos a nivel mundial
Profundizar en el estudio de factibilidad de este proyecto analizando la
influencia de la variacioacuten de paraacutemetros como el salto entaacutelpico en el
intercambiador de calor del campo solar para la optimizacioacuten del disentildeo del
campo solar
56
Bibliografiacutea
BEacuteRRIZ L MADRUGA E 2000 Cuba y las fuentes renovables de energiacutea CUBASOLAR pp 29
CENGEL Y 2012 Termodinaacutemica Meacutexico DF
DAVID A 2007 Business and Finance Israeli Company to build largest solar park in world in US [Online] Available (httpwwwynetnewscom) [Accessed 10 febrero 2018]
E BURIN T V S MULTHAUPT A THELEN G OELJEKLAUS K GOumlRNER E BAZZO 2016 Thermodynamic and economic evaluation of a solar aided sugarcane bagasse cogeneration power plant THE 28TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON EFFICIENCY COST OPTIMIZATION SIMULATION AND ENVIRONMENTAL IMPACT OF ENERGY SYSTEMS
EPA Factor Information REtrieval (FIRE) Software Technology Transfer Network Clearinghouse for Inventories amp Emissions Factors 2004
GACETA 2007 Estrategia Ambiental Nacional Ministerio de Justicia 30 ed Gaceta Oficial Republica de Cuba
GESIME 2014 Conceptualizacioacuten del programa de desarrollo de la energiacutea solar teacutermica en Cuba 2014-2020 MINEM Desarrollado por grupo de desarrollo de la energiacutea solar teacutermica Grupo Empresarial de la Industria Sidero-Mecaacutenica 36
GUTIEacuteRREZ E 2013 ldquoEl azuacutecar cubano adquiere protagonismo energeacuteticordquo Diarios latinoamericanos de Tierrameacuterica
HERRERA I 2016 Poligeneration Workshop KTH Universidad Central Marta Abreu de Las Villas
HIDALGO L 2012 Estudio Teacutecnico-econoacutemico de una central hiacutebrida solar-ciclo combinado Proyecto final de carrera para optar por el tiacutetulo ingeniero teacutecnico de minas Departamento de sistemas energeacuteticos 79
HTTPEOSWEBLARCNASAGOVSSE 2017 Surface Meteorology and Solar Energy [Online] [Accessed 22 noviembre]
HTTPWWWWIKIPEDIAORG 2017 Energiacutea solar teacutermica [Online] [Accessed 17 diciembre 2017]
IDEA 2013 Plan de Energiacuteas (PER) 2011-2020 Instituto para la Diversificacioacuten y Ahorro de la Energiacutea
LA ROSA D 2014 Recuperacioacuten de la disponibilidad de generacioacuten en el ciclo combinado de Energas Varadero con aporte termosolar httpwwwcubasolarcu
MARTIacuteN S 2017 Colector ciliacutendrico paraboacutelico Available from httpwwwtecnoblogsanmartinwordpresscom]
57
MARTIacuteNEZ L 2017 Conjunto de alternativas tecnoloacutegicas para la ingenieriacutea conceptual del estudio de oportunidad de la conversioacuten en bioeleacutectrica del central George Washington Trabajo de diploma Universidad Central ldquoMarta Abreurdquo de Las Villas
MAXWELL E L RENNE DS 1994 Measures of Renewable Energy National Renewable Energy Laboratory
PAREDES C 2012 Disentildeo de captador solar ciliacutendrico paraboacutelico para aplicaciones rurales en Paraguay Proyecto final de carrera para optar por el tiacutetulo de ingeniero teacutecnico de minas Especialidad en recursos energeacuteticos combustibles y explosivos 57
PENCHE C 1998 Manual de pequentildea hidroeleacutectrica D I R E C C I Oacute N G E N E R A L D
E E N E R G I A ( D G X V I I ) 259
PETROLEUM B 2006 BP Statistical Review of World Energy June 2006 Quantifying Energy
PETROLEUM B 2018 Statistical Review of World Energy [Online] Available httpwwwbpcomenergyoutlook [Accessed 12 febrero de 2018]
PITZ-PAAL 2013 Solar thermal power plants BINE-Themeninfo FIZ Karlsruhe GmbH
REN 2013 Global Status Report Paris
REUszlig N 2012 Modern Gas- amp Steam Turbines in Solarthermic Applications 14th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery Honolulu
RIBOT J E A ROVIRA P ROVIRA A BAROacuteN JL 2001 Curso de Energiacutea Solar Centro de Tecnologiacutea Educativa CTE Barcelona Espantildea Obra completa 4ta edicioacuten Leccioacuten 3 El potencial real de la energiacutea solar
RODRIacuteGUEZ J 2015 Metodologiacutea para la caracterizacioacuten termoeconoacutemica de plantas hiacutebridas de generacioacuten de electricidad Tesis Doctoral Universidad Politeacutecnica de Madrid
ROJAS E 2013 Energiacutea Solar Teacutermica Observatorio de energiacutea renovable para Ameacuterica Latina y Caribe Programa de capacitacioacuten de energiacuteas renovables ONUDI 68
SALOMOacuteN R 2016 ldquoBioeleacutectricas despiertan creciente intereacutes mundialrdquo
SALOMOacuteN R 2018 Biomasa fuente de electricidad inagotable para Cuba Diaacutelogos del Sur Prensa Latina de La Habana
SEBASTIAacuteN E 2011 Sistemas de colector ciliacutendrico paraboacutelico para generar energiacutea httpeliseosebastiancom
SHILLING Z NORMAN 2003 IGCC Clean Power Generation Alternative For Solid Fuels Product Line Leader
58
WWWSOLARBUZZCOM H 2016 Abener Signs Contract for Solar Thermal Electric-Combined Cycle Hybrid Plant [Online] [Accessed 16 diciembre 2017]
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pequentildeos pues suponen una simplificacioacuten y abaratamiento en los procesos de
transporte instalacioacuten y puesta en servicio El campo de heliostatos en relacioacuten al
receptor estaacute condicionado en gran parte por la orografiacutea del terreno por el tamantildeo
de la planta y por la disposicioacuten del receptor Las dos formas claacutesicas de colocar los
heliostatos son
Campo circundante heliostatos alrededor de la torre
Campo Norte-Sur heliostatos a un lado de la Torre La orientacioacuten dependeraacute de
en queacute latitud se encuentre el emplazamiento
No obstante existen otras disposiciones que tratan de aprovechar la orografiacutea del
terreno (por ejemplo una ladera orientada al Sur) o usan un concentrador secundario
para evitar los inconvenientes derivados de situar el receptor sobre una torre
La torre La funcioacuten de la torre es la de servir de soporte al receptor que
normalmente debe situarse a una cierta altura sobre el nivel del campo de helioacutestatos
para reducir las sombras y bloqueos entre eacutestos y a diversos elementos auxiliares
(blancos lambertianos sistemas de medida etc) Hasta hoy las torres construidas
han sido de estructuras metaacutelicas o de hormigoacuten
El receptor Es el dispositivo donde se produce la conversioacuten de la radiacioacuten solar
concentrada en energiacutea teacutermica
152 Disco Paraboacutelico (DP)
Los sistemas de discos paraboacutelicos se componen baacutesicamente en un reflector o en
un conjunto de reflectores que tienen forma de paraboloide de revolucioacuten Ademaacutes
poseen un receptor situado en el foco puntual de dicho paraboloide y de un sistema
de generacioacuten eleacutectrica compacto (un motor o una turbina maacutes un alternador) Por lo
general receptor y sistema de generacioacuten suelen formar parte de un mismo conjunto
El principio de funcionamiento es el mismo que para los CCPacutes es decir la radiacioacuten
concentrada por el paraboloide incide sobre el receptor donde se convierte en
energiacutea teacutermica (pudiendo alcanzar los 1500 oC que permite generar electricidad Los
elementos principales del colector Disco Paraboacutelico son los siguientes
Concentrador La forma de la superficie reflexiva en este tipo de sistema es la de
un paraboloide de revolucioacuten cuyo tamantildeo depende de la potencia nominal y de la
energiacutea que se desea generar en un determinado tiempo y bajo unas condiciones de
radiacioacuten determinadas
Receptor Es un sistema de discos paraboacutelicos que tienen dos funciones
fundamentales por un lado la de absorber la radiacioacuten solar reflejada por el
concentrador y por el otro transferir la energiacutea absorbida al fluido de trabajo de la
maacutequina asociada Hasta la fecha existen dos tipos de reflectores tubos
directamente iluminados por la reflexioacuten de los rayos y receptores de reflujo
11
Sistema de Seguimiento Con objeto de seguir la posicioacuten del sol en todo momento
los discos paraboacutelicos realizan un seguimiento de eacuteste en dos ejes Se realiza seguacuten
dos tipos de montaje
Seguimiento en acimut-elevacioacuten en el que el movimiento se realiza seguacuten dos
ejes el vertical y el horizontal
Seguimiento polar en el que el movimiento en un eje es muy lento pues solo se
debe seguir las variaciones estacionales del sol y el movimiento en el otro eje es a
velocidad constante
Actualmente el uso de discos paraboacutelicos para generar electricidad se encuentra en
fase de desarrollo en algunas plantas experimentales como la de Planta Solar de
Almeriacutea pero la falta de fiabilidad y su elevado coste constituyen los principales
obstaacuteculos para su introduccioacuten real en la generacioacuten eleacutectrica En cambio
atendiendo a la misma forma estructural y con el mismo principio de reflexioacuten en un
foco puntual del paraboloide de revolucioacuten es muy comuacuten encontrar a nivel
particular cocinas solares
Figura 4 Esquema de un Disco Paraboacutelico Fuente Greenpeace
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153 Concentrador lineal Fresnel
Esta tecnologiacutea es la maacutes nueva de las cuatro que actualmente hay disponible para
los sistemas solares de concentracioacuten Son captadores de foco lineal en los que
largos reflectores que poseen ejes de giros independientes y paralelos reflejan la
radiacioacuten solar directa sobre un tubo receptor situado sobre ellos Es la tecnologiacutea
maacutes joven de las cuatro descritas por lo que existen actualmente solo dos plantas
comerciales en funcionamiento con una potencia eleacutectrica total de 64 MWe
Figura 5 Concentrador Lineal Fresnel
154 Colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Esta tecnologiacutea cilindro-paraboacutelica basa su funcionamiento en seguimiento solar y en
la concentracioacuten de los rayos solares en unos tubos receptores de alta eficiencia
teacutermica localizados en la liacutenea focal de los cilindros En estos tubos un fluido
transmisor de calor tal como aceite sinteacutetico es calentado aproximadamente a
400ordmC por los rayos solares concentrados El aceite es bombeado a traveacutes de una
serie de intercambiadores de calor para producir vapor sobrecalentado El calor
presente en este vapor se convierte en energiacutea eleacutectrica en una turbina de vapor
convencional Los colectores cilindro-paraboacutelicos se emplean maacutes a escala industrial
de 10 a 100 MW para la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica en un campo solar y en un
sistema de potencia En el campo solar la energiacutea de la radiacioacuten solar se transforma
en energiacutea teacutermica en una serie de filas paralelas de colectores cilindro-paraboacutelicos
cada uno de ellos con seguimiento solar La eficiencia durabilidad y costo de una
central con colectores cilindro-paraboacutelicos depende fuertemente de la estructura y
robustez del colector Un moacutedulo colector generalmente compuesto de elementos
de 12 m de largo conectados en serie puede tener hasta 150 m de longitud Sus
espejos paraboacutelicos reflejan la radiacioacuten solar y la concentran sobre un tubo
absorbente en su liacutenea focal (Sebastiaacuten 2011)
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A principios del siglo pasado (1912) la primera planta de canal paraboacutelico fue
construida en Meadi Egipto para bombeo de agua Con 79 plantas 31425 MW
instalados esta tecnologiacutea es la maacutes madura de las tecnologiacuteas CSP (maacutes de 100
antildeos de experiencia en operacioacuten) (GESIME 2014)
Las primeras centrales con colectores cilindro-paraboacutelicos operan comercialmente en
California desde 1985 En este periodo de tiempo han generado maacutes de doce mil
millones de kilowatts hora de electricidad lo que es suficiente para suministrar
electricidad a aproximadamente doce millones de personas durante un antildeo Al igual
que en centrales teacutermicas con combustibles convencionales y tambieacuten en centrales
nucleares la corriente se genera en las centrales solares teacutermicas con una turbina a
vapor y un generador acoplado (Martiacuten 2017)
El Sistema de Generacioacuten de Energiacutea solar (en ingleacutes Solar Energy Generating
System SEGS) es un conjunto de nueve plantas con una capacidad total de 350 MW
Actualmente es el sistema solar operacional maacutes grande (tanto del tipo termal o no)
La planta Nevada Solar One tiene una capacidad de 64 MW Estaacuten en construccioacuten
las plantas Andasol 1 y 2 en Espantildea cada planta tiene una capacidad de 50 MW sin
embargo estas plantas son de un disentildeo que tiene un sistema de almacenamiento
de calor que requiere un terreno con colectores solares mayor en relacioacuten al tamantildeo
del que deberiacutea tener para su generacioacuten El almacenamiento de calor permite una
mejor utilizacioacuten de las turbinas de vapor Con una operacioacuten diurna y parcialmente
nocturna la turbina de vapor de Andasol 1 con una capacidad de punta de 50 MW
produce maacutes energiacutea que Nevada Solar One con una capacidad de punta de 64 MW
debido al sistema de almacenamiento de calor y un terreno de colectores maacutes grande
que posee la planta de Andasol 1(httpwwwwikipediaorg 2017)
Existiacutea la propuesta de instalar 553 MW adicionales en el Mojave Solar Park
California (David 2007) pero este proyecto fue cancelado en el antildeo 2011 Tambieacuten
IBERDROLA (2013) puso en marcha en Egipto la central de Kuraymat de 150
megavatios (MW) de potencia Se trata de una instalacioacuten pionera en el mundo dado
que incorpora una tecnologiacutea que utiliza de forma combinada el gas y la energiacutea solar
lo que contribuye a disminuir las emisiones de CO2 y a mejorar el rendimiento global
de la planta Tambieacuten se generan 25 MW de vapor como aporte para una planta de
gas en Hassi Rmel Argelia (wwwsolarbuzzcom 2016)
El gobierno de India ha comenzado a desarrollar una iniciativa llamada Jawaharlal
Nehru National Solar Mission (tambieacuten conocida como la misioacuten solar nacional) para
resolver el problema de abastecimiento de energiacutea eleacutectrica
(httpwwwwikipediaorg 2017)
14
Figura 6 Esquema de un CCP Fuente Greenpeace
En la figura 6 se pueden ver los elementos principales del conjunto del colector de
forma maacutes detallada se definen del siguiente modo
El Reflector Ciliacutendrico Paraboacutelico su misioacuten es la de reflejar y concentrar sobre el
Receptor la radiacioacuten solar directa incidente sobre la superficie A grandes rasgos es
un espejo curvo que forma en una de sus dimensiones una paraacutebola de forma que
concentra sobre su liacutenea focal toda la radiacioacuten reflejada Entre los materiales usados
para la reflexioacuten encontramos plaacutesticos recubiertos con peliacuteculas de plata o aluminio
chapas metaacutelicas o el maacutes usado vidrios sobre los que se depositan una capa de
plata junto con un protector de base de cobre y pintura epoxi
El tubo de absorcioacuten o Receptor El tubo absorbedor consta de dos tubos
conceacutentricos separados por un espacio de vaciacuteo El tubo interior por el que circula
el fluido calo-portador es metaacutelico y el exterior es de cristal
El tubo interior es tratado con un recubrimiento metaacutelico selectivo que puede consistir
en una fina capa de cromo niacutequel cobalto o alguacuten otro acabado logrado por
Sputtering o Deposicioacuten Fiacutesica de Vapor (PVD por sus siglas en ingleacutes) Dicho
recubrimiento otorga al tubo sus propiedades uacutetiles para eacuteste uso elevada
absortividad a lo largo de todo el espectro solar y una baja emisividad en el espectro
infrarrojo lo cual se traduce en un elevado rendimiento teacutermico El tubo exterior de
vidrio cumple dos propoacutesitos de igual importancia el primero es proteger el
recubrimiento selectivo del tubo interior y minimizar las perdidas teacutermicas por
conveccioacuten Para aumentar el rendimiento oacuteptico del captador es comuacuten la utilizacioacuten
de un tratamiento antireflexivo en ambas caras del tubo de vidrio que logra mejorar
15
la transmisividad Para lograr mantener el vaciacuteo necesario entre los dos tubos se suele
soldar cada tubo el de vidrio y el de metal por separado a un fuelle metaacutelico que
soporta las diferentes dilataciones de cada material al variar la temperatura Con esto
se logra flexibilizar la unioacuten entre los dos tubos evitando grietas por las que pudiera
ingresar aire al vaciacuteo Otro mecanismo que se utiliza para mantener el vaciacuteo son los
llamados getters en ingleacutes que son colocados en el vaciacuteo debido a su propiedad de
reaccionar quiacutemicamente o por absorcioacuten con cualquier moleacutecula de gas que pudiera
penetrar al espacio confinado atrapaacutendolo y asiacute manteniendo el espacio libre de
cualquier elemento
Figura 7 Esquema del tubo de absorcioacuten o Receptor
El Sistema de Seguimiento Solar El seguimiento del Sol se hace con el objetivo
de aprovechar la mayor parte de horas posibles de luz de forma que la radiacioacuten
solar llegue lo maacutes perpendicularmente posible al colector y se mantengan en el foco
lineal continuamente Los CCPacutes pueden tener seguimiento a dos ejes o a un uacutenico
eje Normalmente el seguimiento se realiza a un eje pues mecaacutenicamente es maacutes
sencillo esto implica menos costos y menores peacuterdidas teacutermicas por no haber
tuberiacuteas pasivas La orientacioacuten puede ser Norte-Sur o Este-Oeste Los mecanismos
de accionamiento que mueven al colector pueden ser eleacutectricos (apropiado para
equipos pequentildeos) hidraacuteulicos (para lazos de colectores) y mecaacutenicos (reloj de
pesas) (Paredes 2012)
16
Figura 8 Esquema del seguimiento solar a un eje de un CCP Fuente Greenpeace
Cimentacioacuten y estructura metaacutelica La cimentacioacuten soporta los colectores y los fija
al suelo de forma que el conjunto estructural soporte las cargas para las que fue
disentildeado La misioacuten de la estructura metaacutelica del colector es la de dar rigidez al
conjunto de elementos que lo componen a la vez que hacer de interface con la
cimentacioacuten del propio colector (Hidalgo 2012)
La tecnologiacutea cilindro paraboacutelica es una tecnologiacutea limpia madura y con un extenso
historial que demuestra estar preparada para la instalacioacuten a gran escala Esta
tecnologiacutea lleva siendo instalada a nivel comercial desde los antildeos 80 con un
excepcional comportamiento Desde entonces ha experimentado importantes
mejoras a nivel de costes y rendimientos Actualmente hay maacutes de 1 GWe en
operacioacuten maacutes de 800 MWe en construccioacuten y maacutes de 2 GWe en promocioacuten a nivel
mundial Por lo que es esta la tecnologiacutea maacutes segura a aplicar
16 Orientacioacuten del colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Los captadores cilindro paraboacutelicos suelen estar instalados en los campos solares de
tal manera que sus ejes de rotacioacuten queden orientados bien Norte-Sur o bien Este-
Oeste Con la configuracioacuten Este-Oeste las variaciones estacionales suelen ser
pequentildeas permitiendo tener un aporte teacutermico maacutes estable durante el antildeo a costa
de perder parte de la energiacutea anual disponible Con la configuracioacuten Norte-Sur esa
energiacutea anual suministrada es optimizada al maacuteximo con el punto en contra de tener
variaciones estacionales mucho mayores que con la configuracioacuten Este-Oeste que
en ocasiones y dependiendo de la latitud y de las condiciones atmosfeacutericas del
emplazamiento pueden suponer relaciones de 3 a 1 entre verano e invierno En el
caso de la planta Termo solar acoplada al economizador de la caldera para la
produccioacuten de electricidad de la UEB umlGeorge Washingtonuml se ha realizado el disentildeo
atendiendo al criterio de maximizacioacuten del aporte energeacutetico anual por lo que la
configuracioacuten elegida es la Norte-Sur
17
17 Peacuterdidas en un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Cuando la radiacioacuten solar alcanza la superficie de un colector paraboacutelico se pierde
una cantidad importante de ella debido a diferentes factores El total de las peacuterdidas
se puede dividir en tres grupos
171 Peacuterdidas geomeacutetricas Provocan la disminucioacuten del aacuterea efectiva de captacioacuten
solar de los colectores En un CCP se dividen en peacuterdidas debidas a la posicioacuten
relativa de los colectores entre siacute los cuales se pueden dar sombra unos a otros y
las peacuterdidas inherentes a cada colector que son motivo del aacutengulo de incidencia el
cual provoca que en los extremos del colector haya una peacuterdida de superficie reflexiva
uacutetil La existencia del aacutengulo de incidencia tambieacuten afecta a los valores de la
reflectividad absortividad y transmisividad ya que estos paraacutemetros presentan su
valor maacuteximo cuando el aacutengulo de incidencia es 0deg (Hidalgo 2012)
172 Peacuterdidas oacutepticas Se deben a imperfecciones en los materiales que componen
el colector la superficie del concentrador no es un reflector perfecto ni el vidrio del
tubo absorbedor es completamente transparente ni el recubrimiento selectivo del
tubo metaacutelico es un absorbedor perfecto Los cuatro paraacutemetros que intervienen en
las peacuterdidas oacutepticas de un canal paraboacutelico son la reflectividad de los espejos
paraboacutelicos la absortancia del tubo metaacutelico la transmitancia de la cubierta de vidrio
y el factor de interceptacioacuten (Hidalgo 2012)
Reflectancia ρ no toda la energiacutea incidente es reflejada hacia el tubo
absorbedor
Absortancia α cantidad de radiacioacuten que absorbe la superficie selectiva del
tubo metaacutelico
Transmitancia 120591 de aquella radiacioacuten que intercepta el tubo de vidrio solo
una parte consigue atravesarlo
Factor de interceptacioacuten γ no toda la radiacioacuten reflejada por los espejos
acaba incidiendo sobre el tubo absorbedor Las causas son diversas imperfecciones
en los espejos un mal posicionamiento de los colectores etc
173 Peacuterdidas teacutermicas Principalmente se encuentran asociadas a dos elementos
del sistema el tubo absorbedor y las tuberiacuteas de fluido teacutermico Las perdidas
asociadas estaacuten formadas por perdidas por conduccioacuten por conveccioacuten y por
radiacioacuten de los diferentes medios que conforman el conjunto del tubo absorbedor
es decir por el tubo metaacutelico la cubierta de cristal y la atmosfera De manera que
la potencia teacutermica disipada en el colector equivale a la suma de las peacuterdidas teacutermicas
en el receptor y las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas por donde circula el fluido
teacutermico (HTF) (Hidalgo 2012)
18
Peacuterdidas teacutermicas en el aceite teacutermico (HTF)
Las peacuterdidas teacutermicas asociadas al tubo absorbedor (119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905) se deben a la
diferencia de temperaturas entre eacuteste y el ambiente pudiendo ser por conduccioacuten
por radiacioacuten y por conveccioacuten desde el tubo absorbedor al ambiente Aunque cada
una de estas peacuterdidas podriacutea calcularse aplicando las ecuaciones que rigen los
mecanismos de transferencia de calor antes mencionados en la praacutectica las
peacuterdidas teacutermicas globales en un colector se cuantifican mediante ecuaciones
experimentales (Hidalgo 2012)
18 Rendimiento de un colector ciliacutendrico paraboacutelico (CCP)
Como consecuencia de todas las peacuterdidas oacutepticas geomeacutetricas y teacutermicas que
existen en un CCP la energiacutea teacutermica uacutetil que da un CCP es menor que la que dariacutea
en condiciones ideales cuando no existieran dichas peacuterdidas
En un CCP se suelen definir tres rendimientos diferentes y un paraacutemetro
I) Rendimiento oacuteptico con un aacutengulo de incidencia de 0ordm (rendimiento oacuteptico pico)
Tiene en cuenta todas las peacuterdidas oacutepticas que tienen lugar en el colector con un
aacutengulo de incidencia de 0ordm Su valor viene dado por el producto de estos cuatro
factores reflectividad de los espejos transmisividad del tubo de vidrio factor de
interceptacioacuten (que tiene en cuenta la parte de radiacioacuten reflejada que por cualquier
causa no alcanza el absorbente) y absortividad de la superficie selectiva que recubre
el tubo metaacutelico absorbente
II) Rendimiento teacutermico Considera todas las peacuterdidas teacutermicas que tienen lugar en
el colector
III) Rendimiento global Considera todas las peacuterdidas tanto oacutepticas como
geomeacutetricas y teacutermicas que tienen lugar en el colector
IV) Modificador por aacutengulo de incidencia Considera todas las peacuterdidas oacutepticas y
geomeacutetricas que tienen lugar en el colector para un aacutengulo de incidencia ϕ ne 0ordmy que
no se tienen en cuenta en rendimiento oacuteptico (peacuterdidas geomeacutetricas de final de
colector bloqueo de la radiacioacuten concentrada por parte de los soportes del tubo
absorbente e influencia del aacutengulo de incidencia en la absortividad y transmisividad
del tubo absorbente y en la reflectividad de los espejos) (Paredes 2012)
19 Disentildeos hiacutebridos
En general las formas de concentracioacuten de la energiacutea solar se pueden dividir en
tecnologiacuteas lineales y de enfoque puntual Los canales paraboacutelicos y los colectores
lineales Fresnel pertenecen a las tecnologiacuteas de enfoque lineal mientras que las
tecnologiacuteas de enfoque de puntos principales son el receptor central (torre solar) y el
reflector paraboacutelico (disco) Desde el punto de la disponibilidad del mercado y el
estado actual de desarrollo para el presente estudio de caso se han elegido las
siguientes tres opciones de tecnologiacutea Lineal Fresnel (LF) Ciliacutendrico Paraboacutelico
19
(CCP) y Torre Central (STC) Para todas las opciones de CSP nombradas hay
diferentes configuraciones de tecnologiacuteas posibles cuyo rango se muestra en la tabla
1 (E Burin 2016)
Tabla 1 Rangos para las 3 tecnologiacuteas posibles
Unidad LF CCP STC
Fluido teacutermico
(HTF)
- Aceite teacutermico
Agua
Sal
Aceite teacutermico
Agua
sal
Agua
Sal
Aire
Concentracioacuten - 25-100 70-80 300-1000
Rango de
temperatura
oC 380-600(ST) 380-600(ST) 565(ST)
Performance MWel 10-200 10-200 10-150
Capacidad de
corriente instalada
1 88 11
Proporcioacuten de las
obras (2012)
6 75 18
(ST) Steam Turbine
Fuente(Reuszlig 2012 Pitz-Paal 2013 REN 2013)
Debido a la diferente etapa de desarrollo teacutecnico de las tres tecnologiacuteas de CSP y
sus HTF para el estudio de caso se examinaron las siguientes combinaciones CCP
(aceite teacutermico) LF (agua vapor) y STC (agua vapor)
En cuanto a los disentildeos de integracioacuten de las tres tecnologiacuteas de CSP elegidas
desde el punto de vista termodinaacutemico es esforzarse por alcanzar un nivel de
temperatura lo maacutes alto posible para el calor solar agregado Por esa razoacuten el calor
solar agregado se usoacute aquiacute para proporcionar calor para el precalentamiento del agua
de alimentacioacuten a alta presioacuten asiacute como para la produccioacuten paralela de vapor
saturado y vapor vivo en paralelo con los generadores de vapor de bagazo Los
diagramas de flujo de proceso de los tres disentildeos de integracioacuten se muestran en la
siguiente figura
20
Figura 9 Diagramas de flujo de proceso de los tres disentildeos de integracioacuten posibles
En el disentildeo 1 el calor solar reemplaza completamente la extraccioacuten a alta presioacuten
de la turbina CEST Para este propoacutesito el campo solar proporciona en el punto de
disentildeo un rendimiento teacutermico equivalente a la demanda de calor requerida para el
calentador de agua de alimentacioacuten de alta presioacuten Debido al modo de operacioacuten de
ahorro de combustible este reemplazo y la cantidad reducida de bagazo quemado
afecta el rendimiento de la turbina CEST asiacute como la liacutenea de calentamiento del agua
de alimentacioacuten Debido a que no se realiza la extraccioacuten de vapor de alta presioacuten en
el tiempo en que el campo este trabajando se seleccionoacute las tecnologiacuteas CCP y LF
Cabe sentildealar que no es posible una operacioacuten de solo solar
El disentildeo de integracioacuten 2 permite una produccioacuten paralela de vapor saturado con
calor solar para reducir el consumo de bagazo Por lo tanto parte del flujo de masa
de agua de alimentacioacuten principal que va a los generadores de vapor se desviacutea Este
flujo maacutesico secundario pasa en el caso de CCP a traveacutes de un generador de vapor
solar tiacutepico mientras que en el caso de la LF se alimenta directamente al campo
solar En ambos casos se produce vapor saturado a 67 bar que luego se une al flujo
de masa principal dentro de los generadores de vapor para el sobrecalentamiento
En consecuencia el disentildeo de integracioacuten 2 solo afecta el rendimiento de los
21
generadores de vapor mientras que las condiciones de vapor vivo permanecen
iguales Al mantener el estudio de caso cerca de la viabilidad teacutecnica deben
respetarse las condiciones teacutecnicas de contorno de los generadores de vapor Con
el fin de evitar fuertes desequilibrios en estos componentes se asumioacute que se permite
reducir la carga del generador de vapor a un nivel miacutenimo del 85 Del mismo modo
este disentildeo no permite una operacioacuten solo solar
En el disentildeo de integracioacuten 3 el calor solar desplaza al generador de vapor de
carga teacutermica Una parte del agua de alimentacioacuten se deriva de los generadores de
vapor A medida que pasa a traveacutes del sistema de torre solar se produce vapor
sobrecalentado a 520 deg C y 67 bar Esta integracioacuten afecta solo el rendimiento teacutermico
de los generadores de vapor mientras que el ciclo agua vapor se opera en modo
normal En comparacioacuten con el disentildeo de integracioacuten 2 la operacioacuten de los
generadores de vapor se simplifica Eso significa que los generadores de vapor
funcionan aquiacute con una carga parcial normal de 100 a 65 de carga Con respecto
a eso al permitir una carga miacutenima del generador de vapor del 65 en el punto de
disentildeo solar la torre solar fue disentildeada para proporcionar todo el calor restante
necesario Cabe sentildealar que para el disentildeo de integracioacuten 3 es posible una
operacioacuten solo solar cuando la instalacioacuten de cantildea de azuacutecar estaacute fuera de servicio
Tabla 2 Muacuteltiplo solar simulado seguacuten la tecnologiacutea de CSP
Disentildeo Tecnologiacutea Muacuteltiplo solar
simulado
Disentildeo 1 CCP
LF
09 - 14
08 - 14
Disentildeo 2 CCP
LF
09 - 13
08 - 14
Disentildeo 3 STC 08 - 40
Seleccioacuten del Disentildeo y la tecnologiacutea
Luego del anaacutelisis acerca del disentildeo y la tecnologiacutea a emplear en este proyecto se
decidioacute elegir la tecnologiacutea de colectores ciliacutendricos paraboacutelicos (CCP) y el disentildeo
nuacutemero 1 Los colectores de canal paraboacutelico son los maacutes empleados en el mundo
actualmente y lleva siendo instalada a nivel comercial desde los antildeos 80 con un
excepcional comportamiento Desde entonces ha experimentado importantes
mejoras a nivel de costes y rendimientos Hoy diacutea hay maacutes de 1 GWe en operacioacuten
maacutes de 800 MWe en construccioacuten y maacutes de 2 GWe en promocioacuten a nivel mundial
22
Para las condiciones de nuestro paiacutes esta tecnologiacutea pudiera ser la maacutes factible y
segura tambieacuten contamos en Cuba con industrias que poseen capacidad
maquinaria y herramientas para llegar a construir gran parte del equipo como las
bases y estructuras metaacutelicas teniendo que importarse solamente el tubo
absolvedor Reduciendo esto los costos en gran medida ejemplo de esto es la faacutebrica
de antena de Santa Clara que ya han construido maquetas de un equipo de esta
tecnologiacutea y se encuentran en condiciones de comenzar una produccioacuten a mayor
escala
110 Influencia de la industria azucarera en Cuba
La escasez de recursos energeacuteticos primarios junto con la afectacioacuten ambiental
resultante de la utilizacioacuten irracional de la energiacutea asociada a la actividad humana
obliga a la buacutesqueda de fuentes alternativas en especial fuentes renovables de
energiacutea La biomasa ha sido fuente de energiacutea desde tiempos inmemoriales fue de
hecho el primer combustible que empleoacute el hombre pero no obstante sus milenios
de utilizacioacuten la biomasa continuacutea ocupando un lugar importante en la matriz
energeacutetica a nivel mundial y continuaraacute sieacutendolo La biomasa es un combustible
renovable se encuentra ampliamente distribuida a nivel mundial y resulta en muchas
ocasiones un subproducto de ciertos procesos productivos (agriacutecolas e industriales)
En Cuba existen diferentes tipos de biomasa con posibilidades econoacutemicas de
empleo entre las maacutes importantes estaacuten el bagazo y los residuos agriacutecolas de la
cantildea de azuacutecar la lentildea y el raleo de los bosques el marabuacute la cascara de arroz y
los residuos del cafeacute En la proyeccioacuten estrateacutegica de la generacioacuten de electricidad en
Cuba para el 2030 se considera que las fuentes renovables de energiacutea alcanzaran
el 24 del total (en la actualidad representan el 43 ) y la biomasa representaraacute el
14 del total por lo que ella representaraacute el 58 de la electricidad obtenida con
fuentes renovables Este proceso de generacioacuten de electricidad con biomasa se
centraraacute casi totalmente en la industria azucarera lo que conlleva a un problema
fundamental que consiste en que la zafra se realiza en tan solo 5 meses
aproximadamente y se necesita que la generacioacuten sea durante todo el antildeo En la
actualidad existen tecnologiacuteas disponibles y posibilidades para su empleo que
permiten valorar diferentes alternativas para incrementar sustantivamente el
potencial de generacioacuten eleacutectrica de los centrales azucareros como son las
bioeleacutectricas las cuales se plantea la instalacioacuten de alrededor de 25 en toda Cuba lo
que requiere de un suministro adicional de combustible para el resto del antildeo en que
no hay zafra Para esto planteamos en este trabajo la hibridacioacuten con un campo termo
solar que permita el ahorro de combustible y su posterior uso en los meses en que
no hay zafra
En nuestro paiacutes se sigue una poliacutetica de desarrollo sostenible y se ha comenzado
una serie de proyectos en la industria azucarera buscando modificaciones que
permitan un aumento en la energiacutea generada por toneladas de cantildea molida Para
23
esto se valoran aspectos como la variacioacuten de los paraacutemetros de explotacioacuten (presioacuten
y temperatura) de las plantas generadoras y las que consumen vapor mejorar el
secado del bagazo que se quema en las calderas hibridar los generadores de vapor
con energiacutea solar y aumentar la entrega al SEN haciendo un uso eficiente de la
electricidad que se consume asiacute como evitar las paradas imprevistas
Las Bioeleacutectricas suscitan hoy creciente intereacutes en el mundo y en Cuba ante la
necesidad de produccioacuten de energiacutea compatible con el medio ambiente Actualmente
una decena de naciones son paradigmas en el uso de esas instalaciones Isla
Reunioacuten India Isla Mauricio Australia Isla Guadalupe Belice Guatemala Estados
Unidos Costa Rica China y particularmente Brasil que posee 160 de 188 existentes
en el orbe Globalmente estas unidades tienen un potencia instalada de maacutes 2800
megavatios y de esa cifra al menos dos mil corresponden a Brasil secundado en
cuanto a cantidad de Bioeleacutectricas por India (14) Isla Mauricio (3) Isla Reunioacuten (2)
mientras que los restantes paiacuteses mencionados poseen una individualmente
(Salomoacuten 2016)
111 Propuesta para la hibridacioacuten de la bioeleacutectrica con energiacutea renovable
En el paiacutes se lucha hoy por un acercamiento hacia las tecnologiacuteas de energiacutea
renovables Con el propoacutesito de convertir todos los sistemas de generacioacuten de
energiacutea eleacutectrica en sistemas maacutes compatibles con el medio ambiente La hibridacioacuten
de la caldera del central George Washington consiste en disentildear un campo de
Colectores Ciliacutendricos Paraboacutelicos prototipo (EUROTrough-150) Con el fin de elevar
la temperatura del agua proveniente del proceso hasta los 260 oC e inyectarla al
economizador de la caldera para ahorrar bagazo que pudiera ser utilizado en los
restantes meses del antildeo cuando no hay zafra para la produccioacuten de energiacutea eleacutectrica
y su entrega al sistema energeacutetico nacional En el siguiente esquema se muestra la
propuesta planteada para la hibridacioacuten
24
Figura 10 Esquema de la hibridacion con colectores solares
25
Seguacuten un documento sobre eficiencia energeacutetica emitido por el Instituto Cubano de
Investigaciones Azucareras (ICINAZ) a todos los centrales del paiacutes se hace relacioacuten
en cuanto a la temperatura del agua de alimentacioacuten de la caldera y cuanto incide
esto en la eficiencia de dicha caldera Quedando que por cada 5 ordmC que se
incrementa la temperatura del agua de alimentacioacuten se incrementa 1 la eficiencia
de la caldera Siendo esto una justificacioacuten razonable para la propuesta planteada
que eleva la temperatura del agua de alimentacioacuten de 166 ordmC a 260 ordmC Alterando
la temperatura unos 94 ordmC influyendo esto en el aumento de la eficiencia en 18
puntos porcentuales
Conclusiones parciales
En este capiacutetulo se realizoacute una amplia revisioacuten bibliograacutefica que abordoacute el estado
del arte y avances tecnoloacutegicos maacutes importantes para los temas relacionados con
esta investigacioacuten que fueron el de energiacutea solar teacutermica y todo lo relacionado con
las bioeleacutectricas a nivel mundial y en nuestro paiacutes Tambieacuten se realizoacute un anaacutelisis
exhaustivo para la determinacioacuten de la tecnologiacutea de sistemas de concentracioacuten
solar lo que resulto que el sistema de Colectores Ciliacutendricos Paraboacutelicos prototipo
EUROTrough-150 es el maacutes factible para su instalacioacuten en Cuba y posteriormente
pudiera ser fabricado por industrias nacionales El disentildeo de incorporacioacuten del
campo al esquema termodinaacutemico de la bioeleacutectrica resulto ser maacutes factible y de
menores transformaciones tecnoloacutegicas en la estructura del central el de
incorporarlo antes de la caldera y que este inyecte el agua calentada directamente
al economizador realizando el salto teacutermico del agua en un intercambiador de calor
existente en la interseccioacuten del campo con la tuberiacutea del agua proveniente de las
bombas
26
Capiacutetulo 2 Materiales y Meacutetodos En este capiacutetulo se describen los programas y foacutermulas utilizadas para el caacutelculo de los objetivos planteados
La presente investigacioacuten se realizoacute desde enero hasta mayo del 2018 Para la realizacioacuten de los caacutelculos se utilizaron los softwares Engineering Equation Solver (EES) (2004) Matlab (2010) y Excel (2016)
Tabla 3 Condiciones de frontera para la bioeleacutectrica
21 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB uml George Washington uml
En este apartado se realizaraacute la evaluacioacuten del recurso solar disponible en el emplazamiento analizado El estudio del potencial solar en el emplazamiento consiste en el anaacutelisis de los datos de radiacioacuten disponibles el tratamiento de los mismos la estimacioacuten de las variabilidades asociadas y el caacutelculo de la produccioacuten una vez consideradas todas las peacuterdidas A la hora de evaluar el recurso solar y a falta de una medida precisa y especiacutefica en el propio emplazamiento se ha recurrido a diversas fuentes para la obtencioacuten de datos de radiacioacuten con el fin de realizar un ajuste estadiacutestico de los mismos y minimizar los errores asociados a ellos
Para el caacutelculo del potencial solar en la zona del central umlGeorge Washingtonuml fue necesario calcular la radiacioacuten solar directa (DNI) que incide en ese lugar y la duracioacuten diurna del diacutea
211 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa
Para el caacutelculo de la radiacioacuten solar directa en la zona de la UEB uml George Washington uml se tomaron como coordenadas de referencia la latitud y la longitud Lat 22587 Long -80244
Para ello se utilizaron modelos estadiacutesticos que permitieron obtener varios valores de radiacioacuten solar directa (DNI) teniendo en cuenta la posicioacuten geograacutefica del lugar y el diacutea del antildeo que se analiza dicha radiacioacuten En este caso se usoacute la foacutermula para condiciones normales
DNI = 1230 ∙ e^ (minus1
38∙cos∙(120579120579120579minus16)) (1)
27
Doacutende
Aacutengulo de incidencia solar θs El valor del aacutengulo de incidencia (θs) sobre la normal a una superficie plana estaacute dado por la siguiente foacutermulaθs
120579119904 = cosminus1(sin 119889 ∙ sin 119871 ∙ cos 119904 minus sin 119889 ∙ cos 119871 ∙ sin 119904 ∙ cos 119892 + cos 119889 cos 119871 ∙ cos 119904 ∙ cos 119908 +cos 119889 ∙ sin 119871 ∙ sin 119904 ∙ cos 119908 ∙ cos 119892 + cos 119892 ∙ sin 119904 ∙ sin 119892 ∙ sin 119908) (2)
Doacutende
d- Aacutengulo de declinacioacuten L- Latitud geograacutefica s- Inclinacioacuten del colector g- Orientacioacuten del colector w- Aacutengulo horario
212 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea (nuacutemero de horas en que el sol estaacute
sobre el horizonte)
119915 = 120784 ∙119934119930
120783120787 (3)
Doacutende
119830119826 = 119836119848119852minus120783(minus 119853119834119847 119923 ∙ 119853119834119847 119941) (4)
L-Latitud geograacutefica
d-Declinacioacuten
Se compararon los resultados de DNI por la metodologiacutea utilizada en este trabajo con la base de datos de la NASA (httpeosweblarcnasagovsse 2017)
Aun asiacute los lugares para desarrollar aplicaciones de energiacutea solar teacutermica por concentracioacuten deben cumplir con unos estaacutendares de acuerdo a la radiacioacuten solar perpendicular a la superficie incidente sobre un metro cuadrado para que sea eficiente dicha instalacioacuten lo cual se valora de la siguiente manera
Se tuvieron en cuenta los valores de radiacioacuten solar directa (kWm2diacutea) (GESIME 2014)
No idoacuteneos Hasta 1700 kWhmsup2antildeo (47 kWhmsup2diacutea)
Idoacuteneos Entre 1700 y 2700 kWhmsup2antildeo (47 y 74 kWhmsup2diacutea)
Oacuteptimos Maacutes de 2700 kWhmsup2antildeo (74 kWhmsup2diacutea)
28
213 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
El colector ciliacutendrico paraboacutelico que se propuso fue el (Eurotrough-150) cuyas caracteriacutesticas se observaran en la tabla4 y figura 11
Tabla 4 Caracteriacutesticas del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico Eurotrough-150 (ET-150)
Figura 11 Prototipo EUROTrough en la Plataforma Solar de Almeriacutea Espantildea
Para el caacutelculo del rendimiento global de un Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico hay que realizar un balance energeacutetico teniendo en cuenta las peacuterdidas que suceden en el mismo
Caracteriacutesticas um
Ancho de apertura 577 m
Longitud total de cada colector 150 m
Aacuterea de apertura del colector 8175 m2
Longitud focal 171 m
Longitud del absorbedor 41 m
Radio exterior del absorbedor 0035 m
Radio interior del absorbedor 00325 m
Distancia entre filas de colectores 17 m
Rendimiento Oacuteptico pico 78
Factor de ensuciamiento 95
Disponibilidad 97
29
214 Peacuterdidas geomeacutetricas
La geometriacutea del canal paraboacutelico lleva asociada una disminucioacuten del aacuterea efectiva de captacioacuten Estas peacuterdidas se dividen en dos grupos Peacuterdidas debidas a la posicioacuten relativa de los colectores los cuales se pueden dar sombra unos a otros Peacuterdidas inherentes a cada colector son las debidas al aacutengulo de incidencia de
la radiacioacuten solar (g) respecto a la normal del plano de apertura del colector (figura
12)
Figura 12 Aacutengulo de incidencia en un Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
Como consecuencia de este aacutengulo existe una peacuterdida de superficie reflexiva uacutetil en los extremos del colector Por tanto el aacutengulo de incidencia tiene gran importancia sobre el comportamiento teacutermico del colector puesto que limita la cantidad de radiacioacuten solar que se puede aprovechar Se hizo una comparacioacuten del aacutengulo de incidencia en cuanto a la orientacioacuten y el seguimiento solar del colector ciliacutendrico paraboacutelico
Si la orientacioacuten (g) es de Norte-Sur con seguimiento solar Este-Oeste g = 0ordm
Si la orientacioacuten (g) es de Este-Oeste con seguimiento solar Norte-Sur g = 90ordm
Declinacioacuten seguacuten foacutermula de Cooper (Ribot J 2001)
119889 = 2345 ∙ 119904119890119899 [360 ∙(284+119899)
365] (5)
Siendo ldquonrdquo el nuacutemero de diacutea natural para el 1 de enero n=1 y para el 31 de diciembre
n=365
El aacutengulo horario se calcula seguacuten la foacutermula
30
120591 = 15deg ∙ (ℎ119904 minus 12) (6)
Siendo ldquohsrdquo las horas de reloj El valor es negativo por la mantildeana y positivo tras el mediodiacutea y cero al mediodiacutea solar
Se consideroacute el aacutengulo horario 0ordm por ser el mediodiacutea solar donde maacutes radiacioacuten incide sobre la tierra con el objetivo de simplificar los caacutelculos
Se consideroacute el aacutengulo de inclinacioacuten igual a 0ordm (disposicioacuten horizontal) por ser maacutes eficiente
La latitud del lugar en estudio (UEB uml George Washington uml) Santo Domingo es de 22587ordm
Las peacuterdidas asociadas al aacutengulo de incidencia son miacutenimas cuando el aacutengulo es
0ordm cos 120579119904 = 1 y maacuteximas cuando es 90ordm Por tanto cuanto menor sea el aacutengulo de incidencia mayor es la energiacutea solar incidente sobre el colector y mayor es el rendimiento del mismo
215 Peacuterdidas oacutepticas
Caacutelculo del rendimiento oacuteptico pico del colector 120578119900119901119905119874119900 que es aquel que tiene en
cuenta todas las peacuterdidas oacutepticas que tienen lugar en el captador con un aacutengulo de incidencia de 0ordm 120578119900119901119905119874119900 = 120588 ∙ 120574 ∙ 120591 ∙ 120572 (7)
Donde
120588 Reflectancia no toda la energiacutea incidente es reflejada hacia el tubo absorbedor
120574 Factor de interceptacioacuten no toda la radiacioacuten reflejada por los espejos acaba incidiendo sobre el tubo absorbedor Las causas son diversas imperfecciones en los espejos un mal posicionamiento de los colectores etc
120591 Transmitancia de aquella radiacioacuten que intercepta el tubo de vidrio solo una parte consigue atravesarlo
α Absortancia cantidad de radiacioacuten que absorbe la superficie selectiva del tubo metaacutelico
Ademaacutes de las peacuterdidas debidas al aacutengulo de incidencia existen otras peacuterdidas que se asocian a dicho aacutengulo El efecto del aacutengulo de incidencia en el rendimiento del CCP se cuantifica mediante el modificador por aacutengulo de incidencia 119870(120579119904) Eacuteste considera todas las peacuterdidas oacutepticas y geomeacutetricas que tienen lugar en el captador
para un aacutengulo de incidencia 120579119904 ne 0ordm y que no se tienen en cuenta en el rendimiento oacuteptico pico
31
El modificador por el aacutengulo de incidencia depende directamente del aacutengulo de
incidencia siendo 119870(120579119904) = 1 para 120579119904 = 0deg y siendo 119870(120579119904) =0 para 120579119904 = 90deg y se
obtiene como funcioacuten de eacuteste seguacuten la expresioacuten
119870(120579119904) = 1 minus 223073 ∙ 10minus4 ∙ (120579119904) minus 11 ∙ 10minus4 ∙ (1205791199042) + 318596 ∙ 10minus6 ∙ (120579119904
3) minus 485509 ∙
10minus9 ∙ (1205791199044) (8)
216 Peacuterdidas teacutermicas
Las peacuterdidas teacutermicas que tiene lugar en un CCP dan como consecuencia que la energiacutea teacutermica uacutetil sea menor que la energiacutea solar absorbida por el colector Teniendo en cuenta esto la potencia teacutermica uacutetil por colector seraacute igual la diferencia entre los calores absorbido y perdido
119906119905119894119897 = 119886119887119904 minus 119901119890119903119889 (9)
Doacutende
119906119905119894119897 ∶ 119875119900119905119890119899119888119894119886 119905eacute119903119898119894119888119886 uacute119905119894119897 119901119900119903 119888119900119897119890119888119905119900119903 (119882)
119886119887119904 119862119886119897119900119903 119886119887119904119900119903119887119894119889119900 119901119900119903 119890119897 119891119897119906119894119889119900 119889119890 119905119903119886119899119904119891119890119903119890119899119888119894119886 119889119890 119888119886119897119900119903 (119867119879119865) (119882)
119901119890119903119889 119875eacute119903119889119894119889119886119904 119905eacute119903119898119894119888119886119904 119889119890119897 119867119879119865 119886119897 119886119898119887119894119890119899119905119890 (119882)
Peacuterdidas teacutermicas en el aceite teacutermico (HTF) Las peacuterdidas teacutermicas se producen a lo largo del circuito por donde se mueve el fluido teacutermico principalmente en dos lugares en el tubo absorbedor y en las tuberiacuteas del campo de colectores De manera que la potencia teacutermica disipada en el colector equivale a la suma de las peacuterdidas teacutermicas en el receptor y las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas por donde circula el fluido teacutermico (HTF)
119876119901119890119903119889 = 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 + 119875119890119903119889119905119906119887119890119903 (10)
Las peacuterdidas teacutermicas asociadas al tubo absorbedor 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 se deben a la diferencia de temperaturas entre eacuteste y el ambiente pudiendo ser por conduccioacuten por radiacioacuten y por conveccioacuten desde el tubo absobedor al ambiente Aunque cada una de estas peacuterdidas podriacutea calcularse aplicando las ecuaciones que rigen los mecanismos de transferencia de calor antes mencionados en la praacutectica las peacuterdidas teacutermicas globales en un colector se cuantifican mediante ecuaciones experimentales Asiacute las peacuterdidas teacutermicas en el tubo absorbedor por metro longitudinal de colector vienen dadas por la ecuacioacuten
119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 =1198751198901199031198891+1198751198901199031198892+1198751198901199031198893+1198751198901199031198894
119879119904minus119879119890 (11)
32
Doacutende
1198751198901199031198891 = (1198600 + 1198605 ∙ radic119907) ∙ (119879119904 minus 119879119890) (12)
1198751198901199031198892 = (1198601 + 1198606 ∙ radic119907) ∙ (119879119904
2minus1198791198902
2minus 119879119886119898119887 ∙ (119879119904 minus 119879119890)) (13)
1198751198901199031198893 = (1198602+1198604∙119863119873119868∙119870(120579119904)∙cos(120579119904)
3∙ (119879119904
3 minus 1198791198903)) (14)
1198751198901199031198894 =1198603
4∙ (119879119904
4 minus 1198791198904) (15)
Siendo
119879119904 Temperatura del HTF a la salida del campo solar
119879119890 Temperaturas del HTF a la entrada del campo solar
119879119886119898119887 Temperatura ambiente
119907 Velocidad del viento (ms)
Los coeficientes empleados en las foacutermulas se recogen en la tabla 5
Tabla 5 Coeficientes de peacuterdidas teacutermicas
A0 405
A1 0247
A2 -000146
A3 565E-06
A4 762E-08
A5 -17
A6 00125
En general las peacuterdidas teacutermicas en las tuberiacuteas (119875119890119903119889119905119906119887119890119903 ) del campo de colectores son pequentildeas del orden de 8 Wm2 Finalmente la potencia teacutermica disipada por el aceite teacutermico a su paso por un colector es
33
119901119890119903119889 = 119875119890119903119889119888119900119897119890119888119905 ∙ 119871119888119900119897119890119888119905119900119903 + 119875119890119903119889119905119906119887119890119903 ∙ 119878119888 (16)
Doacutende
119878119888 Aacuterea de apertura del colector (Ver tabla 1)
Un colector como todos los sistemas de concentracioacuten de la energiacutea solar solo puede aprovechar la radiacioacuten solar que incide normal a su plano de apertura De esta forma la energiacutea solar por unidad de tiempo y en el punto de disentildeo que incide sobre la superficie de apertura de un CCP viene dada por la ecuacioacuten
119904119900119897 = 119863119873119868 ∙ cos(120579119904) ∙ 119878119888 (17)
La potencia absorbida por el colector 119886119887119904 va a ser menor que la 119904119900119897 ya que eacutesta uacuteltima no tiene en cuenta las peacuterdidas oacutepticas y geomeacutetricas en el colector ni la limpieza de los espejos ni la disponibilidad del campo solar La radiacioacuten solar absorbida en un colector CCP viene dada por la ecuacioacuten
119886119887119904 = 119863119873119868 ∙ cos(120579119904) ∙ 119878119888 ∙ 119870 ∙ (120579119904) ∙ Ƞ1199001199011199050ordm ∙ 119865119888 ∙ 119865119889119894119904119901 (18)
Siendo
119865119888 Factor de ensuciamiento de los espejos (95 )Tiene en cuenta que aunque los espejos se limpien no recuperan su estado inicial 119865119889119894119904119901 Factor de disponibilidad (97 ) Fraccioacuten del campo solar que estaacute en
operacioacuten y captando la energiacutea solar El rendimiento global de un CCP viene dado por el cociente entre el aumento de entalpia en el HTF a su paso por el colector y la energiacutea solar incidente sobre el captador
Ƞ119888119900119897119890119888 =119876119906119905119894119897
119876119904119900119897 (19)
22 Dimensionamiento del campo solar de la zona de la UEB uml George
Washington uml
El dimensionamiento del campo solar consiste en determinar el nuacutemero de CCPs (o nuacutemero de lazos) necesarios para aportar la energiacutea que demanda este en el punto de disentildeo (Hidalgo 2012)
Para dimensionar el campo solar es necesario evaluar las condiciones del terreno
donde se va a realizar el montaje de los colectores y hacer un balance energeacutetico
del generador de vapor solar
34
221 Caracterizacioacuten del terrero
Se tuvo en cuenta el relieve y el tamantildeo del terreno cercano al central lo que resulto favorable para abaratar la inversioacuten en cuanto a movimientos de tierra y compra de terrenos Los recursos hiacutedricos ya tienen una infraestructura creada puesto que son necesarios para el proceso que realiza la faacutebrica actualmente Esto se basa en posos que bombean el agua hasta los filtros donde se realiza el tratamiento externo al agua y van luego al proceso todo este sistema ya se encuentra instalado y en buenas condiciones lo que resulta de gran ayuda para el proyecto futuro de Bioeleacutectrica
222 Balance energeacutetico en el generador de vapor solar (GVS)
Para calcular el nuacutemero de lazos necesarios en el campo solar es preciso conocer primero la potencia teacutermica que puede aportar el campo solar en el punto de disentildeo esto se determina mediante la foacutermula
119888119886119898119901119900 =119882119890119897119890119888119905
120578119905119906119903119887 (20)
Doacutende
119888119886119898119901119900 Potencia teacutermica del campo solar
119882119890119897119890119888119905 Potencia eleacutectrica de la turbina
120578119905119906119903119887 Eficiencia termo-mecaacutenica de la turbina (Se asumioacute de 68)
Seguidamente hay que establecer el balance de masas y energiacutea en el Generador de vapor solar (GVS) El GVS se disentildea para recuperar la energiacutea del fluido teacutermico procedente del campo solar Para el intercambiador de calor (GVS) se cumple que la cantidad de calor transferido por unidad de tiempo permanece constante o lo que es lo mismo la energiacutea total es la misma antes y despueacutes de cada transformacioacuten El balance energeacutetico en un intercambiador de calor se resuelve mediante la ecuacioacuten
119886119892119906119886 ∙ ∆119867119886119892119906119886 = 119886119888119890119894119905119890 ∙ ∆119867119886119888119890119894119905119890 (21)
Ademaacutes para cada fluido de forma individual se cumple que
= 119886119888119890119894119905119890 ∙ 119862119901119886119888119890119894119905119890∙ ∆119879 = 119898119886119888119890119894119905119890 ∙ (ℎ119904 minus ℎ119890) (22)
Doacutende
∆H Diferencia de entalpiacuteas a la entrada y a la salida del intercambiador (kJkg)
Q Potencia teacutermica intercambiada (kW)
35
m Caudal maacutesico (kgs) Cp Calor especiacutefico (kJkg ordmC)
∆T Diferencia de temperaturas a la entrada y la salida del intercambiador (ordmC) hs he Entalpiacuteas a la entrada y a la salida respectivamente (kJKg) Y seguacuten el teorema de conservacioacuten de la masa se tiene que
119890119899119905119903119886 = 119904119886119897119890
223 Caacutelculo del nuacutemero de lazos
Los caacutelculos que se han desarrollado en los acaacutepites anteriores constituyen los datos de partida para el caacutelculo del nuacutemero de colectores requeridos en el campo solar para poder alcanzar la potencia teacutermica demandada al campo solar
Caracteriacutesticas del aceite teacutermico (HTF)
El aceite teacutermico que se ha empleado como fluido calo-portador es Therminol VP-1 cuyo rango de temperatura de trabajo se encuentra entre 12-400ordmC La temperatura a la salida del campo solar no debe excederse de los 400ordmC ya que para temperaturas superiores el aceite se degrada y pierde sus propiedades teacutermicas A continuacioacuten se presentan las graacuteficas correspondientes a variacioacuten de densidad y entalpiacutea del aceite teacutermico Therminol VP-1 con la temperatura figuras 13 y 14 respectivamente y que han sido elaboradas a partir de datos del fabricante
Figura 13 Therminol VP-1 Entalpiacutea vs Temperatura
36
Figura 14 Therminol VP-1 Densidad vs Temperatura(Hidalgo 2012)
Para determinar el nuacutemero de lazos necesarios en el campo solar se ha seguido la siguiente metodologiacutea de caacutelculo
Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF
Incremento de temperatura del HTF en un colector
Nuacutemero de colectores necesarios por lazo Nuacutemero de lazos en el campo solar
224 Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF por cada lazo
El caudal de aceite estaacute controlado por la temperatura de salida del campo Cuando la radiacioacuten solar es baja el flujo se reduce con el objetivo de mantener la temperatura de salida del campo y por el contrario cuando la radiacioacuten solar es superior a la del punto de disentildeo los colectores se desenfocan para evitar que el aceite exceda los 393ordmC La velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor se calcula a partir de la expresioacuten del nuacutemero de Reynolds
119877119890 =119907∙119863∙120588
120583 (23)
Doacutende
119907 Velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor (ms) (Se asumioacute una
velocidad de 3 ms la cual es una velocidad econoacutemica)
119877119890 Nuacutemero de Reynolds (-)
120583 Viscosidad dinaacutemica del HTF a la temperatura media de trabajo (Pas)
119863 Diaacutemetro interior del tubo absorbedor (m)
120588 Densidad del HTF a la temperatura media de trabajo (kgm3)
37
Para cumplir con los requisitos de flujo turbulento el caudal miacutenimo de aceite que circula por un lazo en el punto de disentildeo es
= 119907 ∙ 119878 ∙ 120588 (24)
Siendo S en m2 la seccioacuten transversal interior del tubo absorbedor
225 Incremento de temperatura del HTF en un colector
La potencia teacutermica uacutetil del colector se invierte en aumentar la temperatura del aceite De esta forma el incremento de temperatura que sufre el aceite teacutermico a su paso por un colector es decir desde que entra en el colector y hasta que sale del mismo es
∆119879119888119900119897119890119888 = 119879119904 minus 119879119888 =uacute119905119894119897
∙119862119901 (25)
∆119879119888119900119897119890119888 Incremento de temperatura del aceite teacutermico en el colector (ordmC)
119879119888 119879119904 Temperatura del HTF a la entrada y a la salida del colector respectivamente
(ordmC)
119906119905119894119897 Potencia teacutermica uacutetil por colector (W)
Caudal maacutesico de aceite teacutermico por colector (kgs)
119862119901 Calor especiacutefico del aceite teacutermico a la temperatura media de trabajo (kJkg ordmC)
226 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
El incremento total de temperatura del HTF por lazo ΔT lazo es igual a la diferencia entre las temperaturas a la salida y a la entrada del campo solar Por tanto el nuacutemero teoacuterico de colectores en serie por lazo seraacute igual a
119873119888119900119897119890119888 =∆119879119897119886119911119900
∆119879119888119900119897119890119888 (26)
119873119888119900119897119890119888 Nuacutemero teoacuterico de colectores por lazo
∆119879119897119886119911119900 Incremento de temperatura por lazo (ordmC)
Esto implica el salto teacutermico y caudal maacutesico por lazo que es necesario tener el aceite para asiacute poder alcanzar la temperatura de entrada del agua en el economizador
227 Nuacutemero de lazos en el campo solar
A diferencia del nuacutemero de colectores que viene fijado por el salto de temperatura del aceite teacutermico en el campo el nuacutemero de lazos paralelos que conforman el campo solar depende de la potencia teacutermica demanda por el campo El nuacutemero de lazos es igual al cociente entre la potencia teacutermica del campo solar y la potencia teacutermica uacutetil por colector
38
119925119949119938119963119952 =119940119938119950119953119952
uacute119957119946119949 119935119949119938119963119952 (27)
Doacutende
119925119949119938119963119952 Nuacutemero de lazos
119940119938119950119953119952 Potencia teacutermica del campo solar (kW)
uacute119957119946119949 Potencia teacutermica uacutetil por lazo (kW)
23 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un
antildeo)
Para el caacutelculo de las toneladas de CO2 dejadas de emitir se utilizaraacute el iacutendice de
generacioacuten de una planta convencional de combustible foacutesil que para Cuba es de
270 gkWh Con este iacutendice y el aumento de la produccioacuten de energiacutea eleacutectrica con
la incorporacioacuten del campo solar se calcularaacute el ahorro de combustible foacutesil y a este
valor de combustible sustituido y el uso de los factores de emisioacuten de CO2 mostrados
en la siguiente (tabla 6) se podraacute determinar cuaacutentas toneladas de CO2 es capaz de
evitar la instalacioacuten del campo solar
Tabla 6 Factores de emisioacuten de especies especificadas
Tecnologiacutea CO (gkgf) SO2 (gkgf) NO2eq (gkgf) PM10
(gkgf)
CO2
(kgkgf)
CIE-HFO 24 27 128 528 306
CIE-DO 12 4 84 195 313
Fuente (EPA 2004)
24 Factibilidad econoacutemica del proyecto
Para el caacutelculo de la rentabilidad econoacutemica se optimizoacute la dimensioacuten del campo solar que fuera maacutes rentable para este trabajo donde se tuvo en cuenta el nuacutemero de lazos necesarios del campo y la tasa interna de retorno
241 Valor actual neto (VAN)
El VAN permite calcular el valor presente de un determinado nuacutemero de flujos de caja futuros originados por una inversioacuten teniendo en cuenta la peacuterdida de valor del dinero en el tiempo a traveacutes de una tasa de descuento (Martiacutenez 2017) y se calcula mediante la siguiente ecuacioacuten
39
(28)
Donde
119868119900 Costo inicial de la inversioacuten FC Flujo de caja n El tiempo para el cual se requiere calcular el VAN i La tasa de descuento Meacutetodo de caacutelculo mediante el Excel Para calcular el VAN es necesario conocer el flujo de caja teniendo en cuenta los ingresos y los gastos Ingresos El ingreso es debido a la venta de energiacutea eleacutectrica a la red para ello se utilizoacute un precio de 021 (USDkWh) Ingresos por ventas
119868119899119892119903119890119904119900=119875119903119890119888119894119900 (119880119878119863119896119882ℎ)lowast119864119899119890119903119892iacute119886 (29) Gastos Costo fijo de operacioacuten y mantenimiento Se calcula primero la inversioacuten total mediante la ecuacioacuten siguiente
119894119899119907119890119903119904119894oacute119899 119905119900119905119886119897=119862119900119904119905119900 119906119899119894119905119886119903119894119900 119889119890 119894119899119907119890119903119904119894oacuten (119880119878119863119896119882119890)lowast119875119900119905119890119899119888119894119886 (kWe) (30) Entonces se calcula el costo fijo de operacioacuten y mantenimiento
119862119891=119894119899119907119890119903119904119894oacute119899 119905119900119905119886119897lowast02 (31) Donde
119862119891 Costo fijo de operacioacuten y mantenimiento
Costo variable de operacioacuten y mantenimiento
119862119907=119864119899119903119892iacute119886 (119896119882ℎ)lowast002(119880119878119863119896119882ℎ) (32)
Donde
119862119907 Es el costo variable de operacioacuten y mantenimiento A continuacioacuten se calcula la utilidad antes de impuesto que es la diferencia entre los ingresos y los costos de operacioacuten fijo y variable 119880119879119860=119894119899119892119903119890119904119900minus(119862119891+119862119907) (33)
Donde
119880119879119860 Es la utilidad antes de impuesto o neta Entonces el impuesto en Cuba es del 35 de la utilidad neta
40
119868119898119901119906119890119904119905119900=035lowast(119880119878119863) (34)
El flujo de caja quedariacutea como
119865119888=119880119879119860 (119880119878119863)minus119868119898119901119906119890119904119905119900 (119880119878119863) (35)
Teniendo el flujo de caja se puede calcular el VAN aplicando la tasa de descuento
del 10
Si VAN gt 0 El proyecto es rentable
Si VAN = 0 El proyecto es postergado
Si VAN lt 0 El proyecto no es rentable
242 Tasa interna de retorno (TIR)
Se define como la tasa de descuento que iguala el VAN a cero
Si TIR gt tasa de descuento (r) El proyecto es aceptable
Si TIR = tasa de descuento (r) El proyecto es postergado
Si TIR lt tasa de descuento (r) El proyecto no es aceptable La TIR es aquella tasa de descuento que iguala el valor actual de la corriente de cobros con el valor actual de la corriente de pagos por lo que es la tasa de descuento que hace al VAN igual a cero y puede utilizarse como indicador de la rentabilidad de un proyecto se utiliza como uno de los criterios para decidir sobre la aceptacioacuten o rechazo de un proyecto de inversioacuten (Martiacutenez 2017) y se puede expresar de la siguiente forma
(36) Para simplificacioacuten de los caacutelculos se utilizoacute el software Microsoft Excel que de forma iterativa busca este valor se utilizoacute la estimacioacuten de los flujos de caja para 25 antildeos al igual que para el caacutelculo del VAN
243 Periacuteodo de recuperacioacuten de la inversioacuten
El periacuteodo de recuperacioacuten se cumple cuando la suma de los flujos de caja consecutivos desde el primer antildeo da como resultado el valor de la inversioacuten pero teniendo en cuenta el efecto del tiempo sobre el dinero Calculado de esta manera se conoce como periacuteodo de recuperacioacuten de la inversioacuten descontado Para obtenerlo se hallaron todos los flujos de caja para 25 antildeos consecutivos que es el tiempo de estudio del proyecto entonces se le restoacute el descuento correspondiente a cada antildeo y se graficoacute el resultado quedando como una curva
41
Conclusiones parciales
En este capiacutetulo se realizoacute un estudio de la metodologiacutea de caacutelculo para la
realizacioacuten del dimensionamiento del campo solar para la tecnologiacutea de colectores
cilindro paraboacutelico para esto se escogioacute la metodologiacutea planteada por (Hidalgo
2012) Siendo fundamental el estudio de la radiacioacuten solar de la zona en que estaacute
situada la instalacioacuten Tambieacuten se tuvo en cuenta el acceso a los recursos hiacutedricos
y la cercaniacutea a la red eleacutectrica nacional lo cual no tuvo ninguna dificultad puesto
que donde se pretende ubicar el campo ya existe una instalacioacuten con todas estas
necesidades cubiertas que es el central al cual se pretende convertir en
bioeleacutectrica Luego de estos anaacutelisis y una vez dimensionado el campo solar se
realizoacute el caacutelculo de la rentabilidad econoacutemica seguacuten lo planteado por (Martiacutenez
2017) planteaacutendose como principales indicadores econoacutemicos el costo nivelado de
la energiacutea generada costo de inversioacuten VAN y TIR El impacto ambiental se tuvo
en cuenta mediante el caacutelculo de las emisiones de CO2 dejadas de emitir si la
energiacutea generada con el excedente de bagazo ahorrado por la insercioacuten del campo
hubiera sido generada por una planta teacutermica convencional
42
Capiacutetulo 3 Resultados y Discusioacuten
En este capiacutetulo se exponen los resultados de los caacutelculos efectuados y a la vez se
interpreta el porqueacute de estos asiacute como la discusioacuten de las bibliografiacuteas consultadas
31 Caacutelculo del potencial solar en la zona de la UEB umlGeorge Washington uml
311 Caacutelculo de la radiacioacuten solar directa
Para el caacutelculo de la radiacioacuten solar directa (DNI) primeramente se halloacute el aacutengulo
de declinacioacuten de cada mes Dicho aacutengulo se anuloacute para el 22 de Marzo y el 23 de
Septiembre puesto que ocurren los equinoccios momento del antildeo en que el sol estaacute
situado en el plano del ecuador terrestre y alcanzoacute el valor maacuteximo positivo el 22 de
Junio y el valor maacuteximo negativo el 22 de diciembre diacuteas en que ocurren los
solsticios que son los momentos del antildeo en los que el sol alcanza su mayor o menor
altura aparente en el cielo y la duracioacuten del diacutea o de la noche son las maacuteximas del
antildeo respectivamente (figura 15)
Figura 15 Aacutengulo de declinacioacuten para los diferentes meses del antildeo
Los valores de DNI que inciden en la zona de la UEB umlGeorge Washingtonuml se
mantuvieron como promedio por encima de 10 kWhm2diacutea seguacuten la metodologiacutea
de caacutelculo empleada siendo oacuteptimos para la instalacioacuten de este tipo de tecnologiacutea
Esto pudiera ser debido a que por la metodologiacutea de caacutelculo solo se tuvo en cuenta
la latitud geograacutefica y el diacutea del antildeo en que se analizoacute dicha radiacioacuten por esta
razoacuten se observoacute que sus valores fueron mayores que los valores de radiacioacuten solar
-30
-20
-10
0
10
20
30
Gra
dos s
exagesim
ale
s
Aacutengulo de declinacioacuten
43
directa que aporta la base de datos de la NASA (httpeosweblarcnasagovsse
2017) como promedio 506 kWhm2diacutea y los aportados por el Instituto de
Meteorologiacutea cubano para esta zona (como promedio 582 kWhm2diacutea) idoacuteneo para
este tipo de tecnologiacutea de los datos de radiacioacuten analizados se utilizoacute para los
caacutelculos siguientes de dimensionamiento del campo los aportados por el instituto de
meteorologiacutea cubano por ser los maacutes especiacuteficos y detallados de todas las fuentes
consultadas Algunos meses como noviembre y diciembre no alcanzan el valor
idoacuteneo de 47 kWhm2-diacutea sin embargo (La Rosa 2014) planteoacute que Cuba se
localiza en una zona geograacutefica de alta radiacioacuten solar y que se caracteriza por la
gran cantidad de diacuteas soleados en el antildeo
Figura 16 Comparacioacuten entre el DNI calculado por la metodologiacutea el aportado por la NASA
y el obtenido por el Instituto de Meteorologiacutea cubano
En cada metro cuadrado del territorio cubano se recibe diariamente una cantidad de
energiacutea solar equivalente a medio kilogramo de petroacuteleo combustible valor
promedio praacutecticamente invariable durante todo el antildeo Otra de las caracteriacutesticas
de la radiacioacuten solar en Cuba es que su valor es casi igual en todo el paiacutes ya que
la diferencia en latitud desde el lugar maacutes bajo hasta el maacutes alto es de soacutelo 3 grados
Por lo tanto la radiacioacuten solar en Cuba es utilizable en todo el territorio y durante
todo el antildeo con un valor medio de maacutes de 5 kWhm2diacutea tanto en su forma de
bioenergiacutea o biomasa energiacutea hidraacuteulica energiacutea eoacutelica o directamente convertida
en calor o electricidad (Beacuterriz 2000)
0
2
4
6
8
10
12
14
DN
I (k
Whm
2-d
iacutea)
meses
Radiacioacuten solar
Calculado NASA Meteorologiacutea cubana
44
312 Caacutelculo de la duracioacuten diurna del diacutea
Luego de haber calculado la semiduracioacuten diurna en grados sexagesimales (WS)
para cada diacutea del antildeo en la zona de la UEB umlGeorge Washingtonuml se calcularon las
horas de luz solar durante el diacutea lo cual se muestra promediado en la tabla 7 donde
se ve que esta es mayor que 10 horas asiacute como tambieacuten se observa que son maacutes
largos los diacuteas en los meses de verano (Abril-Agosto)
Tabla 7 promedio de horas de sol al diacutea por meses del antildeo
32 Caacutelculo del rendimiento global del Colector Ciliacutendrico Paraboacutelico (CCP)
Se realizoacute el balance energeacutetico del CCP teniendo en cuenta las peacuterdidas que
sucedieron en el mismo debido a su fabricacioacuten y a su posicioacuten
321 Peacuterdidas geomeacutetricas
Peacuterdidas debidas a la posicioacuten relativa de los colectores
En este trabajo no se tuvo en cuenta las peacuterdidas por sombras ya que se asumioacute
que la construccioacuten de estos colectores iba a estar lo suficientemente separados
para que no se pudieran dar sombra unos a otros
Peacuterdidas inherentes a cada colector
Se comparoacute el aacutengulo de incidencia en cuanto a la orientacioacuten y el seguimiento solar
del colector ciliacutendrico paraboacutelico Se seleccionoacute la orientacioacuten N-S con seguimiento
solar E-O por lo que se seleccionoacute para el caacutelculo del resto de las variables (g = 0)
Para la inclinacioacuten del colector se tomoacute con eje horizontal (s = 0) Se consideroacute el
aacutengulo horario 0ordm por ser el mediodiacutea solar donde maacutes radiacioacuten incide sobre la
tierra con el objetivo de simplificar los caacutelculos
Con los datos calculados anteriormente se halloacute el aacutengulo de incidencia (figura 17)
En este caso se observa que a diferencia de la radiacioacuten solar directa el aacutengulo de
incidencia es menor para los meses de verano reafirmando que a menor aacutengulo de
incidencia mayor la radiacioacuten que va a captar el colector
enero febrero marzo abril mayo junio julio agosto septiembre octubre noviembre diciembre
108 112 119 125 131 134 132 127 121 114 109 106
45
Figura 17 Aacutengulo de incidencia por meses para una orientacioacuten N-S con seguimiento solar
E-O
322 Peacuterdidas oacutepticas
Las caracteriacutesticas oacutepticas del colector ET-150 se reflejaron en la tabla 8 y con estas
se calculoacute el rendimiento oacuteptico
Tabla 8 Caacutelculo del rendimiento oacuteptico
Rendimiento oacuteptico
ntilde Reflectividad superficie reflectora 090
ocirc Transmisividad del cristal absorbedor 095
aacute Absortividad del tubo del absorbedor 096
ɣ Factor de interceptacioacuten 095
Ƞopt0ordm= 078
Cuanto mayor es el valor del rendimiento oacuteptico mayor seraacute el rendimiento del
captador Asiacute cuanto mayor sea el valor de las variables que lo definen mejor seraacute
el rendimiento de los captadores (Rojas 2013)
Ademaacutes de las peacuterdidas debidas al aacutengulo de incidencia existen otras peacuterdidas que
se asocian a dicho aacutengulo El efecto del aacutengulo de incidencia en el rendimiento del
CCP se cuantifica mediante el modificador por aacutengulo de incidencia 119870(120579119904)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Gra
do
s se
xage
sim
ale
s
Aacutengulo de incidencia
46
323 Peacuterdidas teacutermicas
Se calculoacute la potencia teacutermica uacutetil la potencia teacutermica absorbida y la potencia
teacutermica perdida La energiacutea teacutermica uacutetil fue menor que la energiacutea teacutermica absorbida
Esto es debido a las peacuterdidas teacutermicas que se presentan en este tipo de tecnologiacutea
Durante los meses de verano existioacute un descenso de las diferentes potencias
calculadas a causa de las condiciones de nubosidad (lluvia) para esta eacutepoca del
antildeo (figura 18) Para los meses de invierno las potencias decrecieron debido a la
disminucioacuten de la radiacioacuten solar tiacutepico en esta eacutepoca del antildeo
Figura 18 Energiacutea solar por unidad de tiempo radiacioacuten solar absorbida en un colector
peacuterdidas teacutermicas y potencia teacutermica uacutetil para todos los meses del antildeo
Estas peacuterdidas teacutermicas influyeron negativamente en el rendimiento global del
colector CCP ET-150 que tuvo un valor aproximado al 70 Para los meses de
verano hubo un mayor rendimiento aunque este se vio afectado por la nubosidad
El funcionamiento teacutermico de cualquier captador solar estaacute determinado por el
llamado rendimiento global definido como la relacioacuten entre la potencia teacutermica que
es capaz de proporcionar o potencia teacutermica uacutetil y la potencia procedente del Sol
que se tome como referencia No toda la potencia solar puede ser absorbida por el
receptor Existen una serie de peacuterdidas de energiacutea debidas tanto a la geometriacutea y
oacuteptica del captador como a las propiedades de los materiales del propio receptor
que hay que tener en cuenta (Rojas 2013)
16
161
162
163
164
165
166
167
168
169
17
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Qp
er(
kW
h)
Qso
lu
til(
kW
h)
meses
Peacuterdidas teacutermicas
Qsol Qutil Qperd
47
33 Dimensionamiento del campo solar
331 Caracterizacioacuten del terrero
El terreno del central George Washington es llano desprovisto de grandes
obstaacuteculos que puedan crear dificultades en la construccioacuten del campo y crear
sombras que entorpezcan la radiacioacuten del sol en los espejos reflectores Estaacute
cercano a la carretera y consta con posos que facilita el acceso a los recursos
hiacutedricos en el emplazamiento Estaacute solucionado el problema de la conectividad a la
red eleacutectrica nacional puesto que el central ya contaba con esta infraestructura Por
lo tanto posee las condiciones idoacuteneas para la instalacioacuten de un campo solar
332 Balance energeacutetico en el intercambiador de calor
A partir de la temperatura que se quiere elevar el agua de alimentacioacuten de la caldera
(260 oC) y el flujo de esta (255 kgs) se determina una cantidad de energiacutea teacutermica
que debe suministrar el campo para suplir esta demanda Dicha energiacutea teacutermica se
logra a traveacutes de la radiacioacuten solar captada por los colectores la cual es transferida
en forma de calor a un fluido portador en este caso aceite HTF Este necesita un
determinado flujo para absorber toda esa energiacutea y luego transferirla al agua Los
caudales necesarios para la captacioacuten de este calor se encuentran en la (tabla 9)
Tabla 9 Paraacutemetros termodinaacutemicos en el intercambiador de calor
Datos Agua de
alimentacioacuten Aceite teacutermico
Caudal(kgs) 255 462
Temperatura(ordmC) 166 300
Presioacuten (bar) 67 25
Entalpiacutea (kJkg) 6974 490
Con estos datos se concluye que para calentar un flujo de agua de 255 kgs (a
temperatura de 166ordmC y presioacuten de 67 bar) hasta alcanzar una temperatura de
260ordmC se necesita un flujo de energiacutea teacutermica de 106225 kW lo cual es
proporcionada por 462 kgs de aceite teacutermico proveniente del campo solar que estaacute
a una temperatura de 300ordmC y presioacuten de 25 bar
48
333 Caacutelculo del nuacutemero de lazos
3331 Caacutelculo del caudal miacutenimo de circulacioacuten del fluido de transferencia de
calor (HTF) por cada lazo
Para que exista un flujo turbulento por el interior del tubo absorbedor a una velocidad
del fluido econoacutemica de 3 ms el caudal miacutenimo de circulacioacuten debe ser de 86 kgs
(tabla 10)
Tabla 10 Caudal miacutenimo de circulacioacuten del fluido de transferencia de calor (HTF) por
cada lazo
Caudal miacutenimo de circulacioacuten del HTF por cada lazo 86 kgs
Nuacutemero de Reynolds 874E+5
Velocidad del HTF por el interior del tubo absorbedor 3 ms
Viscosidad dinaacutemica del HTF a la temperatura media de
trabajo 194E-04 kgmmiddots
Densidad del HTF a la temperatura media de trabajo 870 Kgm3
3332 Incremento de la temperatura del HTF en un colector
Para calentar el flujo de aceite de 200 a 300ordmC lo cual equivale a un salto teacutermico
por lazo de 100ordmC es necesario 4 colectores por lazo Por tanto el salto de
temperatura promedio del HTF a su paso por un colector es aproximadamente de
283ordmC (tabla 11)
Tabla 11 Salto de temperatura promedio del HTF a su paso por un colector
meses ∆119931119949119938119963119952() ∆119827119836119848119845119838119836() 119821119845119834119859119848119852
Enero 100 248 40
Febrero 100 263 38
Marzo 100 301 33
Abril 100 343 29
Mayo 100 333 30
Junio 100 318 31
Julio 100 325 31
Agosto 100 330 30
Septiembre 100 286 35
Octubre 100 262 38
Noviembre 100 202 50
Diciembre 100 186 54
49
3333 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
El nuacutemero de colectores necesarios por lazo para cada mes se refleja en la (tabla
12) Con este resultado se concluye que la cantidad de colectores totales que debe
tener cada lazo del campo solar es aproximadamente de 4
Tabla 12 Nuacutemero de colectores necesarios por lazo para cada mes del antildeo
Meses Nuacutemero de colectores necesarios por lazo
Enero 40
Febrero 38
Marzo 33
Abril 29
Mayo 30
Junio 31
Julio 31
Agosto 30
Septiembre 35
Octubre 38
Noviembre 50
Diciembre 54
3334 Nuacutemero de lazos en el campo solar
Al ser la potencia teacutermica del campo solar 106225 kW y ser la potencia teacutermica uacutetil
promedio por lazo aproximadamente de 26556 kW el nuacutemero de lazos necesarios
por campo solar debe ser aproximadamente de 4
Para generar 106 MW teacutermico con una radiacioacuten promedio de 5355 Wm2 para todo
un antildeo la dimensioacuten del campo solar debe ser de 44448 m2 Esto se logra con un
total de 4 lazos con 4 colectores cada uno
334 Caacutelculo del ahorro de bagazo propiciado por el campo
Una de las ideas fundamentales de este proyecto es el ahorro de bagazo para su
uso fuera de temporada y asiacute no parar la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica por la
ausencia de combustible Para esto se halloacute el iacutendice de generacioacuten con el campo
(tabla 13) quedando un ahorro de maacutes de 25 mil toneladas de bagazo Pudiendo
dar un margen de 30 diacuteas maacutes de generacioacuten de electricidad lo que equivale a maacutes
de 14 mil MWe
50
Tabla 13 Generacioacuten en el periacuteodo de zafra y ahorro de bagazo propiciados por el campo
solar
Generacioacuten eleacutectrica total 111063 MWh
Iacutendice de generacioacuten sin campo 500 kWhtb
Iacutendice de generacioacuten con campo 575 kWhtb
Ahorro de bagazo 251586 TonZafra
Porciento de bagazo ahorrado 14
Generacioacuten con el excedente de Bagazo 14463 MWh
Seguacuten los datos de la tabla 13 y suponiendo que la zafra sea de 120 diacuteas sin contar
las paradas este resultado extenderiacutea la generacioacuten de energiacutea eleacutectrica a 232 diacuteas
aproximadamente maacutes de la mitad del antildeo y solo se necesitariacutea para los restantes
133 diacuteas del antildeo abastecerse por medio de otra fuente como pudiera ser bagazo
aportado por centrales cercanos que funcionaran como tributarios o utilizar otro
combustible complementario como los residuos agriacutecolas cantildeero lentildea o carboacuten de
marabuacute
34 Caacutelculo del impacto ambiental (toneladas de CO2 dejadas de emitir en un
antildeo)
Para el caacutelculo se halloacute el ahorro de combustible foacutesil con la incorporacioacuten del campo
solar De la (tabla 14) mostrada en el capiacutetulo anterior se tomoacute el valor para las
emisiones de CO2 que fue de 306 kgkgf lo que reflejoacute los siguientes resultados
Tabla 14 Ahorro de combustible y emisiones de CO2 dejadas de emitir propiciado por el campo
Iacutendice de generacioacuten de una planta
teacutermica convencional en Cuba 270 gkWh
Ahorro de combustible Foacutesil 3888 TCC
CO2 dejado de emitir 11897 Ton
35 Factibilidad econoacutemica del proyecto
Para los caacutelculos de factibilidad econoacutemica en este proyecto se ha tomado los
siguientes valores (tabla 15)
51
Tabla 15 Valores necesarios para el caacutelculo de la factibilidad econoacutemica
Precio de la electricidad 021 $kWh
Impuestos 30
Tasa de descuento 10
Vida uacutetil 25 antildeos
Tambieacuten se tuvieron en cuenta los costos de inversioacuten del campo solar (tabla 16)
Tabla 16 Costos de Inversioacuten del campo solar Fuente (IDEA 2013)
Captacioacuten y concentracioacuten de
energiacutea solar
Campo solar(CCP)
espejos 35 Eur m2
apertura
130800 m2
457800
euros
estructuras
metaacutelicas
72 Eur m2
apertura
13080
m2
941760
euros
sistemas de
posicionamiento
6600 Eurunid
16
unidades
108585
euros
movimiento de
tierras
21 Eur m2
apertura
13080
m2 27468000 euros
cimentacioacuten 37 Eur m2
apertura
13080
m2 48396000 euros
montaje 43 Eur m2
apertura
13080
m2 56244000 euros
nave de montaje 545 Eur m2
apertura
13080
m2 7128600 euros
costo total
2900511
euros
Sistema de conversioacuten solar teacutermico
aceite teacutermico 283 Eurkg
100
Kg 283 euros
tubos
absorbedores
892 Eurtubo
16
tubos
14675
euros
juntas rotativas 190 Eur unid 33 unidades 625187 euros
tuverias valvulas y
accesorios
13400 Eurlazo 4 lazos 4915834 euros
sistTrasiego
aceites
87000 Eurlazo 4 lazos 31916236 euros
sistPurificacioacuten
de aceite
380000 Eur unid 1 unidades 380000 euros
ProteccContra
incendios
11400 Eurlazo 1 lazos 11400 euros
sistInertizacioacuten 5900 Eurlazo 1 lazos 5900 euros
52
Intercambiador
aceite-vapor
240 EurkW 10623 kWe 2549400 euros
calderas GV 53 EurkWt - 0 euros
costo total 33362310 euros
TOTAL DEL COSTO DE INVERSIOacuteN
9137253
euros
9959606
doacutelares
Tabla 17 Costos de operacioacuten y mantenimiento (OampM) del campo solar en millones de
euros (MEUR MWantildeo) Fuente (IDEA 2013)
Personal 001 MEUR MWantildeo
Mantenimiento 004 MEUR MWantildeo
Otros 002 MEUR MWantildeo
total 007 MEUR MWantildeo
Tabla 18 Costos de operacioacuten y mantenimiento (OampM) del campo solar en MEUR Fuente
(IDEA 2013)
Potencia del
campo solar
11 MW
Personal 011
Mantenimiento 042
Otros 021
total 074
Esto equivale a un costo fijo de 1772000 doacutelares en operacioacuten y mantenimiento
Paraacutemetros operativos
Venta de electricidad 21 centkWh
Produccioacuten de electricidad solar 144626 MWhantildeo
Costos OampM campo solar 289252 USD antildeo
Costo nivelado de la energiacutea generada
Este costo se determinoacute al sumar los costos variables el de inversioacuten total y los
costos de operacioacuten y mantenimiento luego se dividioacute entre la generacioacuten total de
la planta en los 25 antildeos de vida uacutetil de esta tecnologiacutea quedando de 0032$kWh
351 Tasa interna de retorno (TIR)
Con un campo de 16 colectores y para las condiciones de este proyecto se obtuvo
una TIR de
TIR= 30
La TIR calculada fue mayor que la tasa de descuento por tanto el proyecto es
aceptable
53
352 Valor actual neto (VAN)
El valor actual neto es positivo con un valor que asciende a $ 34116545 por lo que
se cumple la condicioacuten de VAN mayor que cero por lo que el proyecto es rentable
353 Periacuteodo de recuperacioacuten (PR)
El tiempo en que se recupera esta inversioacuten es de aproximadamente 9 antildeos (figura
18)
Los costos de inversioacuten incluyen costes de Ingenieriacutea obtencioacuten de los permisos
necesarios y autorizaciones administrativas obra civil y equipo electromecaacutenico
Los beneficios corresponden a las ventas anuales de electricidad una vez
deducidos los gastos de operacioacuten y mantenimiento En general se estima en el
sector que para que una inversioacuten sea interesante el periacuteodo de recuperacioacuten no
debe exceder de 7 antildeos (Penche 1998) Este proyecto excede en dos antildeos lo
planteado por (Penche 1998) aunque sigue siendo factible e interesante para las
condiciones del paiacutes ya que como plantea el problema de investigacioacuten el principal
intereacutes de este trabajo es aumentar los diacuteas de generacioacuten de electricidad Debido
al problema que presenta Cuba con los iacutendices de generacioacuten se hace necesario
una mejora en este sector a toda costa priorizando esto quedando asiacute los periodos
de recuperacioacuten por detraacutes de este intereacutes primordial
Figura 19 Periacuteodo de recuperacioacuten en antildeos
Teniendo en cuenta estos tres iacutendices econoacutemicos calculados que se tuvieron en
cuenta para la rentabilidad econoacutemica de este proyecto se obtiene como resultado
que dicho proyecto es econoacutemicamente factible
-15000000
-10000000
-5000000
0
5000000
10000000
15000000
20000000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Doacutela
res
Antildeos
Periacuteodo de recuperacioacuten de la invercioacuten
54
Conclusiones
La tecnologiacutea de plantas hibridas solar-biomasa para el caso de Cuba es
potencialmente factible a partir de los valores encontrados de radiacioacuten solar
directa en todo el territorio alcanzando estos maacutes de 5 kWhm2-dia durante
todo el antildeo siendo favorable para la implementacioacuten de esta tecnologiacutea
El rendimiento global de cada colector tiene un valor aproximado del 70
debido a las peacuterdidas geomeacutetricas oacutepticas teacutermicas y por las condiciones
meteoroloacutegicas del lugar puesto que al ser Cuba una isla rodeada de mar
hay ocurrencia de un gran nuacutemero de precipitaciones y cielos nublados al
antildeo que afectan considerablemente el factor de disponibilidad del campo
solar
El campo solar tendraacute 4 colectores por lazo y 4 lazos por campo con una
potencia teacutermica de 106 MW lo que representa un aacuterea de casi 45 ha
aumentaacutendose el iacutendice de generacioacuten de electricidad de la planta con su
conversioacuten en planta hibrida (solar-biomasa) de 500 kWhtb a 575 kWhtb
Con la implementacioacuten del proyecto propuesto (hibridacioacuten biomasa-energiacutea
solar) se puede lograr un ahorro de 251586 toneladas de bagazo por zafra
lo que equivale a 30 diacuteas adicionales de generacioacuten eleacutectrica de la planta lo
que extenderiacutea la generacioacuten en la bioeleacutectrica a unos 230 diacuteas acercaacutendose
cada vez maacutes a lo previsto por la poliacutetica existente en el paiacutes de conversioacuten
de centrales en bioeleacutectricas de llegar a los 300 diacuteas Pudieacutendose saldar los
70 diacuteas faltantes con combustibles alternativos como el RAC y el marabuacute con
gran abundancia en nuestros campos
La implementacioacuten en la UEB George Washington de la hibridacioacuten permitiriacutea
anualmente con el excedente de bagazo obtenido una generacioacuten de
electricidad adicional de 145 GWh con una disminucioacuten de 11897 toneladas
de emisiones de CO2 funcionando como una fuente de empleo considerable
para los habitantes de este lugar
El estudio de la hibridacioacuten solar-biomasa en la UEB George Washington
indica que un proyecto de este tipo es factible con una inversioacuten de casi 10
millones de doacutelares logra como resultados maacutes importantes un VAN de maacutes
de 34 millones una TIR de 30 un PRD de aproximadamente 9 antildeos y un
costo nivelado de la electricidad de 0032 $kWh valor de gran motivacioacuten
para la implementacioacuten de esta tecnologiacutea
55
Recomendaciones
Extender el estudio de factibilidad de plantas de energiacutea hiacutebridas biomasa
solar a otros centrales azucareros del paiacutes que se prevean convertir en
bioeleacutectricas
Incluir en la metodologiacutea de anaacutelisis empleada en este trabajo para futuros
estudios otro tipo de tecnologiacuteas de concentracioacuten como pudiera ser la de
colector lineal Fresnel cuya aplicacioacuten ha venido en aumento en los uacuteltimos
antildeos a nivel mundial
Profundizar en el estudio de factibilidad de este proyecto analizando la
influencia de la variacioacuten de paraacutemetros como el salto entaacutelpico en el
intercambiador de calor del campo solar para la optimizacioacuten del disentildeo del
campo solar
56
Bibliografiacutea
BEacuteRRIZ L MADRUGA E 2000 Cuba y las fuentes renovables de energiacutea CUBASOLAR pp 29
CENGEL Y 2012 Termodinaacutemica Meacutexico DF
DAVID A 2007 Business and Finance Israeli Company to build largest solar park in world in US [Online] Available (httpwwwynetnewscom) [Accessed 10 febrero 2018]
E BURIN T V S MULTHAUPT A THELEN G OELJEKLAUS K GOumlRNER E BAZZO 2016 Thermodynamic and economic evaluation of a solar aided sugarcane bagasse cogeneration power plant THE 28TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON EFFICIENCY COST OPTIMIZATION SIMULATION AND ENVIRONMENTAL IMPACT OF ENERGY SYSTEMS
EPA Factor Information REtrieval (FIRE) Software Technology Transfer Network Clearinghouse for Inventories amp Emissions Factors 2004
GACETA 2007 Estrategia Ambiental Nacional Ministerio de Justicia 30 ed Gaceta Oficial Republica de Cuba
GESIME 2014 Conceptualizacioacuten del programa de desarrollo de la energiacutea solar teacutermica en Cuba 2014-2020 MINEM Desarrollado por grupo de desarrollo de la energiacutea solar teacutermica Grupo Empresarial de la Industria Sidero-Mecaacutenica 36
GUTIEacuteRREZ E 2013 ldquoEl azuacutecar cubano adquiere protagonismo energeacuteticordquo Diarios latinoamericanos de Tierrameacuterica
HERRERA I 2016 Poligeneration Workshop KTH Universidad Central Marta Abreu de Las Villas
HIDALGO L 2012 Estudio Teacutecnico-econoacutemico de una central hiacutebrida solar-ciclo combinado Proyecto final de carrera para optar por el tiacutetulo ingeniero teacutecnico de minas Departamento de sistemas energeacuteticos 79
HTTPEOSWEBLARCNASAGOVSSE 2017 Surface Meteorology and Solar Energy [Online] [Accessed 22 noviembre]
HTTPWWWWIKIPEDIAORG 2017 Energiacutea solar teacutermica [Online] [Accessed 17 diciembre 2017]
IDEA 2013 Plan de Energiacuteas (PER) 2011-2020 Instituto para la Diversificacioacuten y Ahorro de la Energiacutea
LA ROSA D 2014 Recuperacioacuten de la disponibilidad de generacioacuten en el ciclo combinado de Energas Varadero con aporte termosolar httpwwwcubasolarcu
MARTIacuteN S 2017 Colector ciliacutendrico paraboacutelico Available from httpwwwtecnoblogsanmartinwordpresscom]
57
MARTIacuteNEZ L 2017 Conjunto de alternativas tecnoloacutegicas para la ingenieriacutea conceptual del estudio de oportunidad de la conversioacuten en bioeleacutectrica del central George Washington Trabajo de diploma Universidad Central ldquoMarta Abreurdquo de Las Villas
MAXWELL E L RENNE DS 1994 Measures of Renewable Energy National Renewable Energy Laboratory
PAREDES C 2012 Disentildeo de captador solar ciliacutendrico paraboacutelico para aplicaciones rurales en Paraguay Proyecto final de carrera para optar por el tiacutetulo de ingeniero teacutecnico de minas Especialidad en recursos energeacuteticos combustibles y explosivos 57
PENCHE C 1998 Manual de pequentildea hidroeleacutectrica D I R E C C I Oacute N G E N E R A L D
E E N E R G I A ( D G X V I I ) 259
PETROLEUM B 2006 BP Statistical Review of World Energy June 2006 Quantifying Energy
PETROLEUM B 2018 Statistical Review of World Energy [Online] Available httpwwwbpcomenergyoutlook [Accessed 12 febrero de 2018]
PITZ-PAAL 2013 Solar thermal power plants BINE-Themeninfo FIZ Karlsruhe GmbH
REN 2013 Global Status Report Paris
REUszlig N 2012 Modern Gas- amp Steam Turbines in Solarthermic Applications 14th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery Honolulu
RIBOT J E A ROVIRA P ROVIRA A BAROacuteN JL 2001 Curso de Energiacutea Solar Centro de Tecnologiacutea Educativa CTE Barcelona Espantildea Obra completa 4ta edicioacuten Leccioacuten 3 El potencial real de la energiacutea solar
RODRIacuteGUEZ J 2015 Metodologiacutea para la caracterizacioacuten termoeconoacutemica de plantas hiacutebridas de generacioacuten de electricidad Tesis Doctoral Universidad Politeacutecnica de Madrid
ROJAS E 2013 Energiacutea Solar Teacutermica Observatorio de energiacutea renovable para Ameacuterica Latina y Caribe Programa de capacitacioacuten de energiacuteas renovables ONUDI 68
SALOMOacuteN R 2016 ldquoBioeleacutectricas despiertan creciente intereacutes mundialrdquo
SALOMOacuteN R 2018 Biomasa fuente de electricidad inagotable para Cuba Diaacutelogos del Sur Prensa Latina de La Habana
SEBASTIAacuteN E 2011 Sistemas de colector ciliacutendrico paraboacutelico para generar energiacutea httpeliseosebastiancom
SHILLING Z NORMAN 2003 IGCC Clean Power Generation Alternative For Solid Fuels Product Line Leader
58
WWWSOLARBUZZCOM H 2016 Abener Signs Contract for Solar Thermal Electric-Combined Cycle Hybrid Plant [Online] [Accessed 16 diciembre 2017]
