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DISCO PARABÓLICO CON MOTOR STIRLING

Ubicado también en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Sevilla, en la Isla de la Cartuja, desde marzo de 2004. Este sistema está integrado en un proyecto, denominado EnviroDish, en el que se prevé instalar varias unidades en distintos países con el fin de recabar datos fiables sobre el funcionamiento de estos sistemas y los costes reales de instalación y O&M.

El sistema que se describe presenta la particularidad de estar conectado a la red de distribución, acogido al Régimen Especial. El sistema EnviroDish es un sistema que convierte la radiación solar en energía eléctrica, para ello cada unidad consta de:

-     Anillo de cimentación.

-     Estructura soporte.

-     Concentrador solar.

-     Sistema de control y seguimiento.

-     Receptor solar e intercambiador de calor.

-     Motor Stirling.

-     Alternador.

-     Subsistemas auxiliares y de control

A continuación se relacionan las características técnicas más destacadas de cada uno de estos componentes.

Anillo de Cimentación

El anillo de cimentación es el apoyo del conjunto principal y proporciona a la vez la superficie sobre la que éste se desplaza. Tiene forma hexagonal y está fabricado en hormigón armado (aprox. 10.5 m³ de cemento y 540 kg de acero). Sus dimensiones son:

-      Radio máximo hexágono exterior: 4130 mm.

-      Profundidad: 300 mm.

-      Radio hexágono interior: 1000 mm.

-      Ancho: 850 mm.

La superficie superior del hexágono exterior constituye el camino de rodadura para el conjunto principal, por lo que las tolerancias en altura son muy exigentes (± 5 mm para cualquier punto de la superficie).

Estructura Soporte

La estructura móvil soporta el motor y el concentrador y permite el seguimiento de la trayectoria del sol.

Esta estructura ha sido diseñada y fabricada por la compañía alemana MERO GMBH y está constituida por una celosía, compuesta por rótulas y barras que transmiten la carga sobre las rótulas, evitando así los momentos de flexión y torsión y proporcionando ligereza a la estructura.

Concentrador Solar

El concentrador, cuya función es captar y concentrar la radiación solar, está formado por ocho segmentos reflectivos, a base de espejos de vidrio fino (0,8 mm de espesor) adheridos a un soporte de fibra de vidrio. Los segmentos se unen entre sí por medio de otras tantas costillas, también de fibra de vidrio, para obtener la geometría fina de un paraboloide de revolución. El concentrador se monta sobre un anillo de sujeción a base de celosías similares a las que componen la estructura soporte. Las características principales del concentrador son:

-         Diámetro de la apertura: 8,5 m.

-         Área de captación: 56,7 m2.

-         Factor de concentración: 2500.

-         Reflectividad: 94%.

Sistema de Control y Seguimiento

El sistema de control y seguimiento permite al sistema mantener la orientación correcta en todo momento. La mayor parte de los elementos del sistema de control se encuentran en un armario contiguo al anillo de cimentación en su lado norte.

Las características más destacadas del sistema de seguimiento son:

-         Suspensión: Azimutal.

-         Máxima velocidad del viento permitida durante operación: 65 km/h.

-         Máxima velocidad viento permitida en la posición de reposo: 160km/h.

-         Seguimiento solar: Mediante motores eléctricos tipo servo de 230V.

-         Velocidad máxima: 60º/min.

-         Motor de emergencia: Motor eléctrico de 24V de corriente continua.

Por su parte, el sistema de control del EnviroDish consta de los siguientes componentes principales:

-         Ordenador central ubicado en la habitación del operador con receptor de GPS y comunicación a través de interBus-S.

-         Armario situado en campo, donde se alojan los distintos controladores y las regletas de conexión.

-         Controlador de la unidad de conversión de potencia.

El sistema de control requiere los valores de radiación solar y velocidad del viento. Si estos valores se encuentran dentro de los límites predefinidos, el sistema funciona normalmente, transfiriéndose los cálculos de posiciones y velocidades al Controlador de Movimiento, ubicado en el armario, por vía InterBus-S, un bus de campo industrial. Al mismo tiempo, el programa de control Stirling se ejecuta en el PC. El controlador Stirling, comienza localizando la Unidad de Conversión de Potencia (UCP), comunicada con el PC también vía InterBus. Con los datos medidos (presiones y temperaturas) adquiridos para controlar el sistema Stirling, el programa de control Stirling inicia y para el motor y calcula la presión del motor deseada. Los datos se transmiten al controlador de campo, situado en la UCP, que ejecuta los comandos y controla la presión del motor mediante la activación de las válvulas.

Unidad de Conversión de Potencia

La Unidad de Conversión de Potencia integra a su vez los siguientes elementos:

-         Receptor solar.

-         Motor Stirling.

-         Alternador.

-         Subsistemas auxiliares y de control.

Receptor solar

El receptor es el elemento de interfaz entre en concentrador y el motor Stirling. Su función es absorber la radiación solar y transferirla, en forma de energía térmica, al motor Stirling de la forma más eficiente posible. El receptor del sistema EnviroDish es de tipo tubular, y se conecta directamente a las cabezas de los cilindros del motor. Está compuesto de tubos muy finos (aprox. 3 mm de diámetro) resistentes a las altas temperaturas de operación (hasta 800º C, con el gas de trabajo llegando a 650º C).

Los sistemas de disco parabólico con motor Stirling son también adecuados para la operación híbrida, en la que la radiación solar se complementa con un combustible fósil o biogás. En este caso, el receptor solar debe estar diseñado para permitir dicha operac 

Motor Stirling

El ciclo Stirling es un ciclo termodinámico de alto rendimiento con aporte de calor externo, lo que permite su operación con cualquier tipo de combustible o fuente energética, siendo, por sus características, especialmente adecuado para la conversión termoeléctrica de la energía solar.

Tabla 1. Principales características de la Unidad de Conversión de Potencia Stirling

Tipo:

Dos cilindros en V a 90º.

Cilindrada:

160 cm3.

Peso:

430 Kg.

Gas de trabajo:

Hidrógeno

Presión de trabajo:

20-150 bar.

Potencia eléctrica bruta máxima:

9,8 kW.

Potencia neta:

9,2 kW

Velocidad nominal:

1500 rpm.

Conexión eléctrica:

400 V, 50 Hz, 3 fases.

El motor Stirling SOLO 161 tiene dos cilindros en V a 90º, con un pistón de expansión y otro de compresión. El receptor solar, el regenerador y el enfriador de gas se sitúan entre los pistones

El motor opera según un ciclo cerrado en el que el gas de trabajo (H2) se somete a procesos de calentamientos y enfriamientos alternativos. Cuando se calienta, el gas se expande y transmite trabajo mecánico al cigüeñal a través de los pistones.

La energía concentrada por el paraboloide de revolución se transfiere al gas de trabajo a través del receptor. En este sistema cerrado, el pistón de compresión –o pistón de desplazamiento- hace que el gas pase de un cilindro a otro, mientras que el pistón de expansión –o de trabajo- realiza el trabajo útil. El regenerador, que actúa como un sistema de almacenamiento intermedio, retiene la mayor parte del calor cedido por el gas en su paso de la zona caliente a la fría. El enfriador reduce aún más la temperatura del gas en la zona fría. Cuando el gas vuelve a la zona caliente, pasa  a través del enfriador y del regenerador, recuperando la mayor parte del calor cedido en le proceso anterior.

La operación del motor de controla por medio de un sistema electrónico, que básicamente controla la presión del gas de trabajo en función de la radiación solar, de forma que la temperatura del receptor se mantenga constante.

Subsistemas Auxiliares y de Control

La operación del motor se controla por medio de un sistema electrónico, que básicamente controla la presión del gas de trabajo, en función de la radiación solar, de forma que la temperatura del receptor se mantenga constante.