Energia solar

La radiació solar global consta de tres components: radiació directa, difusa i reflectida. La radiació solar directa és la fracció de la radiació que té una trajectòria ben definida: la que uneix el sol amb un punt determinat de la superfície terrestre. Donat el seu caràcter vectorial pot ser concentrada per lents o reflectors i constitueix la base de les tecnologies de concentració. Aquesta component pot significar el 90% de la radiació global en dies clars o ser nul·la en dies totalment coberts.

Conèixer els recursos en tecnologies de concentració suposa tenir dades de la radiació directa. La mesura de la radiació directa és costosa i complexa, pel que són poques les estacions meteorològiques que disposen de dades. Normalment s’empren models que estimen o es fan estimacions a partir de les estacions més properes.
La realització de projectes amb energia solar suposa la realització d’un treball previ de la radiació causa de la gran incidència del recurs sobre la viabilitat del projecte.

Qualsevol instal·lació de producció elèctrica ha de tenir en compte per al seu futur el subministrament de la seva font d’energia i les seves característiques, en el nostre cas la Radiació Solar provinent del sol.
Les radiacions totals que incidiran sobre la superfície captadora d’energia vénen del sol. Aquestes radiacions són la nostra energia primària, que la convertirem posteriorment en energia calorífica. La distribució espectral de la radiació, és aproximadament la meitat en la regió visible de l’espectre, i altres fraccions més petites a la regió infraroja i ultraviolada. El Sol és esfèric, amb un radi d’uns 700.000 km, i la seva massa és de 2 X10³⁰ kg, unes 333.000 vegades la de la Terra.

La composició del Sol en el moment present és d’un 75% d’hidrogen, un 24% d’heli i traces de tots els elements coneguts. La seva densitat mitjana s’estima en 1,4 × 10³ kg/m^3, augmentant des de les zones més exteriors fins a la seva zona central, on arriba a ser unes 120 vegades més gran.

La font de tota l’energia solar es troba en el nucli. Les especials condicions de pressió i temperatura que s’hi donen (1.014 atm i 27 milions de graus) fan possible el procés de fusió nuclear. En aquest procés, quatre nuclis d’hidrogen es fusionen per produir un heli, amb una petita pèrdua de massa que apareix en forma d’energia d’acord amb la coneguda llei d’Einstein:

ΔE = Δm × C²

 on ΔE és l’energia produïda (J), C, la velocitat de propagació de la llum en el buit 3×10⁸ m/s i Δm, la pèrdua de massa (kg).

La ecuació de la reacció nuclear és la següent: 4H → He +2e +  +  + 4,2 x 10^-12 J

Pràcticament la totalitat de l’energia produïda en el nucli s’emet en forma de radiació γ, ona electromagnètica d’altíssima freqüència que, en el seu camí cap a la superfície del Sol, a través de les zones radioactiva i connectiva, va cedint energia i disminueixen la seva freqüència . Així, les ones electromagnètiques emeses per la superfície estan fonamentalment en les bandes visibles i infrarojos.

L’energia emesa pel Sol viatja en forma d’ones electromagnètiques (oem). La seva velocitat de propagació en el buit és la mateixa per a totes les longituds d’ona, 300.000 km/s.

Les o.e.m. es caracteritzen per la seva longitud d’ona λ i per la seva freqüència, ν.

C = λ × ν

En incidir les ones electromagnètiques sobre els mitjans materials, cedeixen la seva energia en forma de paquets d’energia o partícules sense massa, anomenats fotons, l’energia està en funció de la seva freqüència que és:

E = h × ν

h és la constant de Planck h = 6,6256 x 10^-34 Js

Tota aquesta energia que ens arriba l’anomenem constant solar, denominant-se així a la quantitat d’energia que ens arriba del Sol a la unitat de temps per unitat de superfície normal a la direcció de la radiació incident, en la superfície exterior de la nostra atmosfera. El anomenarem G_SC, i és la mateixa que rebria sobre la superfície de la Terra en cas que no hi hagués atmosfera. Un valor mitjà estàndard de 1.353 W/m², amb un error estimat d’un 1,5%. Amb totes les dades a la seva disposició, al World Rudiation Center (WRC) ha adoptat el valor G_SC de 1.367 W/m², amb un error estimat d’un 1%.

El valor de la constant solar ha estat establert per a una distància mitjana Terra-Sol, 149658536,5 km. A causa de l’excentricitat de l’eclíptica, la distància Terra-Sol varia, i la irradiància o energia solar rebuda a l’exterior de l’atmosfera, la radiació incident, serà diferent per a cada dia de l’any.

Per tant hem de fer un estudi previ de les radiacions incidents al col·lector, per a un adequat dimensionament de la instal·lació captadora d’energia. Mitjançant els Atles de Radiació Solar a Catalunya, que ens ha proporcionat la Generalitat de Catalunya, tenim mapes de la irradiació solar global mitjana diària, mitjançant els quals tenim els valors de la radiació mensual i anual. I el programa PVsyst ens donarà altres valors que podrem contrastar amb els anteriors per saber si treballem amb valors molt aproximats la realitat.

Estudi energètic i de rendiments

La determinació de la producció anual d’energia esperada per al tipus d’instal·lació en estudi, a més de les configuracions possibles propostes a la memòria, són fonamental per extreure del projecte el màxim rendiment econòmic del mateix.

Per a realitzar la determinació de l’energia haurem de fer un estudi de les dades solars, d’orientació i de declinació entre altres paràmetres, que ens portaran a una posterior anàlisi per obtenir la instal · lació més rendible per a la inversió efectuada.

Per a la ubicació de la nostra central utilitzarem el Desplegament de la funció qualitat (QFD) que és una tècnica s’utilitza per identificar i documentar les estratègies dins del desplegament de factors d’alt impacte en la ubicació de la central.

El procés de QFD comença identificant i classificant les necessitats requerides per a la instal·lació de la nostra central elèctrica.

Valorant les funcions més rellevants identificades, realitzant una anàlisi per determinar el nivell en què cada requisit funcional afecta cada necessitat, punt en què s’assignen valors per indicar el nivell d’efecte.

Finalment, la puntuació ens mostra la importància de cada requisit funcional, indicant la satisfacció dels requisits i, per tant, ens ajudaran a identificar la ubicació més favorable.

A la zona on s’ubicarà la central tenim tres municipis possibles amb les mateixes característiques quant a radiació solar (que en el cas de Catalunya és la zona de major radiació solar), Torregrossa, Juneda i les Borges Blanques.

Les poblacions millors per al subministrament d’aigua són Juneda i Les Borges Blanques ja que el canal d’Urgell passa per les dues poblacions. Torregrossa només arriba una petita derivació amb menys aportació d’aigua, havent de realitzar una sèrie d’obres per a l’aportació d’aigua. El canal d’Urgell porta normalment més de 3 m³/s (en època d’extrema sequera), pot arribar a transportar 33 m³/s, sent les necessitats d’aigua de la nostra instal·lació de 0,018 m³/s, això no representaria més d’un 0,6% de l’aigua transportada en època d’extrema sequera i inferior al 0,001%, quan va ple.

Els municipis que té millor connexió elèctrica als centres de gran consum són el poble de Juneda i les Borges Blanques, el primer amb una derivació d’una línia de transport de 220 kV, i el segon la línia de principal de 220 kV passa molt a prop . Torregrossa no té cap línia d’alta tensió prop, havent de realitzar una connexió més llarga i alhora més costosa que les altres dues opcions.

Les carreteres principals més properes són la N-240, que passa per Juneda i Les Borges Blanques, així com una gran proximitat d’aquest últim a l’autopista AP-2. La línia de ferrocarril passa per les dues ciutats sent el mateix recorregut, encara Juneda es troba més a prop Lleida, node ferroviari de diverses línies de tren.

Els centres de consum més proper és l’àrea de Lleida, sent la ubicació més propera de la mateixa Juneda en una punta i l’altra a centre de transformació de Rubí que alimenta elèctricament un comunicat de la conurbació urbana de Barcelona i la seva àrea metropolitana.

Per extensió de terreny el millor poble és Torregrossa al ser el més rural d’ells, seguit de Juneda i Les Borges Blanques el més gran dels tres. La ubicació dels pobles en el terreny és la següent, Torregrossa es troba en un terreny pla sense prominències ni alçades destacables prop del terme municipal. Juneda està situat majoritàriament en una plana a uns 250 metres sobre el nivell de mar, però en el seu costat sud tenim l’inici de les muntanyes de Prades amb unes altçades de fins a 450 metres i a uns 4 quilòmetres del centre urbà. El municipi de les Borges Blanques és el d’orografia més complicada al tenir contraforts muntanyosos prop del centre urbà a la part sud i est, amb prominències que sobrepassen els 500 metres d’altura.

La situació de la central tenint en compte el QFD i les diferents opcions serà el municipi de Juneda, tenint aquestes característiques semblants al terme municipal de les Borges Blanques, té un major nombre de terrenys amb millor ubicació orogràfica. Els costos de la instal·lació serien menors.

La instal·lació es trobarà situada al terme municipal de Juneda. Es troba al sud del Pla d’Urgell, i el municipi està situat en una plana a 232 metres per sobre del mar i amb un paisatge agrícola.

L’accés al terreny es realitza la sortida de la N-240 a Juneda en direcció al poble per la carretera de Torregrossa LV-7022, prenent el desviament de l’esquerra a 1,2 km de la sortida, per un camí de terra que rep el nom de camí vell de Juneda.

La superfície del camp solar serà de 300 hectàrees, tenint una longitud de nord a sud de 1.000 metres per una longitud de 3.000 metres d’est a oest.

Dades de radiació solar

La ubicació de la nostra central solar al terme municipal de Juneda ve donat per l’anàlisi del nostre recurs, la irradiació solar de què disposem. Per obtenir la màxima rendibilitat del nostre projecte, hem situat la nostra instal·lació a la millor zona de Catalunya que està ubicada a la comarca de les Garrigues, més concretament la ubicarem al municipi de Lleida de Juneda, ja que és un dels que rep més irradiació global. Com podem veure al mapa adjunt on tenim una irradiació global per sobre de 14 MJ/m².

Les dades de la irradiació solar de Catalunya l’hem obtingut de dues fonts diferents, d’una banda l’Atles de Radiació Solar de Catalunya i del programa informàtic PVsyst.

A l’Atles de Radiació Solar de Catalunya tenim les dades del poble de Juneda de les Garrigues, per tant les dades d’un i altre les considerem anàlogues, i d’elles extraiem que tenim una radiació solar mitjana en base mensual d’aproximadament de 16,17 MJ/m² o 4,49 kWh/m² (1kWh = 3,6 × 10⁶ J) de mitjana mensual amb un pic de 7,24 KWh al mes de major irradiació mensual que és el mes de juny i una vall d’1, 76 KWh al mes de menor irradiació mensual que és el mes de desembre.

El programa informàtic PVsyst aplicant la latitud i longitud solar de la nostra situació, i tenint en compte l’altura, ens donen una irradiació global de 4,46 KWh d’mitjana mensual. Les dades de les dues fonts són les següents:

La diferència entre les dades de les dues fonts disponibles ens dóna una diferència d’irradiació de 1,5% en favor de l’Atles de Radiació Solar de Catalunya. Per la qual cosa, podem considerar correctes les dades d’irradiació solar proporcionats pel PVsyst com els de l’Atles de Radiació Solar de Catalunya.

Estat actual i futur tecnològic

L’energia termosolar va agafar un gran impuls com a peça clau en la reducció de la dependència energètica d’Espanya, posicionant-la com una tecnologia energètica molt rellevant durant els propers anys, com han estat primer l’energia eòlica en un primer terme, i l’energia fotoelèctrica en els últims cinc anys. Tot això com a conseqüència d’una tarificació molt favorable per a l’energia termoelèctrica fins l’any 2012.

La termosolar és una tecnologia que pot contribuir a l’estabilitat de la xarxa elèctrica gràcies a l’aportació inercial que proporciona i té una potencialitat en la capacitat d’emmagatzematge que la fa modulable en funció de les necessitats de la demanda, permetent una gestió de l’energia.

La insolació, en el nostre hemisferi i a Espanya, s’incrementa de nord a sud, en direcció cap al Tròpic de Càncer, mostrant una notable disminució estacional en les èpoques equinoccials i a l’hivern, època de fortes borrasques la primera i de disminució del dia les segona. Les èpoques de borrasques permeten una certa compatibilitat energètica amb l’energia eòlica i minihidràulica. Les borrasques proporcionen aigua i vent però falta d’insolació, mentre que l’absència d’elles ens dóna insolació solar.

L’emmagatzematge incideix en les hores de funcionament de la instal·lació, permetent acumular energia per a l’operació a potència nominal entre 4h i 15h, segons la potència i disseny de la central. Això influeix en la rendibilitat de la mateixa, augmentant aquesta rendibilitat, si bé assumirem més risc i més inversió.

Així mateix, l’emmagatzematge està estretament relacionat amb la declaració com gestionable per a la central per part de l’operador del sistema (Red Eléctrica de España, REE). La declaració com gestionable comporta una sèrie d’avantatges, com la possibilitat d’accedir amb més potència nominal a un mateix punt de la xarxa (50% de la capacitat tèrmica de la línia o centre de transformació en ser gestionable, davant d’un 5% de la potència de curtcircuit quan no és gestionable), o la possibilitat de participar en els sistemes d’ajust del sistema.

L’energia termosolar amb cilindres parabòlics no la podem qualificar com una tecnologia madura com poden ser les centrals eòliques o les centrals tèrmiques, això implica que en el futur tindrem millores a introduir que augmentessin el rendiment de la nostra central, així com una disminució dels costos de construcció.

Alguna de les millores que malgrat les elevades pressions que comporta l’ús d’aigua directament en els CCP per a temperatures altes, és la utilització d’aigua per a altes temperatures/pressions. En fase de recerca a la Plataforma Solar d’Almeria dins del projecte DISS. Els resultats obtinguts són molt prometedors, ja que s’ha aconseguit produir vapor sobreescalfat a 400 ºC/100 bar directament en els propis CCP de forma estable. Aquesta tecnologia, anomenada Generació Directa de Vapor, ha de permetre millores substantives de rendiment i una disminució notable dels costos de generació a mig termini. En la mateixa línia que la generació directa de vapor, es planteja l’ús de sals foses com a fluid de treball en el camp solar. Els avantatges són operar a una temperatura major i l’ús del mateix fluid de treball en el camp solar i en el sistema d’emmagatzematge. No obstant això l’inconvenient principal d’aquest desenvolupament que ha de ser superat és el garantir que les sals romanguin en estat líquid.

Totes les opcions anteriors requereixen del desenvolupament de nous tubs receptors de baixa emissivitat, alta absortancia i alta durabilitat, capaços d’operar a temperatures superiors a 500 ºC.

El perfeccionament de les tecnologies d’emmagatzematge és un altre camp de millora. Els principals sistemes d’emmagatzematge compten actualment amb diferents línies d’investigació, entre ells es poden destacar els següents:

• Emmagatzematge tèrmic en forma de calor sensible i / o calor latent (sals), o en reaccions reversibles (hidrurs i hidròxids).
• Emmagatzematge en formigó.
• Emmagatzematge electroquímic en bateries.
• Emmagatzematge químic en hidrogen.
• Emmagatzematge mecànic, en energia potencial (bombaments d’aigua en embassaments) o en energia cinètica (volants d’inèrcia).
• Emmagatzematge magnètic en superconductors.

La Recerca de la mida òptima de les centrals, ja que la limitació actual de la potència a 50MW és inferior a la mida òptim de les centrals de tecnologia cilindre parabòlic, que podrien tenir la seva mida òptima en l’entorn dels 150 MW o 200 MW, encara que això és una cosa que es troba fins i tot en debat.

Un estudi independent promogut pel Banc Mundial l’any 1999 situa les tecnologies de concentració solar com la forma més econòmica de produir electricitat a gran escala a partir d’energia solar. El seu diagnòstic situa no obstant això, el cost directe de capital en 2,5 a 3,5 vegades el d’una planta tèrmica convencional i l’electricitat que produeixen arriba a un preu de generació de 2 a 4 vegades superior.

Règim econòmic

Les tarifes i cosines corresponents a les instal · lacions de la categoria b) seran les d’aplicació a partir de l’1 de gener de 2011, segons l’Ordre ITC/3353/2010, en el consell de ministres del dia 12 de julio de 2013 es va establir una nova normativa regulatoria, però fins aquella data eren les següents:

La fórmula de càlcul de la retribució aplicada a la tarifa regulada és la següent:

Retribució = tarifa regulada ± Reactiva – Cost Desviaments

En el cas que vulguem accedir al mercat lliure, tindrem una prima quedant la fórmula de càlculs

Retribució = preu mercat + garantia de potència + prima ± reactiva-costos desviaments

Per a l’elecció de la retribució s’havia de fer un estudi de quina és més convenient en cada moment, tenint en compte que els titulars d’instal·lacions podran triar, per períodes no inferiors a un any, l’opció de venda de la seva energia que més els convingui, el que comunicaran a l’empresa distribuïdora ia la Direcció General de Política Energètica i Mines, amb una antelació mínima d’un mes.

Només recorda que actualment el consumidor paga en el seu rebut de llum uns 15 c€/kWh, el diners restants fins el pagat per la generació d’energia elèctrica mitjançant  centrals termosolars va a compte de subvencions que van a engreixar el famós dèficit de tarifa.

Central termoelèctrica

L’energia solar termoelèctrica agrupa un conjunt de tecnologies diferenciades que es caracteritzen per realitzar concentració solar per tal d’assolir temperatures que permeten la generació elèctrica. La seva aplicació pot arribar a constituir una forma de generació d’energia competitiva i amb els avantatges que correspon a una font renovable i respectuosa amb el medi ambient.

L’energia solar termoelèctrica es classifica en sistemes de mitja temperatura i sistemes d’alta temperatura. Les centrals de mitjana temperatura, desenvolupades a nivell comercial i per a les quals compta amb experiència real de funcionament, corresponen a centrals amb col·lectors cilindre-parabòlics.

L’elecció de disseny per a la nostra central serà un «Sistemes termosolars de concentració» (STSC) de mitjana temperatura amb tecnologia de canals parabòlics, amb emmagatzematge tèrmic.

L’emmagatzematge tèrmic permet assolir un coeficient d’utilització de la central, redueix el nombre de cicles de parada i arrencada del sistema de generació, podent despatxar l’electricitat de forma segura, predictible i programable. Això també ens permetrà un major nombre d’hores d’operació de la turbina en condicions nominals, així com evitem possibles problemes causats a la xarxa de distribució.

El canal parabòlic, està composta bàsicament per un mirall cilindre-parabòlic que reflecteix la radiació solar directa concentrant sobre un tub receptor col·locat en la línia focal de la paràbola, on se situa l’absorbidor. La radiació solar concentrada produeix un escalfament (augment d’entalpia) del fluid que circula per l’interior del tub absorbidor.

Els canals parabòlics són dispositius solars de concentració amb focus lineal que poden operar eficientment, en l’actualitat, fins a la temperatura de l’ordre de 400 ºC. Els seus components principals són:

• Reflector cilindre parabòlic.
• Tub receptor-absorbidor.
• Sistemes de seguiment del sol.
• Estructura metàl · lica que subjecta el conjunt.

La central termoelèctrica a dissenyar tindrà un sistema d’emmagatzematge tèrmic, sent els seus components bàsics:
Intercanviador de calor entre fluids tèrmics i sals foses.

• Tanc calent de sals foses.
• Tanc fred de sals foses.
• Sobreescalfador Solar.
• Turbina de vapor.
• Generador d’electricitat.
• Condensador.
• Preescalfador a baixa pressió.
• Desgasificador reescalfador solar
• Preescalfador solar.
• Generador de vapor solar.
• Tanc d’expansió.

Descripció bàsica del procés

La central termosolar o termoelèctrica consisteix en la instal·lació d’un conjunt de col·lectors de cilindres parabòlics, amb seguiment solar d’un eix, concentrant la radiació solar sobre una filera de tubs col·lectors d’alta eficiència tèrmica localitzats en la línia focal dels cilindres.

Aquesta radiació concentrada sobre el tub absorbent fa que el fluid caloportador que circula per l’interior s’escalfi, transformant d’aquesta manera la radiació solar en energia tèrmica en forma de calor sensible o latent del fluid, podent operar eficientment fins a temperatures de l’ordre de 450 ºC. El tub absorbent està envoltat per un tub transparent i hi buit entre ambdós per minimitzar les pèrdues convectiva i conductiva a la mateixa vegada que protegeix la superfície d’absorció solar selectiu de l’oxidació. El cilindre que és de vidre presenta un revestiment anti-reflex per maximitzar la transmissió solar.

La concentració òptica de la radiació solar fa que la superfície del tub receptor o absorbent sigui molt menor que l’àrea d’obertura del col·lector, el que redueix significativament les pèrdues tèrmiques del col·lector, ja que les pèrdues tèrmiques no depenen només de la temperatura de treball , sinó també de la superfície de l’absorbent.

El col·lector disposa d’un sistema mecànic articulat per orientar la seva posició en relació al moviment del sol. Els col·lectors de cilindre parabòlics seguiran al sol d’est a oest o de nord a sud mitjançant un sensor òptic d’alta precisió segons quin sistema de seguiment s’hagi instal·lat.

El col·lector està muntat sobre una torre de suport que permeti al receptor girar i realitzar un seguiment del sol. La torre està muntada sobre una base de formigó que pugui suportar el pes i la càrrega de vent sobre el col·lector. Cada conjunt de col·lector solar inclou una unitat de posicionament que permet als col·lectors seguir al sol durant el dia. La unitat es troba al centre del col·lector. Pot ser un motor estàndard i la configuració de la caixa d’engranatges (LS-2) o pot utilitzar un sistema d’accionament hidràulic (LS-3, Eurotrough, Solargenix). La unitat ha de ser capaç de col·locar amb precisió el col·lector per al seguiment solar. També ha de ser capaç de manejar les càrregues de vent.

Cada conjunt de col·lector solar té el seu propi controlador local (LOC) que controla el seu funcionament. El controlador local controla el seguiment del col·lector. També supervisa totes les condicions d’alarma que es produeixen, com ara la temperatura del fluid en el receptor.

El controlador local es comunica amb un ordinador de supervisió en l’edifici de control de potència de la planta. L’equip de supervisió envia ordres al controlador local dient-li quan ha de començar el seguiment del sol o quan deixar el seguiment al final del dia.

El fluid es porta al sistema de generació de vapor, on es produeix vapor sobreescalfat, que acciona un conjunt de turbina-alternador convencional, generant electricitat que s’exporta en la seva totalitat a la xarxa. El cicle de vapor de potència utilitzat és el Rankine, tots els SEGS (sistema solar de generació elèctrica) les plantes i la majoria dels nous projectes estan planejant l’ús de vapor de potència cicles Rankine.

En els moments en què la radiació solar és major i l’energia aportada pel fluid tèrmic és superior al del sistema de generació de vapor, l’excedent d’energia es transfereix a unes sals foses a través d’uns intercanviadors. Aquestes sals calents, emmagatzemades en uns tancs, són utilitzades per escalfar el fluid tèrmic quan la radiació solar no és suficient.

El sistema d’emmagatzematge d’energia tèrmica, mitjançant sals foses, consisteix en dos tancs de sals, que circulen en circuit tancat. Durant les hores d’alta insolació (radiació a l’entorn de més de 350-400 W/m² per superfície de terreny aproximadament) es pot generar i carregar el sistema d’emmagatzematge simultàniament. Per fer-ho, el fluid tèrmic cedeix energia calorífica en les sals foses, que entren a l’intercanviador de calor amb una temperatura aproximada als 300 ºC (per evitar solidificaciones de les sals) provinents dels tancs freds d’emmagatzematge i surten amb una temperatura propera als els 400 ºC per ser emmagatzemades en els tancs calents.

Quan la radiació solar incident té un valor per sota dels 350-400 W/m² aproximadament, extreu energia calorífica des dels tancs d’emmagatzematge calents mitjançant un procés invers: les sals foses són bombejades des dels tancs calents per intercanviador de calor fins als tancs freds per cedir la seva energia calorífica al fluid tèrmic, que circula per intercanviador en direcció inversa. Entra pel costat fred per rebre l’energia calorífica de les sals foses i després s’uneix amb el flux calent provinent del camp solar i entrar en el sistema de generació de vapor.

Amb aquest sistema d’emmagatzematge, la planta pot produir electricitat solar sense interrupció durant el dia i una part de la nit atenent l’època de l’any que ens trobem, atenent la demanda elèctrica de cada moment i assegurant sempre la capacitat de potència.

Les sals foses, gràcies a la seva eficiència tèrmica, poden ser emmagatzemades durant llargs períodes de temps abans d’utilitzar-les per generar electricitat. La superfície de col·lectors i capacitat del tub col·lector, estan dimensionades per produir durant les hores diürnes la calor necessària no només per a generar el vapor que requereix el conjunt Turbina-alternador a ple rendiment, sinó la calor addicional necessari per disposar d’energia tèrmica de reserva que permet mantenir la producció elèctrica durant períodes determinat sense rebre irradiació solar. D’aquesta manera, la planta opera amb un Factor de Capacitat segons la seva capacitat d’emmagatzematge.

Concentrador solar de canal parabòlic:

La missió del concentrador de canal parabòlic és reflectir i redirigir la radiació solar directa incident cap al tub absorbent per fer-la arribar a la superfície de l’absorbidor, on la radiació solar es transforma en energia tèrmica.

Aquest tipus de concentradora té una forma cilíndrica amb la seva curvatura parabòlica descrita per la fórmula:

Z = X²/4f

La distància f representa la posició del punt focal de la paràbola, essencialment, la distància de la línia focal de la paràbola del seu vèrtex.

Els concentradors cilíndrics parabòlics són concentradors de focus lineal, normalment amb seguiment en un sol eix, aconseguint concentracions de radiació de 30 a 80 vegades i potències de camp unitari de 30 a 80 MW.

La superfície especular s’aconsegueix a base de miralls, similars als d’ús comú, amb la particularitat que el vidre que serveix de suport a la pel·lícula de plata és de baix contingut en ferro, amb la qual cosa té alta transmitància.

Segons el gruix del vidre sobre el qual es diposita la pel·lícula reflectant de plata hi ha dos tipus diferents de mirall: de vidre gruixut (gruix ≥ 3mm) i de vidre prim (gruix ≤ 1,5 mm).

Al mercat tenim diverses marques de cilindres parabòlics per a centrals de potències altes, Luz System Collectors amb el model LS-3, el consorci europeu Eurotrough amb el seu col·lector EuroTrough, l’empresa Solargenix Energy amb els SGX-2 i l’empresa Albiasa amb el Albiasa Trough AT150, sent els tres primers els més àmpliament utilitzats en les centrals en funcionament. La marca Siemens té al mercat un sistema que integra el concentrador solar i el receptor en el Siemens Solar Field 6, encara que a dia d’avui (1/02/2013) no és operatiu en cap central que tinguem constància.

Llum System Collectors fabrica col·lectors d’acer galvanitzat que fa que siguin adequades per a les aplicacions comercials de plantes d’energia i que han demostrat ser altament fiables. Per exemple, la majoria de les centrals SEGS (sistema solar de generació elèctrica d’EUA) utilitzant col·lectors de Luz en un dels seus models LS-2 o LS-3.

Hi ha dos tipus de col·lectors del sistema Llum: LS-2 i LS-3. El col·lector LS-2 té un disseny molt precís. El seu parell de tubs estructura és simple de muntar i proporciona rigidesa a la torsió. Per reduir els costos de fabricació, Luz va dissenyar el LS-3 més gran que l’anterior requerint menys acer. Demostrant que és un disseny molt fiable.

El consorci europeu-Eurotrough va iniciar el desenvolupament d’un disseny nou col · lector intenció de construir sobre els avantatges de la LS-2 i el LS-3. El col·lector Eurotrough utilitzar un disseny de parell-box per integrar la rigidesa a la torsió d’un tub de torsió i el contingut d’acer inferior d’un disseny de carcassa. Al mercat tenen el ET100 i el ET150.

Als EUA el Departament d’Energia costat de Solargenix Energy desenvolupar l’estructura d’un nou col·lector a través d’un contracte de costos compartits, la R + D amb l’NREL. El col·lector de SGX-1 està fet d’alumini extruït, pesant menys que els dissenys d’acer, del qual amb modificacions sortir el SGX-2.

Les característiques més destacades dels col·lectors són les següents:

El col·lector Albiasa Trough AT150 té unes característiques gairebé idèntiques al EuroTroguh 150, però amb una obertura de 5,77, i el Siemens Solar Field 6 és el que té pitjor reflectivitat de tots els col·lectors amb un 92,5%.

Per a la nostra instal·lació triarem el model Eurotrough ET150, descartant el SGX-2 per ser molt nou en el mercat al només estar funcionant a la central solar de Nevada Solar One des de setembre de 2011, i tenir un reflectivitat una mica inferior al nostre model i per no tenir dades fiables tot de les seves característiques mecàniques, tot i que té millors propietats que els col·lectors LS, més resistència a la corrosió i un menor pes a l’estar basat en una part de l’estructura d’alumini.

El pes de l’estructura d’acer del Eurotrough s’ha reduït al voltant del 14% en comparació amb el disseny a disposició del col·lector LS-3, augmentant els resultats en rendiment òptic i la resistència al vent. També té menys deformacions de l’estructura del col·lector a causa del pes mort i la càrrega de vent que els dissenys de referència (LS-2 tub de torsió o el LS-3 disseny V-gelosia). Això redueix la torsió i la flexió de l’estructura durant l’operació.

Les diferències entre ells són:

• El col · lector Eurotrough admet una configuració en la qual es connecten 12 mòduls en sèrie.
• La diferent potència de la unitat hidràulica.

Addicionalment, l’estructura suport del Eurotrough és més rígida i lleugera que la del LS-3. Segons el comentat anteriorment, triarem el col · lector ET-150 de Eurotrough, i a partir d’ell efectuem els càlculs.

L’element reflector emprat actualment està constituït per miralls de segona superfície (la capa reflectant de plata està dipositada a la cara posterior del vidre) de baix contingut en ferro. El principal subministrador és l’empresa Flagsol.

L’element central del disseny del Eurotrough és la caixa d’acer de 12 metres de llarg amb l’estructura d’una creu quadrada de secció que conté els braços de suport dels miralls parabòlics. La caixa d’acer està construïda a partir de només 4 parts diferents d’acer. Això comporta una fabricació fàcil i disminueix els esforços necessaris i per tant els costos de muntatge en el lloc. El disseny redueix les forces sobre les planxes de vidre i la ruptura dels vidres, disminuint les deformacions dels miralls alhora que millorem el rendiment òptic, la millora de la rigidesa també permet operar en condicions de vent més desfavorables, augmentant la producció anual.

El ET150 realitza el seguiment solar al llarg del seu eix longitudinal, amb un sistema hidràulic. El sistema d’accionament es compon de dos cilindres hidràulics muntats en el piló de la unitat central.

El col·lector es controla des d’un quadre de control muntat a la torre del senyal d’unitat i les línies del cable d’alimentació a la unitat hidràulica, el codificador de rotació, finals de carrera i sensors de temperatura.

El sistema de seguiment desenvolupat pel ET150 es basa en un sistema basat en el càlcul de la posició del sol utilitzant un algoritme matemàtic. Es porta a terme amb un codificador òptic angular de 13 bits (resolució de 0,8 mrad), acoblat mecànicament a l’eix de rotació del col·lector. Comparant el sol i els eixos de col·lector, per un dispositiu electrònic.

La part reflectora del col·lector és de vidre gruixut de forma parabòlica que també fa la funció de suport, al vidre se li afegeix una fina pel·lícula de plata protegida per altra pel·lícula de coure i una altra de de pintura epoxi.

El cost del conductor s’ha reduït en aquests últims anys en reduir el nombre de components per a millorar la producció, podent-se construir in situ reduint així els costos de construcció.

Elements de connexió:

Els elements de connexió entre col·lectors adjacents són crítics, ja que les exigents condicions de treball fan que aquests siguin un dels punts de fallada més freqüents. Actualment s’empren dos tipus d’unions: conductors flexibles i juntes rotatives, triant per al nostre camp aquesta última, en presentar millor comportament.

Tub absorbidor:

És un element clau del canal parabòlic. La seva funció és convertir la radiació solar concentrada en augment d’energia tèrmica del fluid de treball. El tub utilitzat és un tub de buit, construït per dos tubs concèntrics, l’interior d’acer amb un tractament o recobriment selectiu en la seva superfície i l’exterior de vidre. Entre tots dos tubs es fa el buit (aproximadament 0,013 Pa en un de nou).

El recobriment selectiu consisteix en un tractament superficial especial que li confereix una propietat absorbent selectiva, amb una elevada absortancia (> 90%) en la longitud d’ona curta de la radiació solar incident i una baixa emissivitat (<30%) en l’espectre infraroig d’ona llarga en què emet el mateix tub a una temperatura de funcionament.

El tub interior de vidre que envolta al tub interior metàl·lic té la doble missió de reduir les pèrdues tèrmiques per convecció en el tub metàl·lic i de protegir de les inclemències meteorològiques seu recobriment selectiu. A més d’aprofitar les propietats selectives transmissives típiques dels vidres, d’alta transmitància en les longituds d’ona curta de l’absorbidor, s’acostuma ha afegir també un tractament antireflectant en les dues cares, per així augmentar més la seva transmitància a la radiació solar i el rendiment òptic del ‘conjunt. Amb tot això s’obté un elevat rendiment energètic entès aquest com el quocient entre l’augment d’entalpia aconseguit i la radiació solar incident.

Com hem comentat anteriorment entre el tub metàl·lic i el tub de vidre es fa el buit, perquè no es degradi la superfície selectiva. En aquest cas els extrems del tub de vidre van soldats a una manxa metàl·lica. D’aquesta manera s’aconsegueix que hi hagi un espai anular estanc entre el tub metàl·lic i el de vidre, alhora que la diferent dilatació tèrmica dels tubs de vidre i metall és compensada per la manxa metàl.lica.
La reposició o reparació de tubs absorbidors és el factor de més pes en els costos d’operació i manteniment d’una planta de canals parabòlics. Els errors més freqüents són:

• Pèrdua del buit entre tubs. Provoca un important increment de pèrdues tèrmiques i un augment de la temperatura del tub de vidre, amb el consegüent augment de tensions tèrmiques.
• Degradació del recobriment selectiu. Resulta en una disminució de l’absorbància i augment d’emissivitat.
• Trencament del vidre. La unió vidre metall, que ha de ser estanca i treballar adequadament davant tensions i deformacions d’origen tèrmic, és un punt crític en el disseny d’aquests elements.

La capa antireflectant del tub de vidre ha de ser resistent a la intempèrie i a l’abrasió causada pels procediments de neteja dels tubs.
Tenim disponibilitat de diverses marques comercials per al tub absorbidor o receptor, destacant Schott i Siemens sobre la resta. Alguna de les seves característiques més rellevants per a la seva elecció són les següents:

L’única diferència una mica significativa entre ells és l’emissivitat tèrmica. Comercialment es poden trobar instal·lats els dos models en una mateixa planta termosolar com passa a Andasol i a Nevada Solar One No decantarem per seleccionar el Siemens UVAC 2010 per la seva menor emissió tèrmica un factor que junt amb una elevada absortivitat proporciona un elevat rendiment tèrmic.

Algunes de les característiques mecàniques millorades són la incorporació d’un revestiment intern reflectant que protegeix l’interior de la soldadura vidre-metall durant condicions d’operació de baixos angles solars. El UVAC utilitza també diferents composicions de recobriment selectiu cermet, eliminant el risc d’oxidació per pèrdua de buit.

En el tub absorbidor es tindran en compte tot un seguit de paràmetres que produiran un impacte en les nostres prestacions disminuint l’eficiència del col·lector. La degradació del recobriment selectiu produirà una disminució de la absortancia, α, del tub d’acer, si aquesta degradació es produeix a la coberta de vidre repercutirà en la transmissivitat, τ, de la coberta de vidre. La deformació del tub d’acer incidirà en el factor d’intercepció, γ.

Sistema de seguiment:

Un cilindre parabòlic necessita d’un mecanisme de seguiment que ho mogui al llarg del dia d’acord amb el sol, descrivint la seva trajectòria . El sistema solar escollit serà un dispositiu que gira al voltant d’un sol eix . Es tria un sol eix , descartant els dos eixos malgrat captar més energia en presentar alguns inconvenients com un major cost inicial i que les canonades de distribució del fluid caloportador tenen més recorregut donant unes majors pèrdues tant tèrmiques com de pressió.

Un canal parabòlic complet està format per diversos mòduls units rígidament en sèrie i moguts per un mateix mecanisme de seguiment que serà elèctric o hidràulic.

El moviment del canal parabòlic està governat per un control electrònic de forma què el dispositiu estigui sempre perfectament enfocat cap al sol.

La missió de l’estructura de suport amb la seva corresponent fonamentació, és donar rigidesa al conjunt d’elements que integren el canal parabòlic i garantir la correcta alineació del mateix. Per a això utilitzarem estructures metàl·liques i suports de formigó .

El EuroTrough pels alts parells mecànics requerits per girar el dispositiu obliga a utilitzar un mecanisme hidràulic. Amb un sol mecanisme d’accionament mou diversos mòduls concentradors connectats en sèrie i operant conjuntament com un sol element. Exactament està format per vuit elements de 12 metres de longitud i 5,7 metres d’ample cadascun, units rígidament entre si , movent una superfície de captació total de 547,2 m² .

El moviment del canal parabòlic està governat per un control electrònic de manera que el dispositiu estigui sempre perfectament enfocat cap al sol. Amb anterioritat ja s’ha explicat que per mantenir el col·lector en la posició més adient per a la captació de la radiació solar directa s’instal·la un controlador local ( LOC ), al costat d’un indicador de posició en cada mòdul.

El control de camp es realitzarà des de dos punts, un des del sistema centralitzat a la sala de control i l’altre des del LOC . El sistema centralitzat monitoritza les condicions d’insolació, vent, pluja, circulació del fluid, producció d’energia entre altres, alhora que es comunica amb tots els LOC. Un controla la posada en marxa de la planta, seguiment solar, parada nocturna i fa el control individual del seu col·lector.

Les dades de radiació s’usessin per determinar el rendiment del camp sola i les dades del vent són necessaris per aturar el camp davant altes velocitats . Així com el control integral del circuit tèrmic, sistema d’acumulació i intercanvi calorífic i el sistema de potència.

Balanç energètic:

La transformació de la radiació solar en energia tèrmica que es produeix al canal parabòlic comporta una sèrie de processos que comporten unes pèrdues o rendiments associats, són de tres classes diferents: geomètriques, òptiques i tèrmiques.

Pèrdues geomètriques es produceixen per la geometria dels sistemes de canal parabòlic porta associada una disminució de la seva àrea efectiva de captació. Aquestes pèrdues es divideixen en dos grups:

• Degudes a la posició relativa dels canals entre si.
• Inherent a cada canal.

Les del primer grup són les anomenades «pèrdues per ombres» i estan causades per l’ombra parcial que alguns canals poden projectar en els adjacents. Com més gran distància hi hagi entre files paral·leles de captadors, menor serà l’ombra que uns provoquessin sobre altres.

Les pèrdues inherents a cada canal parabòlic estan causades pel fet que aquests dispositius tenen un sistema de seguiment en un sol eix i, per tant, només poden girar al voltant ell. Això dóna lloc a l’existència de l’anomenat angle Φ, que és l’angle format per la radiació solar directa que incideix sobre el pla d’obertura del captador i la normal a aquest pla. Aquest angle d’incidència depèn de l’hora i el dia de l’any, en funció de la posició del sol respecte del canal, i provoca que en els seus extrems hi hagi una pèrdua de superfície reflectant útil.

Quan l’angle d’incidència és diferent de zero no només es redueix l’àrea efectiva de captació, sinó que també es veuen afectats els valors de reflectància, absortancia i transmitància, paràmetres que presenten un valor màxim quan l’angle d’incidència és 0. L’efecte de l’angle d’incidència en el rendiment de la cadena es quantifica mitjançant un paràmetre que es denomina modificador per angle d’incidència, K.

Les pérdues òptiques són per les imperfeccions dels diversos elements que constitueixen el sistema com són la superfície reflectant, tub de vidre, superfície de l’absorbidor entre d’altres, provoquen que només una part de la radiació directa que incideix sobre la superfície del concentrador parabòlic arribi al fluid que circula pel interior del tub absorbidor.

Reflectància de la superfície del concentrador parabòlic, ρ. Les superfícies reflectores dels miralls no són perfectes, de manera que només part de la radiació incident es reflecteix. Els valors típics de la reflectància estan al voltant del 90% al 95% que disminueix en augmentar la brutícia de la superfície reflectora. A la plataforma solar d’Almeria, disminueix un 0,26% per dia per l’embrutiment dels miralls.

Factor d’intercepció, γ. Una fracció de la radiació solar reflectida pels miralls no arriba a la coberta de vidre del tub absorbidor causa de diverses causes, com imperfeccions dels miralls i errors de posicionament del canal. Un valor típic d’aquest paràmetre és un 95%.

Transmitància de la coberta de vidre, τ. Una fracció de la radiació solar reflectida pels miralls i que arriba a la coberta de vidre absorbidor no és capaç de travessar. Un valor de referència és 90-95%, depenent que el vidre hagi estat objecte d’un tractament antireflectant o no.

Absortancia de la superfície selectiva, α. Aquest paràmetre quantifica la quantitat de radiació incident sobre la superfície selectiva que aquesta pot absorbir. Els valors es mouen en un rang del 90-96%.

Al producte dels quatre paràmetres descrits anteriorment se li denomina rendiment òptic pic del canal parabòlic:

η (opt 0 °) = ρ × γ × τ × α

 Pèrdues tèrmiques:

Aquestes ocupen el següent lloc en ordre d’importància en un canal parabòlic. Es produeixen en el tub absorbidor i en les canonades de fluid tèrmic, sent bastant més importants les de l’absorbidor.

Les pèrdues tèrmiques associades al tub absorbidor són: pèrdues de calor per conducció a través de suports dels tubs absorbidors; pèrdues per radiació, convecció i conducció des del tub absorbecedor cap a la coberta de vidre i pèrdues per convecció i radiació des del tub de vidre l’ambient. En aquells tubs absorbidors en els quals entre el tub metàl·lic i el de vidre hi ha buit, les pèrdues tèrmiques per conducció i convecció des del tub metàl·lic cap a la coberta de vidre queden pràcticament eliminades, i només hi ha pèrdues per radiació infraroja entre tub metàl·lic i la coberta de vidre.

Les pèrdues tèrmiques globals , Q_L , poden calcular-se analíticament, però el valor del coeficient global de pèrdues en un canal parabòlic es quantifiquen mitjançant equacions basades en resultats experimentals en sotmetre al col·lector a diferents assajos de pèrdues tèrmiques en el rang de temperatures per al qual el col·lector ha estat dissenyat , fet per part del fabricant.

Rendiment d’un canal parabòlic:

Com a conseqüència de totes les pèrdues geomètriques, òptiques i tèrmiques que tenen lloc en el cilindre parabòlic, l’energia tèrmica útil que s’obté és menor que la que donaria en condicions ideals si no existissin aquestes pèrdues. En quocient entre aquests dos valors es pot dir eficiència del dispositiu. L’energia solar incident sobre un cilindre parabòlic ve donada per l’expressió:

 Q_sol = S_c × I × Cos Φ

essent:

Q_sol = energia solar incident sobre el captador (W)
S_c = àrea d’obertura de la superfície reflectiva del captador (m2)
I = radiació solar directa (W/m2)
Φ = angle d’incidència

D’altra banda, l’energia tèrmica útil subministrada pel captador ve donada, en termes de l’increment entàlpic que experimenta el fluid de treball en el captador per:

Q_útil = Q_m × (h_sal – h_ent)

essent:
Q_útil = energia tèrmica útil subministrada pel captador (W)
q_m = cabal màssic del fluid de treball (kg/s)
h_sal = entalpia específica del fluid de treball a la sortida del captador (J/kg)
H_ent = entalpia específica del fluid de treball a la sortida del captador (J/kg)

El rendiment global del captador ve donat com el quocient entre energia tèrmica útil obtinguda al captador i l’energia solar incident:

η_total = Q_útil / Qsol

El rendiment òptic η_opt,0º no depèn de la radiació solar ni de la temperatura de treball, però si del grau d’embrutiment del reflector, ja que afecta la reflectància dels miralls i a la transmitància de la coberta de vidre del tub absorbidor. Aquesta dependència fa que quan dóna aquest valor, el fabricant ha d’especificar el grau de neteja per al qual és vàlid . El grau de neteja es refereix a la reflectància dels miralls i a la transmitància del tub de vidre.

Un valor típic aproximat del rendiment òptic pic és 0,75 per a un grau de neteja del 100%.

El modificador d’angle d’incidència, K , depèn directament de l’angle d’incidència, sent K = 1 per a = 0º, i K =0 per = 90º. El valor de K es dóna com una funció de K = K (Φ) que determina experimentalment.

El rendiment tèrmic depèn directament de la temperatura de treball del fluid i de la radiació solar directa .

Fluid tèrmic:

La missió del tub absorbidor i el fluid, és absorbir en forma d’energia tèrmica l’energia radiant procedent del Sol, i la transportar fins al bloc de potència. El tipus de fluid calorífic que s’utilitzi determina el rang de temperatures d’operació del camp solar i, conseqüentment, el rendiment que es pot obtenir en el cicle de potència.

A l’interior del tub absorbidor circula el fluid de treball, existint una àmplia varietat de fluids tèrmics per a canals parabòlics, sent els principals els olis minerals, les silicones sintètiques, les sals foses, l’aigua, els líquids iònics i l’aire o altres gasos, encara que els dos primers són els únics utilitzats en plantes comercials. El més conegut i emprat és l’òxid de bifenil-difenil (Therminol VP-1 de Solutions, Dowthern A de Dow Chemical) , molt estables i empleats en les últimes plantes SEGS de Califòrnia, la silicona sintètica és superior quant a prestacions als olis anteriors, però més car, el rang de preus oscil·la entre 2 o 3 €/kg el Therminol VP-1 i en els 10 €/kg el Sylthern 800, encara que aquest últim té millors propietats.

L’ús d’ aquest tipus d’olis tenen la  limitació de la temperatura màxima d’operació (a partir dels 400º C els olis sintètics esmentats es degraden, perdent les seves propietats). Per treballar per sobre dels 400º C s’hauria de treballar amb sals foses o un sistema aigua-vapor. En el punt de disseny de les centrals termosolars tindrem una velocitat i un cabal màssic, que variarem per no sobrepassar la temperatura de degradació.

La importància de seleccionar un fluid caloportador resideix en la influència que té aquest en el rendiment global del concentrador. S’utilitzen olis o silicones sintètiques en treballar a pressions menors que l’aigua desmineralitzada , que necessita elevar la pressió del fluid per evitar la seva ebullició, al voltant dels 100 bar donant problemes mecànics en el circuit del fluid. Al contrari dels olis i silicones amb una pressió de saturació elevada que permet no elevar tant com l’aigua la seva pressió de treball. Per contra la temperatura de congelació d’aquests olis estan sobre els 12 ºC. Treballar a menors pressions possibilita l’ús de materials més econòmics per a les canonades i simplifica la instal·lació i les seves mesures de seguretat.

L’interval de temperatures ideal per treballar amb col·lectors cilindre parabòlics és 150 ºC – 400º C. Per temperatures superiors, les pèrdues tèrmiques en aquest tipus de col·lectors són altes i baixent el rendiment. Per temperatures inferiors a 150 ºC , hi ha altres col·lectors més econòmics com els col·lectors de tub de buit .

El Therminol VP-1 treballa bé a 40 ºC, encara que té el problema que el seu punt de congelació és de 12ºC, el que obliga a mantenir tot el circuit d’oli de forma permanent a una temperatura superior a aquest valor. Això no sol ser un problema, ja que l’energia auxiliar que es consumeix per mantenir l’oli per sobre de la temperatura de congelació és molt petita (Zarza, 2002).

Hi ha olis que permeten treballar a temperatures de 400 º Ci no tenen un punt de congelació tan alt. Per exemple, el punt de congelació de l’Syltherm-800 és -40º Cperò el seu preu, és tres vegades superior, aproximadament, al Therminol VP-1.

La superfície selectiva dels tubs no aguanta temperatures molt més altes de 400 ºC. S’estan desenvolupant components avançats per als tubs que aguanten més temperatura (Benz, 2008 ) capaços de treballar a majors temperatures i pressions. És probable, per tant, que es pugui augmentar la temperatura de sortida del camp solar, el que repercutiria en un augment del rendiment del cicle de potència acoblat a aquest.

En cas que això fos possible, l’oli presentaria un inconvenient important, que és la seva temperatura màxima d’operació, 400 ºC. Aquesta limitació no la presenten ni les sals foses ni l’aigua-vapor.

Com ja s’ha vist, s’estan desenvolupant components avançats per als tubs que aguanten més temperatura. En aquest cas, el fluid de treball ja no pot ser oli, sinó sals foses o aigua-vapor.

El fluid de treball triat per les seves característiques i preu serà l’òxid de bifenil-difenil de nom comercial Therminol VP-1 de Solutions, encara que també tenim a disposició el Dowthern A de Dow Chemical. El fluid de treball té una composició d’un 73,5% d’èter difenílico i un 26,5% de bifenil.

Per a la manipulació d’aquestes substàncies per part dels treballadors s’establiran els protocols necessaris en quant a seguretat i higiene en ser un producte que produeix irritació als ulls ia la pell, causa irritació a les vies respiratòries i conté material que pot danyar el fetge i als nervis. Quan es dissenyi el pla específic de seguretat i higiene a la planta s’incorporaran la informació i els primers auxilis per minimitzar qualsevol dels efectes adversos que té el Therminol VP-1 . La marca comercial indica els següents processos:

El Therminol VP-1 és un líquid que pot entrar en combustió en condicions ambientals a 127 ºC, per això en prendre les mesures contra incendis tindrem en compte les següents mesures de lluita recomanats per l’empresa productora del producte en qüestió:

Per ser un material potencialment tòxic per al medi ambient, es prendran les mesures necessàries per contenir els vessaments que puguin sorgir durant la vida de la central, aquestes mesures consisteixen a col·locar materials inerts per a l’absorció de petits vessaments que es puguin produir en zones com les vàlvules, i col·locar uns recipients de deixalles químiques per recollir-lo. El Therminol VP-1 es transportés en una rasa diferent a l’aigua i als sistemes d’elèctrics i de comunicació, les rases es disposaran de manera que qualsevol vessament quedi recollit per una cubeta metàl·lica que els portés als punts de deixalles disposats.

Tenint en compte la temperatura de cristal·lització d’aquest oli que és de 12 ºC, s’instal·larà un sistema d’escalfament elèctric per evitar que es solidifiqui en els conductes del camp solar quan no estigui operativa la planta.

L’oli emprat, el Therminol VP-1, a mesura que utilitzi, patirà una degradació, la qual cosa afectarà significativament l’aspecte econòmic i al de seguretat. Les raons fonamentals de la degradació són les següents:

• A causa de la contaminació produïda per les restes de substàncies existents a l’interior del tub receptor. El mitjà per solucionar aquest problema és fer l’anomenat «Flushing» fent circular el fluid caloportador a una velocitat molt superior a la de treball habitual, canviant el règim laminar a un règim turbulent. Per realitzar l’operació desconnectarem vàlvules, filtres i vàlvules, i connectar una bomba especial per aconseguir el règim turbulent (més cabal i més velocitat). La brutícia que es desprèn de les canonades s’atrapa mitjançant filtres que s’aniran col·locant de manera successiva disminuint la seva grandària de pas, de manera que primer atrapi les partícules més grans i així fins a les més petites.
• A causa de la contaminació amb aigua al generador de vapor. Més concretament aquesta contaminació es produeix en el reescalfador, ja que serà l’intercanviador que més diferències de temperatura va a presentar entre el fluid caloportador i el fluid del circuit d’aigua vapor. El punt que més problemes ocasiona és la soldadura entre la placa tubular i cadascun dels tubs.
• A causa de alguna fuita es pot produir una oxidació de l’oli amb l’oxigen ambiental .
• Un craqueig (trencament de molècules més complexes en molècules més senzilles) a causa d’una superació puntual de la temperatura de 400 ºC. Aquesta degradació de l’oli pot succeir en les parets del tub absorbidor i en la caldera auxiliar.

Sistema del Fluid Tèrmic:

El sistema de fluid tèrmic consisteix en una extensa xarxa de canonades que fa circular el fluid en un sistema tancat des del camp solar al bloc de potència, la densitat del fluid a 25 ºC és de 1,06 g/cm³, i els canvis tèrmics i pressió que pateix el mateix per a la seva utilització, requerirà d’un dipòsit d’expansió i vàlvules pel qual circula l’oli tèrmic. Aquest sistema està dissenyat per mantenir un flux distribuït per igual a tot el camp per tal d’evitar les zones baixes i altes temperatures. Bombes de velocitat variable, vàlvules quadrant de control, vàlvules de circuit d’equilibri, i sensors de temperatura s’utilitzen per controlar el Therminol VP-1 a una temperatura constant.

L’objecte del sistema és transferir l’energia tèrmica captada als intercanviadors de calor per a generar el vapor, que ara funcionar la nostra turbina per produir electricitat amb l’alternador que mourà la turbina.
El fluid circula pels tubs absorbidors que formen llaços que van escalfant el Therminol VP-1 a mesura que va recorrent el camp solar.

La calor contingut en el fluid caloportador generat pel camp termosolar, s’intercanvia en un intercanviador de calor oli/aigua on es transfereix l’energia tèrmica a l’aigua per generar vapor. També disposarem d’acumuladors tèrmics així una part de la calor generada en el camp solar no cedirà al circuit de vapor sinó que emmagatzemés en sal liquida.

Durant el dia, a més de generar vapor sobreescalfat , escalfarem una barreja de sals de nitrat de potassi i nitrat de sodi, que durant la nit o en dies ennuvolats, subministra la calor necessària per al funcionament de la central.

Els primers sistemes d’emmagatzematge d’energia tèrmica eren directes, però al treballar amb sistemes amb majors temperatures d’operació per millorar l’eficiència d’energia de cicle, i també al canviar de fluid per treballar amb aquestes temperatures.

El Therminol VP-1 treballa a una alta pressió de vapor. Per tant, no es pot utilitzar en el mateix tipus de sistema de tanc no pressuritzat. Per dos motius fonamentals els tancs pressuritzats d’emmagatzematge són molt cars i no poden ser fabricats en els grans mides que necessiten per a les plantes de col·lectors cilíndric parabòlics. Després de les raons exposades utilitzarem un sistema indirecte d’emmagatzematge d’energia tèrmica amb dos grans tancs, un tanc calent i un tanc de fred. Es coneix com un sistema indirecte, ja que utilitza un fluid com a mitjà d’emmagatzematge i és diferent del que circula en el camp solar.

La calor emmagatzemat en el dipòsit de sal calenta pot accionar la turbina de la central elèctrica per unes 9 hores, gràcies a això, durant els mesos d’estiu, les centrals elèctriques poden funcionar gairebé les 24 hores al dia a plena potència. Per poder carregar l’acumulador de calor i al mateix temps accionar la turbina, el camp solar està sobredimensionat en comparació amb una central elèctrica sense acumulador. D’aquesta manera es poden gairebé doblar les hores de servei anuals a plena càrrega de la central elèctrica termosolar.
Per a la circulació del fluid caloportador es disposaran d’una sèrie de bombes centrífugues que mouran el fluid pel sistema tancat. Seran impulsades per motors de velocitat variable per tal de reduir les seves necessitats d’energia quan el sistema mogui un flux inferior al de plena càrrega. Aquestes mateixes bombes són les que mouran el fluid per evitar la seva congelació. La pressió a l’entrada de la bomba ha de ser suficient per assegurar que no es produeixen fenòmens de cavitació ni a l’entrada ni a l’interior de la bomba.

En total es disposarà de 8 bombes de 1,25 MW per moure el fluid per tot el camp, seran de la marca Friatec model TYP GVSO que posseeix bombes que resisteixen altes temperatures i pressions, i estan especialment indicades per a la impulsió d’olis tèrmics. Porten participant 25 anys en el programa de desenvolupament bombes i vàlvules del NREL o Andasol III.

Tancs d’emmagatzematge:

És un sistema d’emmagatzematge que funciona amb un tanc d’emmagatzematge en fred, un tanc d’emmagatzematge de calor , una barreja de sals de nitrat , un intercanviador de calor oli / sal i dues bombes de circulació del nitrat.

Durant la càrrega, la calor es transfereix des del fluid del camp de col·lectors cap a la sal de nitrat a través de l’intercanviador d’oli/sal. A la descàrrega s’inverteix el procés. Els intercanviadors estaran disposats en sèrie , en sentit des del tanc fred al calent. En el procés d’escalfament de les sals, l’oli circula pels tubs, mentre que les sals circulen per les carcasses. Les canonades portaran un escalfador elèctric per evitar la congelació de les sals. Per tenir un aïllament adequat s’aïllarà amb silicat de calci recobert d’alumini, aquest producte té una gran resistència mecànica i la seva excel·lent aïllant tèrmic. És un producte incombustible de fàcil instal·lació, resistent a l’abrasió i a la humitat.

Aquest sistema d’emmagatzematge funciona absorbint calor la barreja de sals fredes líquides (temperatura inicial aproximada 290 ºC) a la temperatura prop de 390 ºC. Les sals fredes foses absorbeixen calor a través dels intercanviadors de calor, s’escalfa i s’emmagatzema en el tanc calent . Més tard, quan l’energia emmagatzemada és necessària, el sistema simplement opera en sentit invers per escalfar el fluid, el que genera el vapor per operar la planta d’energia.

El mitjà d’emmagatzematge serà una barreja de 60% ​​de nitrat de sodi ( NaNO3 ) i 40% nitrat de potassi ( KNO3 ) , que és la barreja de sal que va ser utilitzada amb èxit a la planta Solar Two,  ja que ofereix una combinació favorable d’alta densitat, baixa pressió de vapor,  la calor específica moderat, baixa reactivitat química i baix cost. Una de les propietats és un alt punt de congelació ( 220 ºC ).

El tanc fred es construirà en acer al carboni , ja que les sals a 290 ºC són poc corrosives, per al tanc calent utilitzarem acer inoxidable, per fer front a la corrosió que es produeix a 565 ºC, temperatura que no hauria de arribar mai ja que el sistema treballa sempre per sota dels 400 ºC, però que si s’arribés a realitzar un canvi de fluid de tot el sistema tèrmic per treballar a major temperatura, caldria tenir en compte.
L’elecció de les hores d’emmagatzematge ens basarem en les conclusions d’un estudi fet per la National Renewable Energy Laboratory dependent del govern dels EUA que diu que «Si bé el cost del sistema d’emmagatzematge d’energia tèrmica (TES) és menor per a un cicle de turbina de potència 66 bar , la menor eficiència dels 66 bar incideixen en un major cost de l’energia solar. Aquesta és la conclusió oposada a un estudi anterior.»

La mida de l’intercanviador de calor va lligat a la mitjana de temperatura de diferència ( LMTD ) entre el fluid i la sal. Com més gran sigui l’intercanviador de calor, menor serà l’impacte en el rendiment de la turbina. Un intercanviador amb una LMTD de  2º C és de 7,5 vegades la grandària de l’intercanviador de calor amb una LMTD de 15 ºC.

Conjugant els diferents paràmetres de l’estudi econòmic realitzat per la National Renewable Energy Laboratory a 100 bar i 66 bar ( Annex 5, taula 50 i 51 ), hem triat per costos i eficiència una LTMD de 8 º C amb una àrea d’intercanvi de calor de 15,12 m2 i una capacitat d’emmagatzematge de 9 hores i una pressió de vapor de 100 bar. El cost se situa en 29,69 $ el kWh i una eficiència aproximada del 37,3% del cicle Rankine . Si la pressió estigués en els 66 bar els costos es reduirien al entorn dels 25 $ el kWh però els rendiments del cicle es reduirien una mica per sota del 35%.

Disposarem de dues bombes , la primera d’elles fa circular les sals fredes cap al intercanviador de calor de l’ oli cap a les sales on l’energia intercanviada s’emmagatzemarà. La segona de les bombes farà circular les sals calents cap al intercanviador, escalfant així el fluid de treball quan la planta es trobi en períodes en què no disposem d’insolació .

S’haurà de fer un projecte d’emmagatzematge de productes químics, seguint el Reial decret 379/2001, per als tancs de nitrat en tractar de substàncies tòxiques, oxidants i explosives o / o inflamables. Quan es tingui d’aplicar més d’una instrucció tècnica complementària del Reial decret s’apliquen les prescripcions més severes.

Tanc d’expansió

A mesura que el VP-1 s’escalfa, des del seu nivell més baix permès durant la nit, la temperatura permesa és de 20 °C , fins a la seva temperatura de funcionament de fins a 394 °C, el canvi de volum del líquid fa necessari un tanc d’expansió i una sèrie de tancs de desbordament (tenen el mateix disseny que el tanc d’expansió) per donar cabuda al diferencial de volum.

Durant l’escalfament del fluid l’expansió arriba a la seva capacitat màxima i envia els tancs de desbordament el fluid de manera continua fins que tots els tancs estan gairebé plens a plena càrrega.
A mesura que la temperatura disminueix , els tancs de sobreeiximent , mitjançant les bombes de transferència , fa de forma intermitent la transferència dels tancs de desbordament al tanc d’expansió fins que es refredi molt la temperatura de l’ VP-1 i només el tanc d’expansió estarà parcialment ple. Aquestes bombes es troben en una zona de contenció comú amb els tancs.

A causa de la reserva de calor en el sistema d’emmagatzematge tèrmic, el sistema d’expansió pot ser localitzat al costat fred del cicle de transferència de calor del fluid, que es tradueix en un estalvi de costos amb una reducció en el gruix de la paret i una lleugera reducció en l’expansió i la capacitat del tanc de sobreeiximent.
El sistema de fluid haurà de funcionar a una pressió determinada que ha de ser superior a la pressió de vapor de l’oli tèrmic VP-1 a la temperatura màxima de treball, que no pot accedir dels 400 ºC. El tanc d’expansió ens permetrà el control del sistema quant a la seva pressió de treball gràcies als sensors de pressió que tindrà.
El tanc d’expansió també es cobrirà amb nitrogen que servirà per controlar en part la pressió del sistema de circuit tancat i suprimir la formació de vapor, assegurant que la menor pressió en el sistema es manté per sobre de la pressió de vapor del VP-1.

El nitrogen també protegirà contra l’oxidació i la contaminació per contacte amb l’aire i elimina una barreja potencialment explosiva . Oxidació donarà lloc a una disminució en la capacitat del VP-1 per a la transferència de calor i la vida útil total del fluid.

L’emmagatzematge del nitrogen líquid i el sistema de vaporització és al costat del dipòsit d’expansió.
A causa de la diferència de volum específic entre l’oli fred, 290 ºC, i l’oli en el seu punt de treball més alt, 390 ºC, cal instal·lar un dipòsit pulmó ( tanc d’expansió ) que sigui capaç d’absorbir les expansions i contraccions del mateix. El dipòsit es calcularà segons el volum específic de l’oli per a ambdues temperatures.
Els tancs d’expansió seran amb protecció tèrmica per evitar les pèrdues a l’exterior de calor, i disposarà de les proteccions exteriors necessàries perquè els usuaris no puguin accedir a estar en contacte amb les parets del tanc per evitar cremades.

Com en el cas dels nitrats s’haurà de realitzar un projecte d’emmagatzematge de productes químics, seguint el Reial decret 379/2001, com que el Therminol VP-1 de substàncies tòxiques i explosiva i/o inflamable. Quan es tingui d’aplicar més d’una instrucció tècnica complementària del Reial decret s’apliquen les prescripcions més severes.

Sistemes de drenatges

S’instal·larà un sistema de drenatge capacitat per a l’emmagatzematge de les pèrdues i buidatge de les canonades i intercanviadors. Disposant un sistema d’escalfament per evitar la solidificació de les sals.

Disposarem d’una bomba, per impulsar les sals recuperades al tanc de sals fredes.

Sistema de canonades

Les canonades afecten també el funcionament del camp. La potència de bombament que es requereix per a aquest sistema constitueix una de les despeses més elevades d’electricitat del sistema auxiliar. A més, tot i que menys, les pèrdues de calor en aquestes canonades van a reduir la potència tèrmica útil que pot aportar el camp solar.

Per optimitzar aquest sistema, cal trobar la velocitat òptima a la qual deu circular el fluid de treball a través d’elles.

El disseny òptim de les canonades col · lectores és el que distribueix el fluid de treball al llarg del camp solar, consisteix a anar canviant el seu diàmetre a mesura que va variant el seu cabal màssic, de manera que la velocitat es mantingui sempre constant. D’aquesta manera, la canonada col·lectora que va distribuint el fluid fred, va disminuint el seu diàmetre, mentre que la canonada col·lectora que recull el fluid calent procedent dels llaços de col·lectors va augmentant el seu diàmetre.

La disposició òptima del sistema de canonades serà aquella que faci que els tres elements prenguin valors mínims:

• El cost d’inversió en canonades, aïllants i suports.
• El cost equivalent en pèrdues tèrmiques a través de l’aïllant.
• El cost equivalent d’energia elèctrica necessària per al bombament.

Com més baix recorregut tingui el sistema de canonades, menors seran els elements abans esmentats, tot i que també cal tenir en consideració el volum de cabal a moure en cada cas.

Triarem unes canonades amb una bona conducció a altes temperatura, les conductores de l’enllaç fred seran acer al carboni del material ASTM -A 106, les conductores de l’enllaç calent seran ASTM -A 335 que funcionen molt bé tant a altes pressions com a altes temperatures i finalment per a les canonades en que el més important sigui l’intercanvi de calor utilitzarem també canonades d’acer al carboni del material ASTM -A 179.

Configuració del camp

La configuració que finalment es disposi per al camp solar és molt important, ja que les canonades d’interconnexió poden suposar fins a un 10% del cost d’inversió (Nelly i Kearney , 2006).
Hi ha dues possibles configuracions del camp solar : la configuració a » H», per a camps amb una àrea de col·lectors més gran que 400.000 m², i la configuració a » I» per a camps amb una àrea de col·lectors menys que 400.000 m².

Un exemple de camp solar amb configuració en «H » el representa la planta d’Andasol, a Espanya, amb una àrea de col·lectors de 513.257 m².

La configuració del camp es dividirà en seccions en H, amb el bloc de potència col·locat al centre del camp. Les canonades col·lectores tenen la direcció EW. El fluid procedent del bloc de potència es distribueix a tots els llaços a través de la canonada col·lectora freda. Aquesta canonada va disminuint el seu diàmetre a mesura que va distribuint el cabal, de manera que es mantingui la velocitat en el circuit.

En el llaç, el fluid va augmentant la seva temperatura acord recorre la fila d’anada, inverteix direcció i torna al mateix punt, on és recollit per la canonada col·lectora calenta. La pèrdua de càrrega del fluid quan arriba al llaç més extern és la que condicionarà la pressió d’entrada en tots els llaços, mitjançant vàlvules, ja que en tots ells s’intenta que hi hagi la mateixa pèrdua de pressió. La canonada col·lectora calenta, conforme va recollint el fluid dels llaços, va augmentant el seu diàmetre per mantenir la velocitat de disseny.

Maneres de funcionament
El camp solar funcionarà de diferent forma segons les condicions meteorològiques regnants o si estem operant de dia o de nit.

1. Producció des del camp:  el camp solar es desplega quan hi ha prou radiació, el fluid tèrmic circula per l’interior dels col·lectors, escalfant i sent conduït al sistema de generació de vapor i emmagatzematge.
2. Producció des del camp i l’emmagatzematge: el camp solar no proporciona suficient energia per mantenir a ple rendiment el sistema de generació de vapor i l’energia emmagatzemada és aportada al sistema de generació.
3. Producció elèctrica des de l’emmagatzematge: l’energia per a la producció elèctrica és proporcionada pel sistema d’emmagatzematge.
4. Mode anticongelació: el sistema aspira el fluid tèrmic fent passar a través d’escalfadors elèctrics per evitar la congelació de l’oli. Aquesta manera de funcionament es donarà quan durant una parada perllongada es pretengui mantenir el fluid tèrmic calent.
5. Mode Standby: Quan no és possible el seguiment solar , a la nit , o quan hi ha males condicions climatològiques o altres circumstàncies adverses que aconsellen no operar la planta.

Cicle termodinàmic

La turbina, el generador i la perifèria de la instal·lació són components convencionals que trobarem a les centrals termoelèctriques. El cicle termodinàmic té com a objectiu la conversió de calor en treball, constituint el que s’anomena un cicle de potència.

En ser una central que utilitza vapor, utilitzarem un cicle Rankine. Utilitzarem un cicle de regeneració de reescalfament de la turbina de vapor que té una eficiència que s’acosta a un 38% amb condicions de vapor d’alta pressió de 100 bar, i uns 395 °C. El sobreescalfament del vapor a l’entrada de la turbina, consisteix en l’escalfament entre etapes de turbina o regeneració de l’aigua d’alimentació a caldera. Per al sobreescalfament utilitzem un cicle Rankine amb 4 extraccions de la turbina de baixa pressió , quan més preescalfada està l’aigua, menor serà la calor que cal subministrar en el generador de vapor.

L’energia solar s’utilitza per generar el vapor d’ alta pressió i també per escalfar el vapor d’ aigua. El camp solar, ja sigui mitjançant el fluid caloportador a través d’una sèrie d’intercanviadors de calor directament o mitjançant el sistema d’emmagatzematge d’energia de forma indirecta, proporciona vapor sobreescalfat a alta pressió a la planta d’energia que fa funcionar la turbina de vapor Rankine per impulsar el generador de turbina.
La turbina on s’expandeix el vapor, genera treball mecànic en el seu eix. Aquest eix, està solidàriament unit al d’un generador elèctric, transformant l’energia mecànica en elèctrica que és el que generarà l’electricitat de la central termosolar.

El vapor que entra al generador de vapor té una temperatura aproximada de 395 ºC i una pressió de gairebé 100 bar , considerant està part de la turbina d’alta pressió (HP). Una part del vapor d’escapament de la turbina d’HP es torna a escalfar al reescalfador d’oli a baixa pressió (LP), expandint de nou en la turbina de baixa pressió , amb una pressió de 42 bars, i la resta es porta a desgasificador per eliminar el contingut d’O₂ que pogués haver dissolt en l’aigua a la sortida del condensador.

El vapor de baixa pressió s’introdueix en un condensador, equip on el vapor es condensa i canvia l’estat líquid. La calor és evacuat mitjançant un corrent de refrigeració. Posteriorment, una bomba s’encarrega d’augmentar la pressió del fluid en fase líquida per tornar a introduir novament a la caldera, tancant d’aquesta manera el cicle.

La turbina de vapor té tot un seguit d’elements interns principals per al seu bon funcionament com són el sistema d’oli, la regulació de velocitat i els dispositius de seguretat (tret per sobrevelocitat , per baixa pressió de l’oli , manual d’emergència) i una sèrie d’equips auxiliars, aquests últims es detallen breument a continuació.
La turbina serà la turbina Siemens SST800, és una turbina de carcassa simple d’accionament directe amb disseny de reflux per a aplicacions de generació d’energia . La potència lliurada és de fins a 150 MWt, amb una pressió d’entrada de fins a 140 bar, una temperatura d’entrada de fins 540 °C i una velocitat de gir de 3000-3600 rpm. Tindrem fins a 6 preses, a diversos nivells de pressió i una pressió en la fuita de fins a 14 bar.
L’avantatge d’aquesta turbina és una alta fiabilitat , disponibilitat i eficiència , amb un manteniment i instal·lació fàcil . També que la instal·lació a nivell del sòl de la turbina està equipada amb sortida axial o cap amunt , produint un estalvi substancial en el cost base i la construcció . Podrem personalitzar la turbina a les necessitats de la nostra planta.

Generador de Vapor

La funció del generador de vapor és produir vapor sobreescalfat a les condicions requerides d’entrada a la turbina, a partir de l’energia tèrmica de l’oli recollida en el camp solar o en els intercanviadors de sals quan es descarrega l’emmagatzematge.
Aquest és un element crític pel gran nombre de tubs i soldadures que té en el seu interior la qualitat caldrà tenir cura extremadament perquè no hi hagi cap contaminació de l’aigua amb l’oli, el que podria produir danys de gran abast en la turbina.

Vàlvules bypass

Es disposarà de dues vàlvules de bypass , una d’alta pressió i un altre de baixa pressió, amb la funció d’aïllar la turbina de vapor de la caldera durant l’arrencada, parada i durant els canvis de la càrrega. Això protegeix a la turbina del pas d’aigua i protegeix l’equip de la planta dels grans transitoris tèrmics. El sistema de bypass de turbina està dissenyat per facilitar el temps d’arrencada més ràpid possible per mitjà del control de la pressió i temperatura de la caldera. Això requereix un precís funcionament de la regulació per poder controlar la pressió del vapor i també un precís control de la temperatura per protegir l’equip aigües avall fent coincidir les condicions amb les que normalment es produeixen a la sortida de la turbina.

Una de les seves funcions és simular a la turbina, ja que a la sortida d’aquestes ha d’haver la mateixa pressió i temperatura que si el vapor hagués travessat la turbina . L’ajust d’aquestes vàlvules és molt sensible, ha d’estar coordinat amb la vàlvula d’admissió a la turbina.

Condensador

A la sortida de la turbina de vapor de baixa pressió col·locarem el condensador, que la seva funció principal és condensar el vapor, també s’aprofita en aquest punt per eliminar gasos incondensables i nocius ja que alguns són molt corrosius com l’oxigen, s’eliminen per mètodes físic o químics. La turbina va unida al condensador a través d’una junta d’expansió, a més el condensador està protegit contra les sobrepressions amb els seus corresponents vàlvules, també té protecció catòdica per evitar la seva corrosió.

La sortida de la turbina al condensador és radial seu principal avantatge és la facilitat constructiva i els seus inconvenients són la gran alçada de la fonamentació i el major cost de l’obra civil.

Els gasos condensables són el 99% del total , per a la seva condensació s’empra aigua freda que es fa passar per un feix tubular del condensador, a una temperatura menor que la temperatura de saturació. Per a l’eliminació dels gasos incondensables que són l’altre 1% s’utilitzarà els ejectors de vapor , basant-se en el principi de Bernouilli i el seu principal avantatge és que són simples.

Extraccions de la turbina.

A la turbina hi ha diferents preses per on es treu vapor per a ser usat principalment en el condensador i en el desgasificador per eliminar els gasos incondensables i per preescalfar l’aigua. Depenent de la zona de la turbina d’on es tregui el vapor aquest tindrà uns valors de pressió i temperatura determinats.

Sobreescalfadors.

Cridats també reescalfadors de vapor, són elements que permeten elevar la temperatura del vapor produït dins de la caldera, mantenint constantment la pressió del mateix; transformen el vapor saturat a vapor reescalfat fent disminuir el perill que estigui es condensi dins de la màquina, ja que li vapor que arriba a la font de consum ho fa en estat més sec.

Preescalfadors

Són intercanviadors de carcassa – tubs , en forma d’U , la seva funció és preescalfar l’aigua del desgasificador, el precalientan per mitjà del vapor que s’extreu de les turbines.

Desgasificador

La seva funció consisteix a eliminar els gasos que no ha estat possible eliminar en el condensador, principalment oxigen i diòxid de carboni, ho fa per mitjà d’una desgasificació tèrmica, complementària de la desgasificació del condensador , de l’addició de productes segrestants d’oxigen i també s’encarrega de preescalfar l’aigua aprofitant la desgasificació tèrmica. La desgasificació tèrmica és més efectiva que la desgasificació química, que també es realitza en el condensador, es basa en que l’oxigen és menys soluble en l’ aigua calenta, de manera que en augmentar la temperatura es desprèn, algunes plantes no tenen aquest element, la desgasificació es realitza en el condensador, per a això el condensador està equipat amb unes broquets en el fons per escalfar l’ aigua amb vapor procedent de la línia de vapor viu.

Bombes d’alimentació a la caldera.

Són les bombes encarregades d’impulsar l’aigua des del dipòsit d’aigua d’alimentació a la caldera, elevant la seva pressió a la de treball.

Seran bombes centrífugues multietapa, situant diverses bombes centrífugues en sèrie, i estaran duplicades com a mesura de seguretat.

El principal problema que poden patir aquestes bombes és el de la cavitació, ja que quan la pressió baixa el líquid pot vaporitzar , les bombolles formades en l’aspiració de la bomba creixen i exploten , provocant cràters, vibracions, i un desgast accelerat de la voluta i del rodet, per evitar la cavitació, cal assegurar que el NPSH (alçada mínima d’aspiració) sigui el correcte , també cal assegurar que l’entrada de líquid no està escanyada i és suficient.

Bombes de condensat

Són les bombes encarregades d’enviar l’aigua condensada del condensador al dipòsit d’aigua d’alimentació.

Sistema elèctric

L’eix de sortida de turbina es connecta solidàriament amb un alternador trifàsic per generar electricitat. La velocitat de la turbina a la qual l’alternador està sòlidament lligat per l’eix, ha de determinar els pols de l’alternador. L’alternador, serà un generador síncron trifàsic de dos pols amb una potència de 50 MW, generarà energia elèctrica a una tensió de 10,5 kV a la freqüència de la xarxa, 50 Hz , que mitjançant una estació transformadora , elevarà el voltatge al de la línia de distribució a 220 kV, línia per la qual evacuarem la nostra electricitat al sistema elèctric. La connexió de generador trifàsic serà en triangle.

El centre de transformació estarà al costat del generador , però serà a la intempèrie. La normativa d’obligat compliment aplicable a la construcció d’aquests centres es vasa en la norma UNE -EN 60694 «Estipulacions comuns per la norma de aparellatge d’alta tensió».

La unió del generador amb el transformador de potència es realitzarà amb cables de la marca Grup Prysmian, tipus Voltalene amb aïllament de XLPE ( polietilè reticulat ). La unió del transformador amb la línia de transport es realitzarà amb un cable LA- 4380 Gull d’alumini amb ànima d’acer.

Alternador i les seves proteccions

El turbogenerador serà de la marca SEC Electric Machinery de la sèrie QFW , amb excitació per tiristor estàtic, girant a 3.000 rpm, amb un nivell de protecció IP55 i té un mètode de refrigeració IC81W que és per aigua amb nevera de circuit tancat d’aire- aigua.

Per a la seva instal·lació i ús estarà ubicat en un lloc net, amb una temperatura d’aire ambient que no ha d’excedir els 40 ºC i la humitat de l’aire en el generador no ha de superar el 50 %.

L’excitació es realitza mitjançant tiristors giratoris sense escombretes, el sistema compost pels tiristors converteixen el corrent altern en corrent continu alimentat directament al rotor.

El generador és un element molt costós del sistema no considerat tant el cost d’adquisició, com el cost que comporta qualsevol sortida de treball com passaria amb la turbina, per això, s’han de protegir més àmpliament que qualsevol altre aparell, així com l’estar connectat a la xarxa a de complir la normativa sobre protecció del Reial Decret 3275/1982.

El generador tindrà tot un seguit de proteccions internes conformat pels relés que portarà incorporats per les fallades en l’estator com són els de fase, entre fase i terra i entris espires, per les fallades en el rotor com són les pèrdues de camp o curtcircuits al camp, vigilant en tot moment el sobreescalfaments de l’alternador.
Afegirem tot un seguit de proteccions externes per a la protecció de l’alternador. Tant les proteccions externes com internes quan s’activi una d’elles duran a terme la parada de l’alternador.

S’incorporés un relé de protecció de potència inversa (32) per no absorbir corrent elèctric de la xarxa elèctrica, així evitem la motorització que passa quan el flux de vapor de la turbina es redueix estant el generador encara connectat al sistema . El generador actuaria com a motor síncron , podent danyar als àleps de la turbina per sobreescalfament. Per evitar falsos trets es posarà un retard de 20 segons en el relé amb un xut tipus A.

Afegirem una de protecció de sobrecorrents (51) que seran detectors de temperatura col·locats en diversos punts dels debanats de l’estator en ser el més efectiu. També per protegir contra sobrecorrents amb protecció diferencial (87) així detectem si hi ha corrents diferents entre fases del generador. Disposarem d’aquesta última protecció tant per l’alternador, com el transformador i la resta del circuit.

El generador pot perdre l’excitació per diversos factors i la pèrdua de l’excitació fa que el generador absorbeixi potència reactiva de la xarxa per obtenir el seu excitació, també pot produir embalament de la màquina , asincronisme en l’operació, sobreescalfament del rotor i corrents induïts molt altes, entre altres coses, posant un protecció contra pèrdua d’excitació (40).

Les unitats tèrmiques coma la nostra, a diferència de les hidràuliques, responen ràpidament a l’augment inicial de velocitat en cas de pèrdua sobtada de la càrrega per això se’ls ha de col·locar protecció de velocitat. Això ho farem amb un relé direccional de potència.

A part d’aquestes quatre proteccions abans esmentades, no sent un alternador de gran potència necessitarem una altra sèrie de proteccions breument descrites.

Instal·larem un relé de protecció contra corrents de seqüència negativa per generadors desequilibrats (46). En cas de fallada a terra de l’aïllament d’una màquina col·locarem un relé de protecció de terra (64G i 64 B) , en ser aquest tipus de fallada un dels més freqüents. Per al cas d’una diferència de tensió entre dos circuits col·locarem relé d’equilibri de tensió (60). Per cas de sobretensions instal·larem un relé de sobretensió (59). I finalment es disposarà d’un relé d’enclavament (86) que funciona per aturar i mantenir un equip fora de servei quan concorren condicions anormals, així com unes proteccions de màxima i mínima freqüència. Posarem una protecció contra sobrecàrregues en el estator i el rotor (49) per protegir de sobrecàrregues que no arribin a provocar un curtcircuit. En cas de pèrdua de sincronisme (78) per desequilibris de la xarxa instal·larem un altre relé. També es posarà un per errors de l’interruptor (50).

Tindrà de dispositius de control de la temperatura dels bobinats i del circuit magnètic i s’haurà de prestar atenció, en el projecte i muntatge, als problemes de vibracions.

En la línia de mitja tensió instal·larem un relé per protegir els equips i sistemes elèctrics contra els voltatges alts i baixos, faltes de fase i inversió de seqüència de fases del sistema elèctric (27).

Per Alimentar els relés es necessita disposar d’una distribució dels valors de tensió i de les intensitats de la xarxa. Per raons de seguretat les tensions es limiten per mitjà de transformadors de tensió. El mateix passa amb les intensitats de corrent que es limiten mitjançant transformadors d’intensitat.

Estació elevadora

L’estació elèctrica es farà servir per a la transformació de la tensió del generador de 10,5 kV a una tensió adequada a les necessitats en el nostre cas 220 kV. S’elevarà la tensió que està donant el generador fins la tensió de la xarxa de distribució a la qual estarem connectats. El que s’aconsegueix en elevar les tensions és disminuir la intensitat que circula per les línies obtenint amb això una de reducció de pèrdues i que la secció dels conductors sigui menor amb el consegüent estalvi econòmic. Els elements constitutius d’aquestes subestacions són les següents:

Sistema de barres col·lectores a alta tensió , a les quals van a parar la línia de sortida de l’alternador .

1. Les cel·les en línia.
2. El transformador.
3. L’aparellatge de maniobra.
4. L’aparellatge de control i mesura.
5. L’aparellatge de protecció.

El generador està connectat en bloc, en què el generador es connectés directament a un transformador trifàsic. El generador es connecta a l’embarrat a través d’un seccionador seguit d’un disjuntor fins a la connexió de l’embarrat, on sortirà una línia on connectarem seguidament el transformador, i aigües amunt disposarem d’un seccionador seguit amb un interruptor automàtic abans de la sortida a la xarxa del corrent elèctric.

El transformador de potència serà trifàsic, i sent un transformador de mitja potència utilitzarem un transformador en bany d’oli, submergit en líquid refrigerant, amb circulació de forma natural, una refrigeració exterior per aire i la manera de refrigeració externa per aire, sent un transformador de tipus ONAN. El transformador tindrà una connexió triangle estrella DY, això ens permet tenir al costat de més tensió la posada a terra, donant aquest tipus de connexió l’avantatge de comportar-se bé enfront els desequilibris de la càrrega.

En les proteccions dels transformadors, tal com va passar a l’alternador, tindrà tot un seguit de proteccions internes incorporades com seran el termòstat, el termòmetre, relé Bulcholz – Janse, relé Bulcholz i dispositius de regulació.

Disposarem de diferents proteccions externes, com marca el pel Reial Decret 3275/1982, la primera serà la protecció amb relé de sobreintensitats (50) s’utilitza en transformadors. També s’instal·larà els relés de terra (51) al neutre del transformador, que s’ajustarà normalment amb una sensitivitat del 10%, del corrent a plena càrrega del transformador. Les dues proteccions són proteccions contra sobreintensitats.
La protecció diferencial  (87) en els transformadors per detectar si hi ha corrents diferents entre fases, però a diferència del generador presenten una sèrie de dificultats addicionals com són intensitats de diferent magnitud, desfasament entre tensions del primari i el secundari (índex horari) i desfasament entre els corrents primàries i secundàries, l’obertura dels interruptors de tots els debanats es realitzarà simultàniament. Es dotarà al relé d’un rearmament manual que impedeixi l’ tanca dels interruptors després de l’actuació d’aquest, sense abans haver-se comprovat la gravetat de l’avaria. El debanat connectat a estrella se li posarà una protecció diferencial contra defectes a terra.

Per cas de sobretensions col·locarem un relé de sobretensions (59) i un relé de protecció de la cuba (51N) que unirà la cuba del transformador a una presa de terra, a través d’un transformador d’intensitat el secundari està connectat a un relé amperimètric instantani. Protegir el transformador de sobrecàrregues perquè no arribin a provocar un curtcircuit (49). Disposarem d’una protecció per detectar i desfogar sobre pressions internes que puguin resultar perilloses i l’origen siguin falles internes, mitjançant un relé de pressió (63).
Estaran proveïts de dispositius tèrmics que detectin la temperatura dels debanats o del medi refrigerant i de dispositius alliberadors de pressió que evacuen gasos de l’interior de la cuba en cas de cremo intern. En ser de potència superior a 2,5 MVA el transformador, estarà dotat d’un relé que detecti el despreniment de gasos en el líquid refrigerant.

A la instal·lació pot haver un augment de la tensió màxima en forma d’un impuls curt i aïllat, aquest tipus de sobretensions donades per connexions i desconnexions d’interruptors, curtcircuits o variacions brusques de càrrega  no són tan perilloses com les descàrregues atmosfèriques. Les ones que creen produeixen una ràpida pujada del valor màxim de tensió , seguida d’una baixada molt més lenta de la tensió fins valors normals de servei. Protegirem amb una autovàlvula limitant així l’efecte sobre el transformador . Col·locarem 1 autovàlvula entre cadascuna de les fases de la línia i terra, a l’entrada del transformador ia la sortida.
Tindrem dues estacions de transformació reductores per a alimentar els serveis auxiliars . Els transformadors tindran les mateixes proteccions que l’estació elevadora . El transformador de MT tindrà una relació de transformació de 10,5 / 6 kV, que alimentarà als diferents motors de mitja tensió i el transformador de BT tindrà la relació de transformació 6/ 0, 4 kV.

Alimentació dels circuits auxiliars

Per al funcionament dels dispositius de protecció, necessitem de fonts de tensió auxiliars, la missió és assegurar les diferents funcions del sistema de protecció com són l’amplificació dels senyals dels relés detectors, assegura els enllaços entre relés, la senyalització de l’estat de els mateixos, el comandament dels interruptors automàtics entre d’altres.

Aquesta font auxiliar serà de corrent continu proporcionada per una bateria d’acumuladors, que asseguren l’alimentació correcta i tot en el cas de pertorbació a la xarxa d’alta tensió.

Les tensions de les bateries que s’utilitzaran seran de 230 V en CA per als accionaments dels dispositius de connexió i enllumenat d’emergència i 24 V en CC per als llocs de control i comandament a distància . Necessitarem un ondulador per proporcionar la CA. Les bateries estaran connectades a terra.

Aparells de maniobra

La instal·lació elèctrica anirà degudament protegida contra corrents de curtcircuit i les sobrecàrregues. Per a les proteccions contra les sobreintensitats s’utilitzaran interruptors automàtics, seccionadors de posada a terra i curtcircuits amb fusibles en la part de baixa tensió.

Disposarem una protecció contra sobretensions perilloses tant d’origen atmosfèric com internes que serà un parallamps autovàlvules de resistència variable, que varia la seva resistència amb molta rapidesa, disminuint quan més gran sigui la tensió aplicada i adquirint un valor elevat en reduir la tensió. Els borns de terra d’aquestes autovàlvules s’uniran a la presa de terra d’acord amb el que estableix la ITC del MIE RAT.

La protecció contra sobretensions té per objecte preservar els elements de sobretensions que poden aparèixer. La exteriors seran d’origen atmosfèric com llamps o càrregues estàtiques de la línia. Les d’origen intern vindran d’oscil·lacions de la intensitat de corrent, les variacions de càrrega o les descàrregues de terra . Instal·larem parallamps a tots els espais de la signatura ABB per a les tensions adequades a les seves característiques.

Entre els diferents dispositius de protecció contra les sobreintensitats s’establirà una adequada coordinació d’actuació perquè la part desconnectada en cas de curtcircuit o sobrecàrrega sigui la menys possible.

La connexió entre el generador i el transformador es protegirà amb un interruptor automàtic (disjuntor) que serà capaç de tallar les corrents de curtcircuit. L’interruptor automàtic utilitzarà la tècnica de ruptura en el hexafluorur de sofre (SF6), un gas pesat molt estable, inodor, inert, inflamable i no tòxic. Escollirem aquesta tècnica d’interrupció sobre la resta per les seves altes prestacions elèctriques, gran fiabilitat, fàcil revisió i una baixa necessitat de manteniment. Els interruptors automàtics de potència seran en tot cas tripolars. L’interruptor automàtic de 220 ​​kV serà de la marca Vatech, per a l’exterior, segons les característiques requerides. L’interruptor automàtic de 10,5 kV serà d’un conjunt de cel·les blindades, subministrat per Siemens.

Entre el disjuntor i el transformador situarem un seccionador de posada a terra per poder aïllar adequadament el transformador amb el seccionador de posada a terra que disposarem a la sortida del mateix. Seguidament disposarem d’un altre interruptor automàtic amb la mateixa tècnica de ruptura que l’anterior. Amb aquesta disposició podrem realitzar els treballs de reparació i manteniment de la instal·lació, deixant sense tensió la instal·lació per mitjà dels seccionadors.

L’elecció del tipus de seccionador utilitzat en la instal·lació, depèn sobretot de la tensió nominal de la instal·lació i, en menor grau, del corrent que travessarà el seccionador. El seccionador de tensió nominal 220 kV serà un seccionador rotatiu tripolar, sent la marca emprada Mesa. A la part de 25 kV, el seccionador estarà dins de la cel•la blindada Siemens.

A la sortida de l’alternador disposarem d’una protecció contra sobretensions, seguidament disposarem d’un transformador de tensió de mesura i protecció de MT, seguit d’un mesurador de corrent, el disjuntor i un altre mesurador de corrent. Entre el seccionador anterior al transformador i aquest, disposarem d’una protecció contra sobretensions amb un transformador de mesura. Entre el seccionador posterior al transformador i l’interruptor automàtic disposarem de transformadors de mesura.

La instal·lació elèctrica s’haurà de protegir contra les sobretensions perilloses d’origen atmosfèric, per això s’utilitzarà, un parallamps autovàlvules de resistència variable. Els borns de terra d’aquestes autovàlvules s’uniran a la presa de terra d’acord amb el que estableix la ITC del MIE RAT.

Conductors elèctrics

Els circuits amb diferents i diverses classes de corrent, s’hauran de separar entre si i disposar-se de manera que es redueixin al mínim els riscos per a les persones i les coses.
Els conductors elèctrics interiors seran de coure amb resistència a la corrosió i recoberts de materials aïllants apropiats. Només els conductors aeris seran nus.

Les connexions dels conductors als aparells, així com els empalmaments entre conductors, hauran de realitzar mitjançant dispositius adequats, de manera que no incrementin sensiblement la resistència elèctrica del conductor. S’han de prendre les precaucions necessàries perquè les superfícies en contacte no sofreixin deteriorament que perjudiqui la resistència mecànica necessària.

Els conductors d’energia elèctrica a l’interior del recinte de la instal·lació es consideren dividits en canalitzacions de baixa tensió i d’alta tensió. Les primeres han de ser disposades i realitzades d’acord amb el Reglament Electrotècnic per a Baixa Tensió, es tindrà en compte el perill d’incendi, la seva propagació i conseqüències.

La intensitat admissible en els conductors aïllats, la secció es determinarà tenint en compte la temperatura límit admissible, per l’aïllament, tant en servei continu com en servei momentani.

Posada a terra

La instal·lació elèctrica ha de disposar d’una protecció o instal·lació de terra dissenyada de tal manera que, en qualsevol punt normalment accessible de l’interior o exterior de la mateixa on les persones puguin circular o romandre, aquestes quedin sotmeses com a màxim a les tensions de pas i contacte (durant qualsevol defecte en la instal·lació elèctrica u/o la xarxa unida a ella) que resultin de l’aplicació de les formules que es recullen a continuació.

La instal·lació elèctrica, així com les seves parts metàl·liques, seran connectats a terra amb una xarxa de terres a la qual es connectaran els punts de terra dels diferents equips de la planta.

La posada a terra es realitzarà complint la ITC del MIE RAT 13 del Reial Decret 3275/1982 sobre Condicions Tècniques i Garanties en Centrals Elèctriques i Centres de Transformació.

Tots els circuits de baixa tensió no connectats a terra, que estiguin en contacte amb màquines i aparells d’alta tensió, o que estiguin molt pròxims a altres circuits d’alta tensió, han de ser considerats, a efectes de la seva disposició i servei, com si fossin ells mateixos elements d’alta tensió. S’exceptuaran d’aquesta prescripció dels circuits de baixa tensió pròxims a altres d’alta tensió degudament protegits perquè no arribin tensions perilloses.

Les masses de la instal·lació receptora estan connectades a una presa de terra separada de la presa de terra de l’alimentació, requerint de protecció diferencial per protegir contra els xocs elèctrics per contactes indirectes produïts per fallades d’aïllament, ja que els corrents de defecte entre fases i terra són petites per als valors de les impedàncies del bucle entre la terra i el neutre.

La instal·lació de posada a terra serà una malla de conductors disposats en forma reticular, que seran diversos conductors enterrats horitzontalment i formant una quadricula. Es realitzarà la malla durant la construcció dels fonaments de l’edifici que albergarà la sala de control, la turbina, el generador, entre d’altres elements de la central. Es realitzarà amb conductors de coure enterrats horitzontalment a 80 cm de la superfície del terreny, evitant qualsevol repercussió d’una gelada. La malla es reforçarà mitjançant piques muntades a la perifèria de la mateixa.

Amb aquest sistema la tensió de pas sobre la mateixa normalment és menys perillosa que les tensions de contacte, no sent així a l’exterior de la malla.

Per evitar la corrosió dels elèctrodes de posada a terra es muntarà una protecció catòdica.

Es recorrerà a l’ús de mesures addicionals de seguretat per tal de reduir els riscos a les persones i els béns. Aquestes mesures seran:

• Fer inaccessibles les zones perilloses.
• Disposar terres o paviments que aïllin suficientment de terra les zones de servei perilloses.
• Aïllar totes les empunyadures o comandaments que hagin de ser tocats.
• Establir connexions equipotencials entre la zona on es realitzi el servei i tots els elements conductors accessibles des de la mateixa.
• Aïllar els conductors de terra a la seva entrada en el terreny.

Es disposarà el suficient nombre de rètols avisadors amb instruccions adequades a les zones perilloses i existirà a disposició del personal de servei, els mitjans de protecció com ara calçat aïllant, guants, banquetes o estoretes aïllants.

Càlcul

Càlcul del recurs

El nostre recurs és la radiació incident, serà diferent per a cada dia de l’any. Si fem la divisió d’aquest recurs tindrem una part de radiació directa, una part de radiació difusa i finalment una part de radiació reflectida, de la qual la primera és la que ens aportarà globalment més energia.

Tenim una expressió que descriu el flux d’energia sobre un pla normal a la radiació solar extraterrestre. El seu valor està donat per l’expressió:

G_on =G_sc (1+ 0,033 Cos (360n/365))

n el dia de l’any comptant des de l’1 de gener (n = 1) i en la qual G_on, s’expressa en W/m2 i és el flux de radiació extraterrestre.

La radiació directa no és l’única que ens arriba, també tenim una radiació difusa i la radiació reflectida.

De la radiació incident sobre la terra, de l’ordre del 20% és reflectida cap a l’espai i un percentatge una mica menor és absorbit i difós en travessar l’atmosfera. La intensitat de radiació captada al nivell del mar és de l’ordre d’1 kW/m². Tenint en compte l’altura en metres, la nostra radiació serà una mica per sobre.

La intensitat de radiació transmesa a través de l’atmosfera sol dividir en dues parts: directa i difusa. La primera procedeix directament del disc solar, tan sols amb els canvis de direcció deguts al fenomen de refracció seria nul·la o molt baixa en dies ennuvolats.

La radiació difusa, en canvi, arriba a la terra sense una direcció determinada, produint la impressió que procedeix de tota la volta celeste, fins i tot en dies que no llueix el sol. Els fotons interaccionen amb partícules de pols i gasos de l’atmosfera, de vegades són absorbits per les molècules, en altres casos difosos amb canvis de direcció. Normalment té major influència per a les longituds d’ona baixa.

Radiació reflectida: és la radiació incident en la superfície que procedeix de la reflectida pel terra. El quocient entre la radiació reflectida i la incident en la superfície de la terra se l’anomena albedo. El nostre terreny és del tipus agrícola i terreny amb poca o nul·la vegetació, amb aquesta classe de terreny la reflexió està entre els valors de 0,2 i 0,3.

G = I + D + R

La intensitat de la radiació solar que arriba a la superfície de la terra es redueix per diversos factors variables. L’absorció es realitza en les diferents longituds d’ona que té una radiació, sent els agents d’aquesta absorció, gasos de l’atmosfera, diòxid de carboni, ozó, vapor d’aigua, per difusió atmosfèrica per partícules de pols, molècules, gotes d’aigua, reflexió dels núvols i per la inclinació del pla que rep radiació, entre d’altres. Amb totes aquestes dades la radiació mesura en la superfície de la terra varia 1,6 a 0.

En la posició més propera de la Terra al Sol, centre a centre, denominat periheli que té lloc cap al 3 de gener de cada any és de 147 milions de km i la posició més allunyada afeli és de 152 milions km i té lloc cap al 4 de juliol de cada any. La distància varia un 1,67%.

La Terra gira al voltant d’un eix ideal denominat eix polar. Aquest eix talla a la superfície terrestre en dos punts diametralment oposats, pol nord i sud, no són punts fixos de la superfície, ja que el moment cinètic de la Terra varia, el període de rotació és de 24 hores, amb el gir contrari a les agulles del rellotge. L’eix polar no és perpendicular al pla de l’eclíptica sinó que forma amb la normal a aquest un angle θ = 23,5º. Durant el temps que triga la Terra a completar una òrbita al voltant del Sol, pot admetre que aquest angle es manté constant i l’eix polar es trasllada conservant paral·lel a si mateix.

El pla equatorial, pla del cercle màxim de l’esfera terrestre perpendicular a l’eix polar, tallarà al pla de l’eclíptica segons una recta, que s’anomena línia de equinoccis.

Una anàlisi més detallada del moviment indica que l’angle θ no és constant, sinó que experimenta una oscil·lació d’amplitud 9,2» un període d’uns 19 anys, moviment que s’anomena de nutació. Actualment, l’angle φ entre l’eix polar de rotació de la Terra i la normal al pla de l’eclíptica és de 23° 27′.

Per determina la intensitat d’energia solar disponible en un punt determinat de la Terra depèn del dia, l’any, de l’hora i la latitud d’aquest, a més de l’orientació del dispositiu receptor d’energia solar que tinguem.

La latitud és una coordenada geogràfica, que juntament amb l’altitud i la longitud permet establir un sistema de referència per localitzar amb precisió qualsevol punt de la superfície terrestre.

La latitud d’un lloc és l’angle que forma el radi terrestre que en aquest lloc amb el pla equatorial. Tots els punts de l’equador tenen latitud nul·la i tots els punts d’igual latitud estan situats en una mateixa circumferència, anomenada paral·lel, per ser el seu pla paral·lel a l’equador, la latitud varia des de 0° a 90°, havent d’indicar si aquesta és latitud nord o sud. En paral · lel de latitud 23,50º N se li denomina Tròpic de càncer, en el paral·lel de latitud 23,5 ° S Tròpic de Capricorn.

Els plànols que contenen l’eix polar terrestre denominen plans meridians i les seves interseccions amb la superfície terrestre, meridians. El pla meridià que es pren com a referència és el que passa per Greenwich (Anglaterra), diferenciant la longitud d’un punt com l’angle que forma el meridià que passa per aquest punt amb el meridià de referència. La longitud varia de 0° a 180º i s’ha d’indicar si és est o oest.

En els solsticis, el pla determinat per la normal a l’eclíptica i l’eix polar terrestre passa pel Sol el solstici d’hivern, els raigs solars incideixen normals a la superfície terrestre en el Tròpic de Capricorn, δ = -23,5 °, i en el solstici d’estiu, són perpendiculars a la superfície terrestre en el Tròpic de Càncer, δ = 23,5°. Tot això referit a l’hemisferi nord, ja que al sud les coses succeeixen de forma inversa.

L’esfera celeste en una superfície esfèrica ideal, de radi infinit, sobre la qual es projecten des de l’observador dels cossos celestes. En funció dels objectius, el centre de l’esfera celeste es pot prendre en el punt d’observació o al centre de la Terra, nosaltres considerarem aquest últim cas.

La vertical del lloc talla a l’esfera celeste en dos punts, anomenats zenit i nadir. El primer és el situat sobre l’observador.

La declinació solar, δ, és l’angle que forma la línia Sol-Terra, centre a centre, amb la seva projecció sobre el pla equatorial. En els equinoccis de primavera i tardor el seu valor és zero, sent de 23,5° al solstici d’estiu i d’-23,5º en el d’hivern. El seu valor per a cada dia de l’any està donat per l’expressió:

δ = 23,45 Sin (360 + ((284 + n) / 365))