ES2382264B1

ES2382264B1 - Planta hibrida gestionable de tecnologia termosolar y fotovoltaica y metodo de funcionamiento de la misma

Info

Publication number: ES2382264B1
Application number: ES201001207A
Authority: ES
Inventors: Juan Pablo Núñez Bootello; Salvador Valenzuela Rubia; Lucia Serrano Gallar; Lucia Fernandez Calderon
Original assignee: Abengoa Solar New Technologies SA
Current assignee: Abengoa Solar New Technologies SA
Priority date: 2010-09-21
Filing date: 2010-09-21
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2030-09-21
Also published as: US20130298964A1; CN103392101A; EP2620719A4; WO2012038566A1; EP2620719A1; US9140241B2; SA111320768B1; CL2013000742A1; ES2382264A1

Abstract

Planta híbrida gestionable de tecnología termosolar y fotovoltaica y método de funcionamiento de la misma, donde dicha planta híbrida comprende tres niveles de generación:#El nivel 1 (1) de generación fotovoltaica (42) que cubre autoconsumos de la planta;#el nivel 2 (2) de generación de la planta termosolar (44) y otra parte de generación fotovoltaica (45) que cubre los consumos de los servicios auxiliares de la planta termosolar (43);#el nivel 3 (3) de generación de otro área de producción fotovoltaica (46) que mejora la curva de producción total,#siendo la potencia total generada por la planta híbrida y vertida a la red (47), el resultado de la suma de generación de los tres niveles.#Los módulos fotovoltaicos de la invención se ubican en: la cara norte o sur de la torre no ocupada por la cavidad; la zona que rodea a los receptores solares de la torre; en cubiertas o tejados de la planta, en la parte trasera de los helióstatos; en terreno anexo a la planta de torre.

Description

PLANTA HÍBRIDA GESTIONABLE DE TECNOLOGÍA TERMOSOLAR ﾭ VOLTAICA Y MÉTODO DE FUNCIONAMIENTO DE LA MISMA

Sector técnico de la invención

La invención se encuadra dentro del sector de generación de electricidad a partir de la radiación solar, más concretamente, se engloba dentro del sector de las plantas híbridas, pues combina la tecnología termosolar con la tecnología fotovoltaica.

Antecedentes de la invención

Estudiando la legislación española referente a las energías renovables, el Real Decreta 661/2007, de 25 de mayo, por el que se regula la actividad de producción de ﾭ nes para producción de electricidad a partir de la energía solar: ﾭ gía primaria mediante la tecnología fotovoltaica. Subgrupo b.1.2. a transformación de la energía solar, como energía primaria, en electricidad. En estas instalaciones se podrán utilizar equipos que utilicen un combustible para el mantenimiento de la temperatura del fluido trasmisor de calor para compensar la falta de irradiación solar que pueda afectar a la entrega prevista de energía (. ..).

Si atendemos a las exigencias de Red Eléctrica Española (REE), empresa independiente y dedicada exclusivamente al transporte y la o español, para llevar a cabo una integración segura de las renovables en el sistema eléctrico, se requiere que estas cumplan con una serie de requisitos como son: continuidad en el suministro, calidad del suministro (minimizando las oscilaciones en l suministro) y gestionabilidad. En el Anexo 11 RD 661/2007 se lee " ... A Jos efectos de este real decreto, se define como generación no gestionable aquella cuya fuente primaria no es controlable ni ﾭ lizar un control de la producción siguiendo instrucciones del operador del sistema sin : incurrir en un vertido de energía primaria, o bien la o es suficiente para que pueda considerarse como programa. En principio, se consideran como no gestionables Jos ﾭ cial que de acuerdo a la n incluidos en los grupos b.1, b.2 y b.3, s integrados en Jos grupos b. 4 y b. 5, salvo valoración específica de gestionable de a planta generadora a realizar por el operador del sistema, con la consecuente aplicación de los requisitos o condicionantes asociados a dicha condición."

Es decir, según el RD en principio, se consideran como no gestionables tanto la energía fotovoltaica (b.1.1) como la termosolar (b.1.2). Sin embargo, REE tiene pu5 blicados unos Procedimientos de acceso y conexión en su página web: http://www.ree.es/transporte/procedimientos_acceso_conexion.asp. En concreto el formulario de datos "Nuevos generadores de régimen especial con proceso de combustión o solar térmica " en el apartado "Valoración de gestionabilidad de centrales termosolares" define los criterios que deben cumplir las centrales termosolares para

1O ser consideradas como gestionables y que son de forma general:

1. Estar adscritas a un Centro de Control de Generación habilitado por RED ELÉCTRICA, cumpliendo con los requisitos de observabilidad y controlabilidad por el Operador del Sistema establecidos por la normativa para las instalaciones de más de 1 O MW.

15 2. Fiabilidad de programación en horizontes de: -24 horas (firmeza>= 90%, incluyendo probabilidad de fallo de equipo) -6 horas (firmeza>.= 95%, incluyendo probabilidad de fallo de equipo)

Disponibilidad de mecanismos de corrección de desvíos sobre programa: -Indicación de medios de generación y combustible alternativo 20 -Capacidad de aplicación

3. Almacenar la energía primaria correspondiente al funcionamiento de la planta durante 4 horas a plena potencia. La instalación deberá ser capaz de proporcionar la producción almacenada durante cualesquiera de las 24 horas siguientes al momento en el que finaliza la reducción, con una eficiencia mínima del 60% del ciclo almace

25 namiento/ recuperación. Alternativamente, que la planta sea capaz de incrementar su programa en al menos un 30 % de la potencia máxima, bajo ciertas condiciones.

4. Cumplir una serie de requisitos en relación con el comportamiento ante perturbaciones de tensión.

.

30 5. En lo que se refiere a otro tipo de perturbaciones, y particularmente ante variacio-· nes de la frecuencia del sistema, los generadores y sus equipos de protección cum-· plirán con los requisitos establecidos en los procedimientos de operación de aplica-• ción. Si se cumplen los requisitos impuestos por REE, se considerarían gestionables las

35 centrales termosolares. Además, el hecho de ser una fuente de energía no gestiona

ble acarrea una serie de desventajas como son, entre otras: Limitación en la capacidad de generación: RD 661/2007 anexo XI ".. .Para la generación no gestionable, la capacidad de generación de una instalación o conjunto de instalaciones que compartan punto de conexión a la red no excederá de 1120 de la potencia de cortocircuito de la red en dicho punto ... "

No participación en los servicios de ajuste del sistema (Artículo 33, RD 661/2007): "Podrán participar todas las instalaciones de régimen especial salvo las no gestionables, previa autorización mediante resolución, de la Dirección General de Política Energética y Minas y habilitación del operador del sistema (. ..)" Garantía de potencia (disposición adicional segunda RD 661/2007): "Tendrán derecho al cobro de una retribución por garantía de potencia, en su caso, aquellas instalaciones acogidas al régimen especial que hayan optado por vender su energía libremente en el mercado, de acuerdo con el artículo

24. 1.b, salvo las instalaciones que utilicen una energía primaria no gestionable".

Sin embargo, existen ventajas a la hora de producir energía eléctrica que provenga de fuentes renovables, como es la prioridad en la evacuación pues según el Anexo XI, RD 661/2007: "(. . .)los generadores de régimen especial tendrán prioridad para la evacuación de la energía producida frente a los generadores de régimen ordinario, con particular preferencia para la generación de régimen especial no gestionable a partir de fuentes renovables. Asimismo, con el objetivo de contribuir a una integración segura y máxima de la generación de régimen especial no gestionable el operador del sistema considerará preferentes aquellos generadores cuya adecuación tecnológica contribuya en mayor medida a garantizar las condiciones de seguridad y calidad de suministro para el sistema eléctrico."

Los problemas de calidad, continuidad y gestionabilidad del suministro que se señalan para el caso de España ocurren independientemente del territorio en el que se instalen las plantas. En otros países como en Estados Unidos son las propias com-· pañías eléctricas las que deben asegurar que parte de la energía eléctrica vendida · proviene de fuentes renovables, siendo por tanto de su interés que esta sea lo más • gestionable posible.

La consecuencia inmediata a los problemas de gestionabilidad de la fotovoltaica es que las administraciones limitan el tamaño de las plantas fotovoltaicas de generación

de energía eléctrica a tamaños inferiores que el W máximo por potencia por planta fotovoltaica en el caso de España, 5 MW en India, a 15 MW en el estado de Nevada, 30 MW en Israel etc.). o de la : 1) Generación fotovoltaica:

No gestionable; no permite almacenamiento térmico ni hibridación con gas Tienen prioridad para la evacuación de energía producida Baja fiabilidad para cubrir las puntas de demanda Acoplamiento sin atender requerimientos del sistema Comportamiento variable, con gradientes importantes Reducida producción en periodos punta de demanda en verano y en invierno. En verano por menores eficiencias en el inversor y en la célula debido a las altas temperaturas, y en invierno debido a que se producen los menores valores de radiación solar. Dificultad de predicción: tasas de error fuertemente crecientes con el horizonte de previsión Tiene limitación en asignaciones frente a energía gestionable Tiene limitación en capacidad de generación que no excederá de 1/20 (5%) de la potencia de cortocircuito de la red en el punto de conexión a la red Más orientada a cubrir autoconsumos y el excedente se vierte a la red

11) Generación termosolar: Gestionable: cumpliendo lo definido según formulario de datos "Nuevos generadores de régimen especial con proceso de combustión o solar térmica " en el apartado "Valoración de gestionabilidad de centrales termosolares" Inmunidad ante perturbaciones Inercia y regulación Programable (almacenamiento + hibridación con gas hasta un máximo del 12% del total de la producción eléctrica) Energía con capacidad de apoyo en punta de verano Posibilidad de participación en los servicios de ajuste

Teniendo en cuenta los objetivos establecidos por parte de los gobiernos de los distintos países para la integración y el fomento de las energías renovables, se exige una serie de esfuerzos tanto a las administraciones, como a las operadoras del sis

5 1 O: tema eléctrico, como a los promotores de plantas solares. A estos últimos se les invita a mejorar el diseño de las tecnologías, maximizando la contribución a la gestionabilidad (esto es, lograr centrales de actuación rápida, almacenamiento energético ... ). En cuanto al tipo de tecnología termosolar empleada para dicha combinación, son válidos todos los sistemas conocidos (colector parabólico o de disco, cilindroparábolico, Fresnel, de torre ... ) e incluso la última tecnología desarrollada en la que los colectores solares concentran la luz dirigiéndola hacia fibras ópticas u otras guías de luz que la conducen hacia un receptor situado en el suelo. Un ejemplo de esta tecnología de concentración basada en fibra óptica aparece en la bibliografía: "Solar fiber optic mini dishes a new approach to the efficient collection of sunlight", Daniel Feuermann and Jeffrey M. Gordon. Solar Energy Vol. 65, No. 3, pp. 159-170, 1999 Elsevier Science Ud.

15: En el estado de la técnica existen varios desarrollos en los que se han combinado ambas tecnologías, termosolar y fotovoltaica, pero no a gran escala y para suministrar a la red como es el caso que se plantea en esta invención. Por ejemplo, el documento W02009/089571 describe un reflector parabólico en el que se instala una tubería con el fluido caloportador y/o una célula fotovoltaica.

20: También se encuentra en el estado de la técnica una serie de patentes solicitadas por la empresa Solar Systems Pty Ud, como la WO 2009/152574 en las que se protege el sistema HCPV que consiste en instalar en una torre similar a las torres de termosolar, un receptor a base de células fotovoltaicas, siendo toda la energía producida de tipo fotovoltaico, no combinando con la termosolar.

25 30: Así pues, el objeto de esta invención se centra en obtener una planta híbrida solar que, gracias a la combinación de la tecnología termosolar y de la tecnología fotovoltaica, logre minimizar el coste de producción de electricidad, asegure la continuidad y calidad en el suministro y se pueda clasificar como planta de generación gestionable, sin que la regulación de cada país limite la máxima cantidad de contribución de energía solar fotovoltaica. Descripción de la invención La invención consiste en una planta híbrida gestionable de tecnología termosolar y fotovoltaica.

Este sistema, a diferencia del estado de la técnica conocido, comprende una planta termosolar de concentración combinada con un área fotovoltaica.

35: En el caso de la tecnología termosolar y más concretamente, los sistemas de receptor central de torre, la radiación solar es concentrada, mediante el uso de helióstatos,

en un receptor ubicado en la parte superior de una torre (concretamente en el foco

del sistema óptico), lugar donde se transforma dicha radiación solar en energía tér

mica, mediante la absorción de calor por parte del fluido caloportador que circula por

el receptor. Ese fluido caloportador, puede ser por ejemplo vapor saturado, sobreca

5: !entado, sales o cualquier otro fluido caloportador. En el caso de tratarse de un fluido

diferente al vapor se emplea un intercambiador de calor para la producción de dicho

vapor; el cual se envía posteriormente a una turbina para la producción de electrici

dad.

Recientemente se están desarrollando nuevos conceptos de plantas termosolares

1 O: compactas en los que colectores solares concentran la luz dirigiéndola hacia fibras

ópticas u otras guías de luz que la conducen hacia un receptor situado en el suelo.

En la tecnología fotovoltaica la radiación solar es captada en paneles fotovoltaicos

que generan energía eléctrica en forma de corriente continua. En aquellas instalacio

nes conectadas a la red, la corriente continua es trasformada en corriente alterna

15: mediante un inversor y vertida a la red eléctrica.

En la invención aquí reivindicada, se combina la utilización de ambas tecnologías,

fotovoltaica y termosolar con o sin guías de luz (fibra óptica), siendo la ubicación de

los paneles fotovoltaicos un elemento clave para el aumento de la eficiencia y la dis

minución de costes de la planta.

20: La tecnología fotovoltaica, se combina con la termosolar, compartiendo el terreno

para la ubicación del sistema de concentración termoeléctrico y de módulos fotovol

taicos. En el caso concreto de una planta de torre, se puede incluso emplear la pro

pia torre termosolar, así como los helióstatos, para la ubicación de módulos fotovol

taicos. De esta última manera se minimizan los costes de transporte de la energía

25: fotovoltaica producida y se evita el tener que disponer de más superficie para su ins

talación.

Las posibles ubicaciones de los paneles fotovoltaicos de la invención para el caso de

plantas solares termoeléctricas de torre se dividen en tres áreas: área de captación

en zona de proceso termosolar, área de captación fotovoltaica integrada en los con

30: centradores solares termoeléctricos y área de producción fotovoltaica.

1. El área de captación en zona de proceso termosolar puede incluir paneles fo

tovoltaicos en:

En el caso de una planta de torre con orientación norte (helióstatos colocados

al norte de la torre y cavidad orientada hacia el norte), los paneles fotovoltai

35: cos quedarían ubicados en la cara sur de la propia torre, aprovechando su

gran superficie y su buena orientación (paneles enfrentados al sol), instalando

paneles fijos de tecnología Thin film, Si policristalino o monocristalino, o célu

las de alta eficiencia constituidas por elementos periódicos del 111-V o combi

naciones de estos. etc. Se instalarían con la orientación contraria en el caso

de plantas solares de torre de orientación sur (latitudes sur). También podrían

ser aprovechadas las caras este y oeste de la torre, si estas no estuvieran

ocupadas por cavidades, así como la cubierta de la propia torre.

También se pueden ubicar los paneles fotovoltaicos en la zona que rodea a

los receptores solares de la torre, lo que contribuye a aprovechar las pérdidas

debidas al desbordamiento, es decir, toda aquella radiación solar que reflejan

los helióstatos pero que se escapa del área de captación de los receptores.

Se instalan paneles con células de alta eficiencia que pueden trabajar con ra

diación concentrada. De manera adicional y con objeto de evitar el calenta

miento de los paneles por altas temperaturas que reduciría su eficiencia, és

tos pueden ir acompañados de un sistema de refrigeración por agua. La

energía térmica producida por este sistema de refrigeración se puede introdu

cir en un intercambiador de calor (economizador) donde se precalienta el

agua que va directamente al receptor de la torre termosolar. Además, con es

te sistema fotovoltaico diseñado correctamente, se podría aprovechar la ra

diación solar por desenfoque del campo de helióstatos en caso de que la ION

(Irradiación Directa Normal) supere la nominal de diseño puesto que el punto

de desenfoque de los helióstatos se sitúa en los alrededores del receptor; zo

na que se ha propuesto cubrir con tecnología fotovoltaica.

2. Área de captación fotovoltaica integrada en los concentradores solares termoeléctricos puede ubicar paneles fotovoltaicos en: la parte trasera de los helióstatos, colocando módulos fotovoltaicos que recuperen las pérdidas por bloqueos (pérdidas producidas por los rayos que alcanzan la parte posterior de los helióstatos vecinos, en lugar de alcanzar el receptor), siendo la electricidad aquí generada empleada, en primer lugar, para el autoconsumo del seguidor solar del propio helióstato y en segundo lugar para el autoconsumo del bloque de potencia de la planta. En la apertura neta de los helióstatos. Los helióstatos tendrían así parte de su ' apertura ocupada por espejos y otra parte ocupada por paneles fotovoltaicos. Los paneles fotovoltaicos pueden situarse en la parte central del helióstato, dejando la periferia para los espejos o al contrario, la parte central con espejos y la periferia con los módulos fotovoltaicos. También podrían colocarse de forma alterna o aleatoria, ocupando entre ambos el total de la apertura neta del helióstato.

3. Área de producción fotovoltaica: se pueden ubicar un conjunto de módulos fotovoltaicos con o sin seguimiento con o sin concentración, anexos a la planta de torre; podrían ubicarse en las esquinas de una finca con delimitación cuadrada (puesto que los campos de helióstatos tiene tradicionalmente forma circular) o se podría dejar parte del terreno a las espaldas de la torre o en la parte frontal de la torre para los paneles fotovoltaicos, en una parcela cercana o en otro emplazamiento, pero de forma que el área de producción fotovoltaica tenga un tamaño tal que genere suficiente energía eléctrica tanto para abastecer los autoconsumos de la planta como para verter a la red. En el caso de sistemas de paneles fijos se tiene la ventaja adicional de que es posible inyectar a red durante el día cuando hay alarma de viento (helióstatos en posición de seguridad y torre parada).

Para completar con el objetivo de la gestionabilidad de la planta termosolar, se hibrida la planta solar con una caldera de gas natural, tal y como permite el RD 661/2007,

"en estas instalaciones se podrán utilizar equipos que utilicen un combustible para el mantenimiento de la temperatura del fluido trasmisor de calor para compensar la falta de irradiación solar que pueda afectar a la entrega prevista de energía", de manera que se cumple con el requisito de ser capaz de alcanzar la plena potencia en menos de Y:! hora del requerimiento del operador del sistema. La planta termosolar se completa con un sistema de almacenamiento que consiste en una serie de tanques para almacenamiento térmico en forma de vapor o en sales fundidas. En el caso de almacenamiento en sales fundidas, se añade además un intercambiador de calor para la transferencia de calor, de la sal al vapor que será posteriormente turbinado. Este almacenamiento permitiría cumplir con el requisito establecido de contar con una capacidad de almacenamiento de energía primaria de al menos 4 horas de utilización. La gestión de la energía eléctrica llevada a cabo en la planta es consecuencia de un criterio de autosuficiencia y máximo aprovechamiento del recurso fotovoltaico para alimentar en todo momento los autoconsumos de la planta. La distribución del campo · fotovoltaico en la planta requiere una generación y consumo del recurso fotovoltaico por zonas o niveles. Todos los niveles de generación y consumo están interconectados entre sí para aprovechar cualquier exceso o falta de energía y poder así ser apo

yados o apoyar en todo momento.

El modo de funcionamiento de la planta sería como se indica a continuación:

1. Cuando se inicia un día soleado, por la mañana la ION o irradiación solar es

baja; la planta termosolar, con ayuda de la caldera auxiliar de gas natural, comienza

5: a generar vapor.

2. Una vez el campo solar supera la potencia de la caldera auxiliar, esta se des

acopla del sistema y la planta termosolar y, a la vez que genera electricidad, comien

za a alimentar el sistema de almacenamiento.

3. En el caso de que se produzcan estados transitorios en los que la ION o irra

1O: diación solar disminuye o incluso desaparece de forma temporal, por ejemplo por el

paso de nubes, la inercia térmica del propio sistema, unido a la posibilidad de recu

perar energía del sistema de almacenamiento y a la posibilidad de volver a utilizar la

caldera auxiliar de gas, consiguen que se produzca una señal eléctrica de gran con

tinuidad.

15: 4. Mientras la radiación solar existe, las células fotovoltaicas generarán una se

ñal eléctrica. Esta señal, sin embargo, fluctuará sin ninguna inercia siguiendo las

fluctuaciones de ION. Parte de la energía de generación fotovoltaica se utilizará di

rectamente para cubrir los autoconsumos de la planta. En el caso de la realización

preferente antes indicada, la energía de autoconsumos sería, en primer lugar, la ge

20: nerada en los módulos fotovoltaicos que se encuentran instalados en los propios

helióstatos. También sería el caso durante la mañana temprano; la turbina de la plan

ta termosolar tarda un cierto tiempo en alcanzar sus condiciones nominales mientras

que la planta fotovoltaica produce electricidad desde el primer momento en que hay

sol. El resto de la electricidad generada por el campo fotovoltaico y que no se usa

25: para autoconsumos de la planta, producirá una señal eléctrica que se combinará con

la señal eléctrica de la planta termosolar y que se inyecta a la red.

Así, el campo fotovoltaico contribuye a la producción de kWe por la mañana tempra

no cuando el campo termosolar aún no es capaz de empezar a producir. Cuando hay

transitorios es el campo termosolar con su inercia, y conjuntamente con la caldera

30: auxiliar y con el sistema de almacenamiento -según el tiempo que dure el citado

transitorio -el que da continuidad a la producción eléctrica. Y lo mismo pasaría una

vez que el sol se ha puesto cuando llega la noche.

Durante la fase de diseño de la central, la proporción correcta campo fotovoltaico-

campo termosolar producirá una señal final gestionable que asegura calidad y conti

35: nuidad en el suministro, conforme a normativa y que minimiza el coste de producción

de electricidad aprovechando las sinergias de ambas tecnologías.

En cuanto a la forma de gestión de la energía eléctrica producida en la instalación

está diferenciada en tres niveles principales. Un primer nivel, el nivel 1, compuesto

por el área de captación fotovoltaica integrada en los concentradores solares termoe

5: léctricos, cuya misión principal es dar apoyo a los sistemas de alimentación de los

motores de seguimiento del sistema de concentración solar termoeléctrico. En mo

mentos de alta demanda por parte de los motores de seguimiento, este sistema en

contrará el refuerzo de la interconexión con el nivel de tensión superior o nivel 2. Al

contrario, en caso de exceso de producción, esta energía será evacuada por la cita

1 O: da línea de nivel 2.

El nivel 2 está compuesto por el área de captación en zona de proceso termosolar,

por ejemplo los paneles con células fotovoltaicas de alta eficiencia situados en las

distintas caras de la torre, alrededor de la cavidad o en cubiertas de distintas instala

ciones de la planta termosolar. Su función será alimentar los servicios auxiliares de la

15: planta (bombas, sistemas de control, etc.) y en excesos de producción apoyará co

mo ya hemos mencionado al nivel 1 o evacuará al nivel 3.

El tercer nivel, nivel 3, comprende el área de producción fotovoltaica (paneles fotovol

taicos situados en zonas de la parcela compartiendo campo con los elementos con

centradores del sistema solar termoeléctrico) y receptor del sistema solar termoeléc

20: trice. A través de él se verterán los excesos de producción de niveles inferiores (nivel

1 y 2), y será también el encargado de apoyar un exceso de demanda de potencia de

dichos niveles si fuera necesario.

El modelo de gestión eléctrica expuesto anteriormente tiene como misión, además de

mejorar la curva de producción diaria, realizar una gestión de autosuficiencia de la

25: energía requerida para el proceso termosolar gracias a la generación fotovoltaica.

Así pues, desde el punto de vista de la planta fotovoltaica, hibridar con torre termoso

lar produce unos beneficios como son:

Convertir la electricidad generada en gestionable y resolver los problemas de

calidad y continuidad de suministro.

30: Ganar mercado en el sector de las grandes plantas de generación de electricidad

pues actualmente debido a su carácter de no gestionable y a los problemas de

calidad y continuidad de suministro, los tamaños de las plantas de fotovoltaica se

ven limitados por la regulación de diferentes países a tamaños significativamente

menores que los de las plantas termosolares.

35: Desde el punto de vista de las plantas solares termoeléctricas, concretamente

para el caso preferente de torre termosolar, hibridar con fotovoltaica permite:

Aprovechar la cara de la torre no ocupada con cavidad (en este caso empleando

células de alta eficiencia), o bien parte del terreno con fotovoltaica fija. En este

último caso, se presenta la ventaja adicional de que permite inyectar a red duran

5: te el día cuando hay alarma de viento (helióstatos en posición de seguridad y

con la torre parada).

Aprovechar los desbordamientos en el receptor de la torre.

Aprovechar la parte trasera de los helióstatos.

Prescindir de instalar precalentadores en la torre para aumentar su eficiencia

1O: pues la refrigeración de la fotovoltaica precalienta el agua.

Cubrir los autoconsumos de las bombas de recirculación, plantas de tratamiento

de agua, autoconsumos del bloque de potencia, iluminación y otros servicios du

rante el día.

Cubrir los autoconsumos de los helióstatos (debido al consumo de los motores

15: que permiten el seguimiento de los helióstatos)

Cubrir los autoconsumos totales de la planta

Reducir los costes de producción de energía eléctrica

En conclusión, con esta planta híbrida que aúna las tecnologías termosolar y fotovol

taica, se consigue obtener un nuevo concepto de instalación para producción de

20: electricidad a partir de la energía solar, que se podría concebir como un tercer sub

grupo de los recogidos en el RO 661/2007 combinación de los anteriores y que se

podría definir como "Instalaciones que utilizan la radiación solar como energía prima

ria, combinando la tecnología fotovoltaica y procesos térmicos, para la transforma

ción de la energía solar en electricidad. En estas instalaciones se podrán utilizar

25: equipos que utilicen un combustible para el mantenimiento de la temperatura del flui

do trasmisor de calor para compensar la falta de irradiación solar que pueda afectar a

la entrega prevista de energía"

Con ello se lograría la integración de la energía fotovoltaica en la generación de elec

tricidad, eliminando el límite establecido a su capacidad de producción, aumentando

30: al mismo tiempo la eficiencia de la planta termosolar.

Descripción de los dibujos

Para completar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una

mejor comprensión de la invención, se acompaña un juego de dibujos donde con

carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

35: Figura 1: Potencia generada por una planta termosolar de torre versus ION

Figura 2: Potencia generada por una planta fotovoltaica versus ION

Figura 3: Esquema de conexión eléctrica Figura 4: Primer ejemplo de ubicación de los paneles fotovoltaicos en la planta termosolar

5: Figura 5: Segundo ejemplo de ubicación de los paneles fotovoltaicos en termosolar la planta

Figura 6: Primer ejemplo de ubicación de los módulos FV en la superficie de apertura de los helióstatos.

1O: Figura 7: Segundo ejemplo de ubicación de los módulos FV en la superficie de apertura de los helióstatos.

Las referencias de las figuras representan: (1) Nivel 1 de generación (2) Nivel 2 de generación

15: (3) (11) (12) (21) (22) Nivel 3 de generación Conexión 1 del nivel 1 Conexión 2 del nivel 1 Conexión 1 del nivel 2 Conexión 2 del nivel 2

(23): Conexión 3 del nivel 2

20 25: (24) Conexión 4 del nivel 2 (31) Conexión 1 del nivel 3 (32) Conexión 2 del nivel 3 (41) Motores de seguimiento de los concentradores solares termoeléctricos (42) Área de captación fotovoltaica integrada en los concentradores solares termoeléctricos

30: (43) (44) (45) (46) (47) Servicios auxiliares de la planta termosolar Planta solar termoeléctrica o termosolar Área de captación fotovoltaica en la zona de proceso termosolar Área de producción fotovoltaica Red eléctrica

35: (48) (49) (51) (52) (53) Helióstatos Torre 1nterruptor de baja tensión Interruptor de media tensión Transformador de baja a media tensión

(54) Transformador de media a alta tensión

(55) Protector de media tensión

(56) Contador de la producción termosolar

5: (57) Contador del área de producción fotovoltaica

(58) Contador de la producción total de la planta

(60) Espejo

(61) Módulo fotovoltaico (FV)

Realización preferente de la invención

1 O: Para lograr una mayor comprensión de la invención a continuación se va a describir

la planta híbrida gestionable de tecnología termosolar y fotovoltaica, según una reali

zación preferente.

La realización preferente el caso de una central de torre como la tecnología

utilizada en la planta de termosolar.

15: Las figuras 1 y 2 muestran unos gráficos que representan la potencia generada por

una planta termosolar y por una planta fotovoltaica en función de la irradiación solar

recibida.

En la figura 1 se observa que la planta termosolar produce energía en función de la

radiación recibida pero no es demasiado sensible a transitorios o cambios bruscos en

20: la radiación. Sin embargo, en la figura 2 se comprueba que la producción de energía

fotovoltaica sigue fielmente el patrón de la radiación solar siendo por tanto, bastante

inestable.

A la vista de los gráficos anteriores, se entiende la necesidad de poder combinar am

bas tecnologías, puesto que la combinación de ambas permite ir a curvas de produc

25: ción más planas, deseables de cara a la demanda. Concretamente en el caso del

periodo 12.00 horas a 13.00 horas la producción fotovoltaica ayuda a aplanar la cur

va de producción conjunta, mientras que en el caso 17.30 a 18.30 es la producción

termosolar la que más contribuye a dicho aplanamiento .

El hecho adicional de que los sistemas fotovoltaicos pueden aprovechar hasta la to

30: talidad de la radiación global incidente (tanto la radiación directa como la difusa), nos

permitirá en global un mayor aprovechamiento de la radiación en nuestra planta, sin

perder la gestionabilidad y fiabilidad ofrecida por la producción termosolar.

En el esquema de la figura 3 se observan los tres niveles de generación (1, 2, 3) ex

puestos en la descripción:

35: El nivel 1 (1) corresponde a la generación fotovoltaica (42) y consumo en campo so

lar de los sistemas de seguimiento (41) de los elementos de concentración o heliós

tatos de la planta solar termoeléctrica y el autoconsumo del bloque de potencia de la

planta.

El nivel 2 (2) corresponde a la generación fotovoltaica en proceso termosolar (45)

5: (paneles situados en las distintas caras de la torre, alrededor de las cavidades o bien

la generación de paneles fotovoltaicos en cubiertas de distintas instalaciones de la

planta), servicios auxiliares de la planta termosolar (43) (bombas, sistemas de control

etc.) y generación termosolar (44) (producción a través de turbina de la planta solar

termoeléctrica).

1 O: Finalmente, la producción neta de este nivel 2 (2) se une en el nivel 3 (3) con la ge

neración de un área de producción fotovoltaica (46) para contribuir a la mejora de la

curva de producción y siendo el resultado de su suma, la potencia generada y vertida

a la red (47).

Los elementos que comprenden los diferentes niveles en esta realización preferente

15: son:

Nivel 1 (1 ): Comprende dos líneas de conexión de baja tensión (11, 12)

una primera conexión (11) a los motores de seguimiento de los concentrado-

res solares termoeléctricos (41) con un interruptor de baja tensión (51),

una segunda conexión (12) al sistema fotovoltaico integrado en dichos con

20: centradores (42) con un interruptor de baja tensión (51).

Nivel 2 (2): Comprende cuatro líneas de conexión (21, 22, 23, 24). Cada una de las

cuatro líneas (21, 22, 23, 24) cuenta con un transformador de baja a media tensión

(53) y un interruptor de media tensión (52) para su conexión y desconexión con el

nivel 3 (3).

25: Conexión 1 (21 ): se trata de la línea de conexión con los sistemas auxiliares

de la planta (43) (bombas, sistemas de control etc.).

Conexión 2 (22): línea de conexión del generador (G) o turbina correspondien

te a la planta termosolar (44).

Conexión 3 (23): línea que conecta el nivel 1 (1) con el nivel 2 (2) a través de

30: un interruptor (51).

Conexión 4 (24): línea de conexión al área de captación fotovoltaica en lazo

na de proceso termosolar (45), es decir, los sistemas fotovoltaicos que se en

cuentran instalados en las diferentes caras de la torre, o bien alrededor de las

cavidades o en cubiertas, etc.

35: Nivel 3 (3): Comprende con dos líneas de conexión de media tensión (31, 32) y con

la conexión a red de toda la planta.

Conexión 1 (31): se trata de la 1í nea de conexión, con el contador de la pro

ducción termosolar (56), del nivel 2 (2). Se conecta y desconecta a través de

un interruptor de media tensión (52).

5: Conexión 2 (32): es la línea de conexión al área de producción fotovoltaica

(46) (pueden ser sistemas fotovoltaicos situados en la misma parcela que los

concentradores solares termoeléctricos o helióstatos, que podrían ubicarse

(ver figuras 4 y 5) en las esquinas de una finca con delimitación cuadrada

(puesto que los campos de helióstatos tiene tradicionalmente forma circular) o

1 O: se podría dejar parte del terreno a las espaldas de la torre o en la parte frontal

de la torre para paneles fotovoltaicos o en otro emplazamiento o bien en

una parcela cercana). Comprende además un interruptor de baja tensión (51),

un interruptor de media tensión (52), un transformador de baja a media ten

sión (53) y un contador (57) del área de producción fotovoltaica (46).

15: El nivel tres (3) va conectado a la red (47) con un contador para toda la planta

(58) opcional, seguido de una protección de media tensión (55) y un último

transformador (54) de media a alta tensión.

Las figuras 4 y 5 muestran dos ejemplos de posibles ubicaciones de los sistemas

fotovoltaicos en la planta termosolar.

20: En la figura 4 aparece la torre (49) en el centro de la parcela rectangular con los

helióstatos (48) en configuración de semicírculo por delante de ella y se aprovecha la

superficie de la propia torre para la ubicación de paneles fotovoltaicos configurando

estos paneles lo que se ha denominado como "área de captación fotovoltaica en la

zona de proceso termosolar (45)" . Además, para la ubicación de los módulos fotovol

25: taicos con o sin seguimiento y con o sin concentración que conforman el "área de

producción fotovoltaica (46)", se han aprovechado las esquinas de la parcela y la

parte trasera de la torre (49).

En la figura 5 se muestra otro ejemplo de configuración. En este caso la torre (49) se

ha situado en la parte trasera de la parcela con paneles fotovoltaicos en su superficie

30: (45), por delante de ella el semicírculo de helióstatos (48) y todo el espacio sobrante

por delante de los helióstatos (48) se ha empleado para colocar los sistemas fotovol

taicos del área de producción fotovoltaica (46).

Las figuras 6 y 7 ilustran dos de las posibles ubicaciones de los módulos fotovoltai

cos en los helióstatos.

35: En la figura 6 los espejos ocupan la zona central de la apertura neta del helióstato y

los módulos FV la periferia. En la figura 7 los espejos ocupan la periferia de la apertura neta del helióstato y la zona central es ocupada por los módulos FV. Además de estos ejemplos de configuración, podrían diseñarse otros alternativos,

pero que no modificarían el de la invención ni sus características esenciales.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Planta híbrida gestionable de tecnología termosolar y fotovoltaica siendo la parte de la planta termosolar del tipo que transforma la radiación solar en energía térmica, mediante la absorción de calor por parte del fluido calo portador que circula por un receptor y ese fluido, sobresaturado y/o sobrecalentado y en forma de vapor, se en vía a una turbina para la producción de electricidad y se híbrida con una caldera de gas natural para cumplir con los requisitos de gestionabilidad y se completa con un sistema de almacenamiento térmico en forma de vapor o en sales fundidas en una serie de tanques, para cumplir con el requisito establecido de contar con una capaci dad de almacenamiento de energía primaria de al menos 4 horas de utilización; y siendo la parte de planta fotovoltaica aquella donde la radiación solar es captada en sistemas fotovoltaicos que generan energía eléctrica en forma de corriente continua la cual es trasformada en corriente alterna mediante un inversor, caracterizada porque la planta híbrida comprende tres niveles de generación: -El nivel 1 (1) corresponde a una parte de la generación fotovoltaica (42) que cubre el autoconsumo de los sistemas de seguimiento solar (41) de los elementos de con centración o helióstatos de la planta termosolar y el autoconsumo del bloque de po tencia de la planta; -el nivel 2 (2) corresponde a la generación de la planta termosolar (44) y otra parte de generación fotovoltaica (45) que cubre los consumos de los servicios auxiliares de la planta termosolar (43); -el nivel 3 (3) corresponde a la generación de otro área de producción fotovoltaica

(46)

que contribuye a la mejora de la curva de producción total, siendo la potencia total generada por la planta híbrida y vertida a la red (47), el resul tado de la suma de generación de los tres niveles, y donde el nivel 1 (1): comprende dos líneas de conexión de baja tensión (11, 12) -una primera conexión (11) a los motores de seguimiento de los concentradores so lares termoeléctricos (41) con un interruptor de baja tensión (51), -una segunda conexión (12) al sistema fotovoltaico integrado en dichos concentrado res (42) con un interruptor de baja tensión (51); el nivel 2 (2): Comprende cuatro líneas de conexión (21, 22, 23, 24), cada una de las cuatro líneas (21, 22, 23, 24) cuenta con un transformador de baja a media tensión

(53)

y un interruptor de media tensión (52) para su conexión y desconexión con el nivel 3 (3):

-conexión 1 (21): línea de conexión con los sistemas auxiliares de la planta (43); -conexión 2 (22): línea de conexión del generador (G) o turbina correspondiente a la planta termosolar (44); -conexión 3 (23): línea que conecta el nivel 1 (1) con el nivel 2 (2) a través de un interruptor (51); -conexión 4 (24): línea de conexión a los sistemas fotovoltaicos que se encuentran instalados en las diferentes caras de la torre o bien alrededor de las cavidades o en cubiertas, etc; y donde el nivel 3 (3): Comprende dos líneas de conexión de media tensión (31, 32) Y la conexión a red de toda la planta: -conexión 1 (31): línea de conexión con el contador de la producción termosolar (56) del nivel 2 (2), se conecta y desconecta a través de un interruptor de media tensión (52); -conexión 2 (32): es la línea de conexión al área de producción fotovoltaica (46), comprende además un interruptor de baja tensión (51), un transformador de baja a media tensión (53) y un contador (57) del área de producción fotovoltaica (46); -conexión a la red (47) con una protección de media tensión (55) y un último trans formador (54) de media a alta tensión.
2.

Planta híbrida gestionable de tecnología termosolar y fotovoltaica según reivindicación 1, caracterizada porque la tecnología termosolar es del tipo termoeléctrica de concentración de torre.
3.

Planta híbrida gestionable de tecnología termosolar y fotovoltaica según reivindi cación 2 caracterizada porque los paneles fotovoltaicos correspondientes a la gene ración de nivel 1 se integran en los concentradores solares termoeléctricos ubicándose en: -la parte trasera de los helióstatos y/o -en la apertura neta de los helióstatos, teniendo así los helióstatos parte de su apertura ocupada por espejos y otra parte ocupada por células fotovoltaicas.
4.

Planta híbrida gestionable de tecnología termosolar y fotovoltaica según reivindicación 3 caracterizada porque los espejos (60) ocupan la zona central de la apertura neta del helióstato (48) y los módulos FV (61) la periferia.
5.

Planta híbrida gestionable de tecnología termosolar y fotovoltaica según reivindi cación 3 caracterizada porque los módulos fotovoltaicos (61) ocupan la zona central de la apertura neta del helióstato (48) y los espejos (60) la periferia.
6.

Planta híbrida gestionable de tecnología termosolar y fotovoltaica según reivindicación 3 caracterizada porque 105 módulos FV (61) se colocan de forma alterna entre 105 espejos (60), ocupando entre ambos el total de la apertura neta del helióstato (48).
7.

Planta híbrida gestionable de tecnología termosolar y fotovoltaica según reivindicación 3 caracterizada porque 105 módulos FV (61) se colocan de forma aleatoria entre 105 espejos (60), ocupando entre ambos el total de la apertura neta del helióstato (48).
8.

Planta híbrida gestionable de tecnología termosolar y fotovoltaica según reivindicación 2 caracterizada porque en el caso de una planta de torre con orientación norte (helióstatos colocados al norte de la torre y cavidad orientada hacia el norte) 105 paneles fotovoltaicos correspondientes a la generación de nivel 2 se ubican en la cara sur de la propia torre (paneles enfrentados al 501) y se instalarían con la orientación contraria en el caso de plantas solares de torre de orientación sur (latitudes sur).
9.

Planta híbrida gestionable de tecnología termosolar y fotovoltaica según reivindicación 8 caracterizada porque se instalan paneles fotovoltaicos en las caras este y oeste de la torre.
10.

Planta híbrida gestionable de tecnología termosolar y fotovoltaica según reivindicación 2 caracterizada porque 105 paneles fotovoltaicos correspondientes a la generación de nivel 2 se ubican en la zona que rodea a 105 receptores solares de la torre.
11.

Planta híbrida gestionable de tecnología termosolar y fotovoltaica según reivindicación 10 caracterizada porque se instalan paneles con células de alta eficiencia que pueden trabajar con radiación concentrada.
12.

Planta híbrida gestionable de tecnología termosolar y fotovoltaica según reivindicación 11 caracterizada porque 105 paneles van acompañados de un sistema de refrigeración por agua.
13.

Planta híbrida gestionable de tecnología termosolar y fotovoltaica según reivindicación 12 caracterizada porque el agua calentada por este sistema de refrigeración se introduce en un intercambiador de calor donde se precalienta el agua que va directamente al receptor de la torre termosolar.
14.

Planta híbrida gestionable de tecnología termosolar y fotovoltaica según reivindicación 1 caracterizada porque 105 sistemas fotovoltaicos con o sin seguimiento y con

o sin concentración correspondientes a la generación de nivel 3 se ubican anexos a la planta termosolar.
15.

Planta híbrida gestionable de tecnología termosolar y fotovoltaica según reivindicación 2 y 14 caracterizada porque dichos sistemas fotovoltaicos se ubican en las esquinas de la finca donde va instalada la planta.
16.

Planta híbrida gestionable de tecnología termosolar y fotovoltaica según reivindicación 2 y 14 caracterizada porque se deja parte del terreno a las espaldas de la torre para dichos sistemas fotovoltaicos.
17.

Planta híbrida gestionable de tecnología termosolar y fotovoltaica según reivindicación 2 y 14 caracterizada porque se deja parte del terreno en la parte frontal de la torre para dichos sistemas fotovoltaicos.
18.

Planta híbrida gestionable de tecnología termosolar y fotovoltaica según reivindicación 2 y 14 caracterizada porque se instalan los sistemas fotovoltaicos entre los helióstatos, evitando las zonas sombreadas.
19.

Planta híbrida gestionable de tecnología termosolar y fotovoltaica según reivindicación 2 y 14 caracterizada porque se instalan los sistemas fotovoltaicos en una parcela cercana a la parcela de la planta termosolar.
20.

Planta híbrida gestionable de tecnología termosolar y fotovoltaica según reivindicación 20 caracterizada porque se instala un contador para toda la planta (58) antes de la conexión a red (47).
21.

Planta híbrida gestionable de tecnología termosolar y fotovoltaica según reivindicación 1, caracterizada porque la tecnología termosolar es del tipo colectores cilindro-parabólicos.
22.

Planta híbrida gestionable de tecnología termosolar y fotovoltaica según reivindicación 1, caracterizada porque la tecnología termosolar es del tipo colector parabólico.
23.

Planta híbrida gestionable de tecnología termosolar y fotovoltaica según reivindicación 1, caracterizada porque la tecnología termosolar es de tipo Fresnel.
24.

Planta híbrida gestionable de tecnología termosolar y fotovoltaica según reivindicación 1, caracterizada porque la tecnología termosolar es del tipo de planta termo-solar compacta en la que los colectores solares concentran la luz dirigiéndola hacia fibras ópticas u otras guías de luz que la conducen hacia un receptor situado en el suelo.
25.

Método de funcionamiento de la planta descrita en las reivindicaciones anteriores que comprende las siguientes etapas:

-Cuando se inicia un día soleado, por la mañana la ION o irradiación solar es baja; la planta termosolar, con ayuda de la caldera auxiliar de gas natural, comienza a gene rar vapor. -Una vez el campo solar supera la potencia de la caldera auxiliar esta se desacopla

5 del sistema y la planta termosolar, a la vez que genera electricidad, comienza a alimentar el sistema de almacenamiento. -En el caso de que se produzcan estados transitorios en los que la ION o irradiación solar disminuye o incluso desaparece de forma temporal, por ejemplo por el paso de nubes, la inercia térmica del propio sistema, unido a la posibilidad de recuperar ener

10 gía del sistema de almacenamiento ya la posibilidad de volver a utilizar la caldera auxiliar de gas, consiguen que se produzca una señal eléctrica de gran continuidad. -Mientras la radiación solar existe, las células fotovoltaicas generarán una señal eléctrica que fluctuará sin ninguna inercia siguiendo las fluctuaciones de ION, debido a esa inestabilidad, parte de la energía de generación fotovoltaica se utilizará direc

15 tamente para cubrir los autoconsumos de la planta y el resto de la electricidad generada por el campo de fotovoltaica y que no se usa para autoconsumos de la planta, producirá una señal eléctrica que se combinará con la señal eléctrica de la planta termosolar y que se inyecta a la red. -Así, el campo fotovoltaico contribuye a la producción de kWe por la mañana tem

20 prano cuando el campo termosolar aún no es capaz de empezar a producir; cuando hay transitorios es el campo termosolar con su inercia, y conjuntamente con la caldera auxiliar y con el sistema de almacenamiento -según el tiempo que dure el citado transitorio -el que da continuidad a la producción eléctrica y lo mismo pasaría una vez que el sol se ha puesto cuando llega la noche.

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FIGURA 4

46

FIGURA 5

FIGURA 6

60

FIGURA 7