Diseño, construcción y optimización de prototipo de helióstato para planta termosolar de concentración (CSP) a pequeña escala

Abstract

El desarrollo de energías renovables ha sido un punto fuerte de investigación y desarrollo en diversas partes del mundo, ya que se hace necesario buscar fuentes de energía alternativas para disminuir la contaminación y la huella de carbono. Chile en particular es un lugar idóneo para el desarrollo de la energía solar, ya que el norte de nuestro país posee uno de los niveles de radiación más altos del mundo, lo cual sumado a la motivación de la Agenda de Energía del 2014 hace que la tecnología de Concentración Solar de Potencia (CSP) sea ideal para su implementación en nuestro país. Una central CSP de torre central consiste básicamente en un campo de espejos móviles (helióstatos) que reflejan la radiación solar sobre una torre central dentro de la cual circula un fluido caloportador, que absorbe esta energía para luego transformarla en energía eléctrica mediante un sistema turbina-generador. Sin embargo, el alto costo de inversión en este tipo de plantas, sumado con la complejidad ingenieril que conlleva resulta en un gran obstáculo para su desarrollo: el proyecto CSP de Cerro Dominador en la Región de Atacama se reanudó hace unos meses después de estar 3 años sin avances debido a falta de financiamiento. A raíz de esto es que nace el Proyecto SolarBosch, el cual busca llevar esta tecnología CSP a una pequeña escala, disminuyendo las dificultades de construcción y la inversión inicial necesaria. En su primera etapa prototipo busca acoplar un sistema CSP de alrededor de 10 helióstatos a una planta de galvanizado, calentando aire y entregándolo al proceso correspondiente. En particular, el objetivo principal de esta memoria de título es el diseño, construcción y análisis de los primeros prototipos de helióstato que formarán esta planta, tomando en consideración los requerimientos necesarios para su funcionamiento y durabilidad. Se puso énfasis en la investigación y análisis de las soluciones que se encuentran actualmente en diversas plantas del mundo, los cuales dieron los lineamientos principales para el desarrollo de un diseño preliminar del helióstato. Se tomaron consideraciones sobre el espejo, la estructura principal y el sistema de movimiento a seleccionar para el primer prototipo. Finalmente se decidió diseñar un helióstato con un sistema de movimiento basado en rieles, cadenas y piñones con dos grados de libertad. Se realizaron los cálculos necesarios para que la estructura resista ráfagas de viento y sea capaz de moverse con el uso de motores stepper. Este primer prototipo fue construido y validado en las instalaciones del Taller de Molina del DIMEC. Posteriormente, luego de pruebas de funcionamiento y análisis en terreno, se tomaron conclusiones para el diseño y fabricación externalizada de un segundo prototipo mejorado. Sin embargo, los costos en esta etapa de prototipado son muy altos, por lo que se ahondará en un análisis de procesos de manufactura y ensamblaje (metodología DFMA) para estimar y disminuir costos en el campo heliostático, ya que pueden llegar a representar el 40% de la inversión inicial en este tipo de plantas. En particular, se quiere reducir costos a menos de 100USD por metro cuadrado de espejo, costos que se vieron doblados por el segundo prototipo, por lo que se propondrán estrategias de diseño y procesos de manufactura apuntando a la fabricación de helióstatos en grandes cantidades.