Evaluación tecno-económica de sistemas basados en ciclos Rankine orgánicos de pequeña potencia para su integración en sistemas termosolares

Resumen

El objetivo de este trabajo era el estudio tecnoeconómico de una planta de ciclo Rankine orgánico (CRO) de baja potencia (<10 kWe) que funcionara con energía solar de media temperatura (100-250ºC). Uno de los primeros objetivos era desarrollar una metodología de diseño del sistema, tanto del sistema solar como del sistema CRO. Para ello se ha presentado, un modelo para la simulación anual de un campo solar y la experimentación realizada con el captador NEPSolar Polytrough 1200, que permitió obtener Ja curva de rendimiento de dicho captador. Por otro lado, en esta tesis se ha desarrollado el modelo de simulación de CRO, que permite el análisis de varios diseños, fluidos (SES36 y R245fa) y condiciones de trabajo. Una instalación experimental permitió la validación del modelo, corroborando su capacidad de previsión de cálculo de la potencia producida. Este modelo de simulación de CRO ha permitido analizar detalladamente el comportamiento de los CRO a cargas parciales, tanto con un expansor, como con dos expansores, en ros que se estudió el comportamiento de los ciclos a diferentes condiciones de trabajo. Los resultados de este análisis han permitido proponer una metodología para seleccionar el punto de operación de los ciclos más adecuado para cada potencia demandada. En el diseño del sistema, el primer problema a resolver en ros CRO con dos expansores en serie ha sido la selección de los parámetros de diseño que optimizara el comportamiento del ciclo a cargas parciales. En particular, la elección de la presión intermedia entre expansores adecuada era fundamental para el buen funcionamiento del ciclo posterior. Para ello se analizaron diferentes metodologías, siendo la que tenía mejores resultados la estrategia de elegir el conjunto de valores que hace que los rendimientos de los expansores sean similares. Los modelos CRO desarrollados en esta tesis han permitido la generación de los mapas de operación, que a su vez han permitido determinar la operación del sistema a cargas parciales con menores tiempos de computación. Utilizando estos mapas se ha realizado la simulación anual del comportamiento de un sistema CRO acoplado un campo solar. Se han analizado cuatro sistemas, combinando CRO de uno y dos expansores y captadores cilindroparabólicos de pequeña apertura y captadores planos de ultra-vacío. Por último, se ha realizado un análisis económico, en el que se incluye un cálculo determinístico del LCOE, la optimización del par múltiplo solar-almacenamiento térmico (minimizando el coste nivelado de la energía), un análisis de sensibilidad de los costes y un análisis estadístico de los resultados. Por tanto, el trabajo desarrollado en la tesis ha permitido identificar una ventana de diseño en cuanto a posibles captadores solares, fluidos de CRO, condiciones de trabajo y máquinas de expansión, considerando siempre la operación real y el comportamiento real de ras máquinas y equipos involucrados, tanto del ciclo Rankine orgánico como del sistema solar y pudiendo determinar las ventajas y desventajas de cada diseño.