Desarrollo de un modelo teórico para la caracterización del rendimiento térmico en colectores solares. Aplicación a tecnologías de generación eléctrica

Resumen

La necesidad de aumentar la contribución de las energías renovables en las matrices de generación eléctrica y la consideración de determinados aspectos técnicos auguran una importante contribución de las plantas termosolares, según los escenarios previstos por los distintos agentes involucrados en el sector. En la actualidad, las distintas tecnologías termosolares están experimentando importantes reducciones de coste y mejoras en su rendimiento, pero todavía se necesitan esfuerzos adicionales para competir con otras tecnologías, como el caso de plantas de generación eólica o fotovoltaica. Esta tesis tiene como objetivo contribuir a la I+D+i en el diseño de receptores solares, de modo que se pueda facilitar la tarea de mejora de su rendimiento. Para ello se plantea el desarrollo de un nuevo modelo analítico que permita el cálculo del rendimiento térmico. Dicho modelo reduce las limitaciones que presentan los desarrollados hasta la fecha. Del modelo principal desarrollado se derivan una serie de expresiones simplificadas, de modo que forman un cuerpo de modelos en el que cada una de las expresiones tiene un rango de aplicación acotado. Este cuerpo de modelos presenta una serie de diferencias con respecto a los modelos existentes en la actualidad: permite el cálculo del rendimiento de manera explícita en amplios rangos de operación y con precisión adecuada; contempla, en todas sus expresiones, la influencia de los parámetros de los que depende y habilita el estudio de tendencias en amplios rangos de operación, facilitando el desarrollo de nuevos diseños de mayor rendimiento. La tesis se divide en 4 grandes grupos de tareas que son los siguientes: Presentación del estado del arte de las distintas tecnologías de generación de energía eléctrica solar por concentración, centrando el estudio en colectores cilindro-parabólicos, Fresnel y de torre central. Este análisis, además de recoger de manera general los aspectos relacionados con el rendimiento térmico, atiende a otros aspectos que permiten estimar el rendimiento global de la instalación. Por otro lado, se recopilan datos que sirven como base para la aplicación del modelo desarrollado, correspondiendo a distintos diseños de colector. Desarrollo del modelo analítico objeto de la tesis. Dicho modelo surge como solución aproximada de la ecuación diferencial obtenida tras aplicar los balances, energético y másico, a un receptor genérico. Se trata de un modelo teórico cuya expresión general puede resultar compleja de cara a su operatividad, pero que mejora los modelos existentes hasta la fecha. Además, de esta expresión surgen modelos simplificados que son aplicables en amplios rangos de trabajo, actuales y planteados en el futuro, para las tecnologías analizadas. Estas expresiones se dividen de modo general en modelos de rendimiento local y de rendimiento de colector completo. Una de las conclusiones que surgen de manera directa es la aparición de un rendimiento máximo en función del flujo de radiación sobre el receptor, para cuyo cálculo se desarrolla un modelo adicional. Validación del modelo en base a datos experimentales. Aun tratándose de un modelo teórico requiere de una validación que permita verificar que las suposiciones realizadas son compatibles con la aplicación para la que se desarrolla y que el grado de aproximación al resultado es adecuado. La metodología para el desarrollo de modelos específicos para un colector concreto presenta beneficios con respecto a las existentes debido al uso del modelo desarrollado. En este caso se apoya en simulaciones fluidodinámicas (CFD) para la obtención de alguno de los coeficientes de transmisión de calor hacia el exterior. Análisis paramétrico de receptores solares mediante la aplicación del modelo desarrollado. Esta fase se divide en la aplicación de los dos grupos de modelos desarrollados a las tecnologías de colectores analizadas. La estrategia planteada en este capítulo junto a la metodología generada para el desarrollo de modelos específicos de rendimiento térmico da lugar a una metodología general para el diseño de nuevos receptores o la mejora de los ya existentes. Para aproximar el rendimiento de un ciclo de generación eléctrica general se incorpora el modelo de Novikov-Curzon-Alhborn, de modo que se pueda ponderar el rendimiento térmico y que las conclusiones obtenidas para el rendimiento global sean adecuadas. Su aplicación se calibra mediante la comparación de los resultados obtenidos por la aplicación de los modelos de colector completo a la planta de Andasol I. Las diferencias obtenidas para el rendimiento anual son muy reducidas (1-2%) para localizaciones y condiciones similares. La aplicación de los modelos locales de rendimiento térmico y global a distintos diseños en condiciones actuales de operación ha permitido establecer comparativas entre ellos y entre las diferentes tecnologías, además de establecer los márgenes de mejora en ambos rendimientos. Algunas de las conclusiones confirman ideas ya apuntadas por otros autores, mientras que otras se pueden considerar aportaciones novedosas. Uno de los puntos analizados en profundidad es el fluido de transferencia, el cual tiene una influencia despreciable sobre el rendimiento térmico en muchas condiciones de operación, pero no en otras, aunque se desprecie habitualmente en los análisis actuales. Para el caso de los recubrimientos selectivos, los modelos desarrollados permiten establecer clasificaciones teniendo en cuenta algunos de los factores no considerados hasta la fecha. Esto ha servido para orientar posibles diseños óptimos mediante la combinación de algunos de ellos y establecer condiciones de operación bajo las que algunos de los recubrimientos en desarrollo podrían mejorar el comportamiento de los utilizados habitualmente. Finalmente, se revisan algunas de las conclusiones obtenidas del análisis local realizado para colectores cilindro-parabólicos mediante la aplicación de los modelos de colector completo al cálculo anual, como último paso de la metodología desarrollada.