Análisis y propuestas de sistemas solares de alta exergia que emplean agua como fluido calorífero

Resumen

Esta tesis doctoral se ha centrado en el estudio de la generación directa de vapor en colectores cilindro parabólicos, como una alternativa viable a corto plazo para la producción de electricidad mediante sistemas de concentración solar. Las dos líneas de investigación principales de esta tesis han sido el estudio termofluidodinámico del proceso de generación directa de vapor dentro del tubo receptor del colector cilindro parabólico -proceso GDV- y la integración de dicho proceso en plantas termosolares para la producción de electricidad, El modelo termofluidodinámico estudia de forma muy detallada las correlaciones para la transmisión de calor, con especial atención a la simulación de la zona de flujo bifásico por el interior del tubo receptor. Debido a que el modelo está basado en balances teóricos de energía en lugar de coeficientes globales de transmisión de calor, presenta dos ventajas importantes sobre otros modelos similares de generación directa de vapor. Por un lado, permite analizar y optimizar los parámetros de diseño -ópticos, térmicos y geométricos- del tubo receptor. Por otro lado, permite estudiar el comportamiento térmico del colector cuando circulan otros fluidos de trabajo a través del tubo receptor, sin más que cambiar las propiedades características del fluido de trabajo. Respecto a la segunda línea de investigación, el estudio se ha centrado en una planta termosolar GDV de 50 MWe. Una vez fijado el tamaño de planta, el estudio se ha centrado en la optimización del acoplamiento campo solar-bloque de potencia. Como resultado de dicho análisis se han identificado los parámetros de acoplamiento, proponiéndose valores óptimos para cada uno de ellos. Por último, se han propuesto tres esquemas de plantas termosolares GDV de 50 MWe: plantas sin almacenamiento ni hibridación, plantas con hibridación mediante caldera auxiliar de gas natural, y plantas con almacenamiento e hibridación. Se ha considerado que los dos primeros esquemas no tienen control sobre el intervalo de producción, mientras que el último esquema sí que tiene un intervalo de producción fijo en el que la planta está conectada a la red eléctrica. Este último esquema se propone como la mejor opción a futuro, ya que el hecho de poder establecer con anterioridad el intervalo de producción en el que la planta va a estar en funcionamiento supone una ventaja importante de esta tecnología sobre otras formas de producción de energía eléctrica mediante fuentes renovables. De esta forma, se podría vender la electricidad en los periodos de mayor demanda, beneficiándose de precios mejores: y se eliminaría uno de los grandes problemas de las energías renovables, que son las inestabilidades que se pueden provocar en la red eléctrica como consecuencia de la aleatoriedad de estas fuentes de energía.