Análisis de colectores lineales de concentración con distintos tipos de fluidos

La energía termosolar de concentración utiliza la energía procedente de la radiación solar para transmitir un estado térmico a un medio portador de calor. Para ello, se utiliza un colector o captador que concentra la energía procedente del sol mediante espejos, en un conducto por el que pasa el fluido portador de calor Existen diferentes técnicas de producir este efecto. Según la disposición de los espejos y el receptor se pueden distinguir las cuatro tecnologías más relevantes del sector: colectores cilindro-parabólicos, tecnología de torre central, disco Stirling y colectores lineares Fresnel. Los colectores cilindro-parabólicos son los más desarrollados y extendidos. Constan de una estructura única que engloba un espejo con una forma cilindro-parabólica y un tubo, colocado en el punto focal de la parábola, por el que circula el fluido de trabajo. Presentan unas excelentes propiedades ópticas ya que toda la estructura se mueve en relación a la posición del sol. Sin embargo, precisamente este movimiento de toda la estructura acarrea una serie de problemas relacionados con fugas del fluido portador de calor. Además las estructuras son altamente pesadas. A pesar de estos problemas, esta tecnología es la más avanzada de toda la industria de concentración termosolar. En cuanto a la tecnología de torre central, consiste en un conjunto de espejos fijos que concentran los rayos solares en un receptor único situado en lo alto de una torre, donde se calienta el fluido de trabajo. En general, este tipo de instalaciones se usa para grandes escalas de producción de energía. A día de hoy está teniendo un gran desarrollo, sobre todo en Estados Unidos. Respecto a los colectores disco Stirling, se trata de una estructura única formada por un concentrador parabólico con forma de disco que refleja la radiación solar en un receptor central situado en el punto focal del disco parabólico. Unido al receptor se sitúa o bien una micro turbina o bien un motor tipo Stirling que actúa como generador de corriente eléctrica. Por último, y la tecnología sobre la que versa este proyecto, los colectores lineares Fresnel constan de dos estructuras separadas: un receptor fijo que contiene el conducto donde se calentará el fluido de trabajo y los espejos móviles que siguen el movimiento solar y concentran la radiación solar en la primera. Dadas sus características, rango de operación y aplicaciones, compite directamente con los colectores cilindro-parabólicos. Como puntos a favor de los colectores Fresnel se dan su ligera estructura, que desemboca en menores costes, y el hecho de que el receptor no se mueve, evitando así problemas de fuga de fluidos. En su contra, cabe destacar que la eficiencia óptica es más reducida que la de su competidor y sufre una variación acusada en la radiación incidente en el receptor a lo largo del día y en las diferentes estaciones del año. El Departamento de Ingeniería Energética de la E.T.S. de Ingenieros Industriales de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) ha estado investigando y publicando artículos sobre este tipo de tecnología durante estos últimos años. Asimismo, durante estos últimos años se han encontrado una serie de avances muy interesantes en este campo. Teniendo en cuenta el trabajo de (Abbas, et al., 2012), el uso de receptores de cavidad trapezoidales con una apertura cubierta con una lámina de cristal transparente mejora el rendimiento del receptor, evitando las pérdidas por radiación directa con el cielo debido a que la apertura apunta hacia el suelo. El uso de varios tubos en el receptor en vez de un gran tubo único, garantiza una mejor transmisión de calor al fluido de trabajo gracias a mayores velocidades del mismo con el mismo flujo de masa. Finalmente, se ha descubierto que el uso de espejos ligeramente cilíndricos aumenta muy notablemente el grado de concentración de la radiación solar en los receptores. Debido a estas investigaciones del mencionado departamento y a la contribución de la energía renovable a garantizar la sostenibilidad del planeta, este Trabajo de Fin de Grado trata sobre este tipo de tecnología. El objetivo principal del proyecto es proponer un modelo de ecuaciones sencillo para describir el comportamiento térmico de una instalación de colectores lineares Fresnel que incluye las innovaciones descritas con anterioridad, resolverlo con el software EES y analizar la actuación de diferentes fluidos portadores de calor en el mismo. Los fluidos portadores de calor a estudiar son los siguientes: aceite Therminol VP1, aire (a 75 y 100 bares), CO2 (a 75 y 100 bares), estaño líquido, sal fundida Hitec XL y eutéctico plomo-bismuto 44,5-55,5. Se comienza proponiendo un modelo de ecuaciones para el Therminol VP1 y posteriormente ese modelo se adapta para cada uno de los fluidos a estudiar. El objetivo del modelo de ecuaciones es obtener el calor ganado por el fluido, la velocidad del fluido, la potencia de bombeo del fluido, la eficiencia térmica del receptor y la eficiencia exergética del receptor con el tipo de fluido portador de calor. En conclusión, este modelo simplificado se aproxima a la realidad en los casos expuestos. De los líquidos estudiados, el aceite Therminol VP1, el CO2 a alta presión y el Hitec XL presentan buenas propiedades como fluidos portadores de calor. El aire y el CO2 a baja presión presentan propiedades notablemente peores, a pesar de que el aire a alta presión podría tener alguna aplicación específica con longitudes del receptor reducidas. Ambos metales líquidos, a pesar de tener una buena actuación en términos de eficiencia, podrían desembocar en un problema estructural debido a sus altas densidades. En el caso específico del estaño, su alta temperatura de solidificación presenta un problema a la hora de mantener el fluido por encima de esos valores. En caso de fuga de los fluidos portadores de calor, a pesar de ser poco probable teniendo en cuenta el diseño de la instalación, habría de tener una precaución moderada con el Therminol VP1 y una precaución elevada con el estaño, el Hitec XL y eutéctico plomo-bismuto por sus efectos nocivos tanto hacia el ser humano como hacia ecosistemas