Nueva generación de centrales termosolares con colectores solares lineales acoplados a ciclos supercríticos de potencia

• Autores: Luis Coco Enriquez
• Directores de la Tesis: Javier Muñoz Antón (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2017
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: José María Martínez-Val Peñalosa (presid.), Alberto Abánades Velasco (secret.), Domingo Santana Santana (voc.), María José Montes Pita (voc.), Alejandro Medina Domínguez (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Energía Sostenible Nuclear y Renovable por la Universidad Politécnica de Madrid
• Materias:
  • Astronomía y astrofísica
    • Sistema solar
      • Energía solar
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
• Resumen
  • español

    El cambio climático representa uno de los principales desafíos de la humanidad hacia un futuro de paz, prosperidad y sostenibilidad del desarrollo de la sociedad. El Mundo necesita un nuevo modelo de crecimiento sostenible, seguro, duradero y beneficioso para todos. Reconociendo que el desarrollo sostenible, el acceso universal a la energía, y la seguridad energética son críticas para compartir la prosperidad y el futuro de nuestro planeta. Para garantizar y fomentar las energías sin impacto ambiental, sostenibles y de acceso universal, y beneficiarse del Sol como fuente energética. La energía termosolar jugará un papel importante para acelerar la transición entre los combustibles fósiles y nucleares hacia fuentes energéticas renovables.

    Esta tesis trata de ahondar en este contexto buscando la integración de sinergias entre colectores solares lineales (cilindro parabólicos y Fresnel), los diferentes fluidos de trabajo disponibles en el estado de la técnica (aceite térmico, sales fundidas, generación directa de vapor) y ciclos de potencia (Joule-Brayton, Rankine).

    Para abordar este planteamiento, se parte del estado de la técnica de plantas termosolares, fluidos de trabajo y ciclos de potencia (capítulo 1) que será analizado con la metodología descrita en el capítulo 2. Con esta base, se comienza por evaluar posibles mejoras al rendimiento de las plantas termosolares de colectores lineales y generación directa de vapor (capítulo 3), la utilización de ciclos Rankine supercríticos (capítulo 4), el uso de sales fundidas en el campo solar y ciclos Brayton con Dióxido de Carbono como fluido de trabajo (capítulo 5). A la vista de los resultados se introduce la necesidad de optimizar los parámetros de operación de plantas termosolares, siguiendo pautas recomendadas por otros autores (capítulo 6), lo que conduce a la realización de una herramienta de cálculo propia, SCSP, que minimiza el área de captación solar mediante algoritmos de optimización multivariable SUBPLEX, UOBYQA y NEWUOA. Con esta herramienta se estudian campos solares con aceite térmico acoplados a ciclos Brayton con Dióxido de Carbono (capítulo 7), campos solares con generación directa de vapor y ciclos Brayton con Dióxido de Carbono (capítulo 8), campos solares Dual-Loop con ciclos Brayton con Dióxido de Carbono (capítulo 9) y campos solares con sales fundidas o generación directa de vapor con ciclos Brayton de etano supercrítico (capítulo 10). En el capítulo 11 se compara el comportamiento del Dióxido de Carbono con otros posibles fluidos de trabajo en ciclos Brayton. Por último en el capítulo 12 se describen las generalidades del software desarrollado, SCSP y en el capítulo 13 se indican los principales resultados, conclusiones y trabajos futuros que derivan de esta tesis.

    El trabajo desarrollado constituye un completo catálogo de configuraciones y prestaciones, habiéndose puesto énfasis en varias configuraciones novedosas, que en su conjunto orientan al diseñador sobre las capacidades de cada posible combinación de campo solar / bloque de potencia en función de sus fluidos de trabajo.

  • English

    The climate change is one of the main challenges for the humanity towards a peace future, prosperity and sustainability of society development. The world needs a new sustainable growth model, secure, durable and beneficial for all. Recognizing the sustainable development, the universal access to energy, and the secure access to energy are critical for sharing the prosperity and the future of our planet. For assuring and fostering the energy sources without any environmental impact, sustainable and with universal access, and getting the benefits from the Sun as energy resource. The thermosolar energy will play an important role for accelerating the transition between the fossil and the nuclear fuels towards renewable energy resources. This thesis deal with the integration and searching the synergies between the linear solar collectors (parabolic troughs and Fresnel), with the different state of the art heat transfer fluids (thermal oils, molten salts, direct steam generation) and power cycles (Joule-Brayton, Rankine).

    For developing these issues, the concentrated solar plants arrangements, heat transfer fluids, and power cycles state of the art are considered the starting points in this thesis (chapter 1), and will be analysed with the methodology described in (chapter 2). This is the reference, for assessing further improvements as the line-focusing solar plants with direct reheating (chapter 3), supercritical water Rankine cycles in line-focusing solar plants (chapter 4), and solar fields with molten salts as heat transfer fluid coupled to supercritical Carbon Dioxide Brayton power cycles (chapter 5). Reviewing the results obtained arise the requirement of optimizing the thermosolar power plants operation parameters, following the guidelines recommended by other authors (chapter 6), driving to the development of a new software, the Surpercritical Concentrated Solar Plants software (SCSP), for minimizing the solar field efficient aperture area by means of the multivariable optimization algorithms SUBPLEX, UOBYQA, and NEWOUA. With this tool the solar fields with thermal oil coupled to supercritical Carbon Dioxide Brayton cycles are studied (chapter 7), solar fields with direct steam generation coupled to supercritical Brayton cycles (chapter 8), and Dual-Loop solar fields also coupled to Brayton cycles (chapter 9), and the solar fields with molten salt or direct steam generation coupled to supercritical Ethane Bratyon cycles. In the chapter 11 is compared the behaviour of Carbon Dioxide with other supercritical working fluids in the Brayton cycles. Finally, in the chapter 12, are described the SCSP software capabilities, and in the chapter 13 are summarized and discussed the main results and conclusions and the further works derived from this these are proposed. This researching work constitutes a complete catalogue about the configurations and benefits, highlighting the innovative arrangements, advising the designer about the capabilities deducted from the combination of the solar fields and power cycles with different working fluids.