Contribución a la caracterización óptica de heliostatos y campos de heliostatos para sistemas de receptor central
- Autores: Jesús Fernández Reche
- Directores de la Tesis: Eduardo Zarza Moya (dir. tes.), Francisco Javier Barbero (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Almería ( España ) en 2020
- Idioma: español
- Número de páginas: 170
- Títulos paralelos:
- Contributions to Optical Characterization of Heliostats and Heliostat Fields for Central Receiver Systems
- Tribunal Calificador de la Tesis: Domingo Santana Santana (presid.), María Jesús Ariza Camacho (secret.), Manuel Antonio Silva Pérez (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ciencias Aplicadas al Medio Ambiente por la Universidad de Almería
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: riUAL
- Resumen
- español
Las tecnologías de concentración solar, y en particular los sistemas de receptor central, van camino de convertirse en una alternativa plausible, no solo a la generación masiva de electricidad, sino también a la generación de energía a gran escala para procesos industriales de media y alta temperatura (200-1000 OC). Una de sus principales ventajas con respecto a otras tecnologías renovables radica en la capacidad que la tecnología solar de concentración tiene para almacenar energía térmica de una manera sencilla y, sobre todo, económica. De esta manera, la gestión del despacho de centrales que utilicen esta fuente energética aumenta considerablemente, pudiendo generar energía, tanto térmica como eléctrica, a demanda del consumidor, incluso sin la presencia de radiación solar.
El primer desarrollo tecnológico importante de los sistemas de receptor central se produjo en la década de los 80 del siglo pasado cuando, a raíz de la crisis del petróleo de la década anterior, numerosos países en todo el mundo comenzaron a investigar en alternativas a los combustibles fósiles para generación energética. Y su gran desarrollo comercial se ha producido en los últimos 15 años, donde se han instalado más de 2,5 GWe de potencia con centrales de receptor central, del total de 6,1 GWe para todas las tecnologías solares térmicas de concentración (datos de diciembre de 2019).
De los diferentes subsistemas que conforman la tecnología de receptor central, el campo solar, encargado de captar y concentrar la radiación solar, tiene gran importancia debido a que puede considerarse como la fuente de energía o “combustible” del resto de subsistemas. El campo solar está compuesto por sistemas ópticos (espejos) llamados heliostatos provistos de mecanismos para seguir al Sol a lo largo del día, y cuya adecuada caracterización y determinación de las propiedades ópticas resultan necesarias, de forma individual y del subsistema en su conjunto, tanto en su fase de diseño y construcción como en la posterior evaluación diaria rutinaria del mismo.
Esta Tesis Doctoral incluye el desarrollo de dos metodologías para la caracterización óptica (incluyendo medida de reflectancia y determinación de su calidad geométrica) de los heliostatos que forman parte del campo solar. Al mismo tiempo, se pone al día e integrado en un entorno gráfico el código de simulación DELSOL, desarrollado en los años 80 del pasado siglo con el inicio del desarrollo tecnológico de los sistemas de receptor central, lo que permite que siga siendo posible usar los algoritmos de cálculo que incorpora para el estudio del comportamiento energético de sistemas de receptor central en los sistemas de computación actuales de una manera rápida, cómoda y sencilla.
En primer lugar se desarrolla y valida experimentalmente un método estadístico para calcular la reflectancia especular solar media de un campo de heliostatos midiendo en, únicamente, una pequeña muestra de población del mismo. Teniendo en cuenta que los campos solares comerciales contienen miles, e incluso decenas de miles de heliostatos, dicha metodología supone, en la práctica, reducir el tiempo de ejecución de esta tarea que forma parte de los procedimientos de operación y mantenimiento de un sistema de receptor central y habilitar técnicamente así la posibilidad de conocer la reflectancia media del campo solar de una forma fiable y precisa.
Por otro lado, se presenta un método para determinar la calidad geométrica de la superficie de los heliostatos. Al ser éstos sistemas ópticos, sus propiedades de concentración de la radiación solar, y sus parámetros ópticos, como por ejemplo la distancia focal, dependerán de la precisión de su geometría. Empleando técnicas de fotogrametría o escaneado láser se realizan medidas que permiten calcular con gran precisión el error geométrico asociado a dichas superficies.
Finalmente, para comprobar experimentalmente la validez de las propuestas desarrolladas en esta Tesis Doctoral, se simula un sistema de receptor central de la Plataforma Solar de Almería empleando como parámetros de entrada la reflectancia y el error de la pendiente determinados experimentalmente con las metodologías mencionadas; y se compara con la medida de radiación solar concentrada en el receptor del sistema experimental considerado. De la comparación directa de simulación y experimento se obtienen diferencias inferiores al 10% en la potencia incidente en el receptor, estando en todo caso los valores absolutos dentro de los rangos de error respectivos de simulación y experimento. Estos resultados permiten corroborar la utilidad y eficacia de las metodologías desarrolladas y presentadas en esta Tesis Doctoral.
- English
Concentrating solar technologies, and in particular central receiver systems, are on the way to becoming a plausible alternative, not only to massive electricity generation, but also to large-scale thermal energy generation for medium and high temperature industrial processes (300 ◦C-1000 ◦C). One of its main advantages over other renewable technologies is the ability of concentrating solar systems to store thermal energy in a simple and, above all, costeective way. For this reason, the management of the dispatchability of power plants that use this energy source increases considerably, being able to generate energy, both thermal and electrical, at the demand of the consumer, even without the presence of solar radiation.
The first important technological development of central receiver systems took place in the 1980's when, following the oil crisis, several countries around the world began to investigate alternatives to the fossil fuels for energy generation. And its great commercial development has taken place in the last 15 years, where more than 2,5 GWe of installed capacity correspond to central receiver plants, out of a total of 6,1 GWe installed capacity for all concentrating solar thermal technologies (data from December 2019).
Of the dierent subsystems that comprises central receiver solar technology, the solar field, which is responsible for capturing and concentrating solar radiation, is of great importance because it can be considered as the energy source or "fuel" for the rest of the subsystems. The solar feld is made up of optical systems (mirrors) called heliostats that are equipped with mechanisms to follow the Sun along the day. It is necessary to adequately characterize and determine the optical properties of the heliostats individually and of the subsystem as a whole, both in the design and construction phase, and in the subsequent routine daily system evaluation.
This Doctoral Thesis includes the development of two methodologies for the optical characterization, relative to refectance and geometrical assessment, of heliostats that are part of the solar field. At the same time, the DELSOL simulation code, developed in the 80's with the beginning of the technological development of central receiver systems, is updated and integrated into a graphical environment. This allows the use of the calculation algorithms incorporated for the study of the energy behavior of central receiver systems in current computer systems in a fast, interactive and simple way.
On the one hand, a statistical method is developed and experimentally validated to calculate the average solar specular refectance of a heliostat field by measuring only a small sample of the field's population. Taking into account that commercial solar felds contain thousands, or even tens of thousands, of heliostats, such a methodology means, in practice, reducing the execution time of this task that forms part of the operation and maintenance procedures of a central receiver system and thus technically enabling the possibility of measuring the average reectance of the solar field in a easy, reliable and precise manner.
On the other hand, a methodology is presented to determine the geometrical quality of the surface of heliostats. As these are optical systems, their ability of concentrating solar radiation and their optical parameters, such as focal length, will depend on the precision of their geometry. The measurements are made using photogrammetry or laser scanning techniques, and allow to calculate with high precision the geometrical error associated with these surfaces.
Finally, to experimentally check the validity of the proposal methodology, a central receiver system of the Plataforma Solar de Almería is simulated using, as input for the parametrization of the heliostat field, the refectance and optical error determined experimentally with the aforementioned methodologies. This simulation is compared with the measurement of the concentrated solar radiation in the receiver of the experimental system under consideration. From the direct comparison of simulation and experiment, dierences of less than 10 % are obtained in the incident power on the receiver. Moreover, the measured absolute values are, in any case, within the respective error ranges of simulation and experiment. These results allow corroborating the usefulness of the methodologies presented in this Doctoral Thesis.
- español
