Medida de alta irradiancia en centrales solares termoeléctricas de receptor central
- Autores: Marina Casanova Molina
- Directores de la Tesis: Jesús Ballestrín (dir. tes.), Francisco Javier Batlles Garrido (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Almería ( España ) en 2021
- Idioma: español
- Número de páginas: 216
- Títulos paralelos:
- High irradiance measurement in central receiver thermoelectric solar power plants
- Tribunal Calificador de la Tesis: Eduardo Zarza Moya (presid.), Joaquín Alonso Montesinos (secret.), María José Jiménez Taboada (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
El aumento de la demanda energética mundial y el crecimiento de la población están provocando un modelo energético poco sostenible. Para tratar de mejorar este modelo energético y que los países logren ser menos dependientes energéticamente, es necesario implementar con mayor capacidad las energías renovables en el mix energético.
En este contexto, las tecnologías de energía solar por concentración tienen un gran potencial como alternativa a los combustibles fósiles, tan contaminantes. Con ellas, es posible tanto generar electricidad como generar energía térmica a gran escala que puede ser usada para procesos industriales. Una de las ventajas más valiosa de estas tecnologías es su capacidad de almacenamiento. Son capaces de almacenar energía térmica, según la demanda, de forma sencilla y más económica que otras fuentes de energía renovable. Esto quiere decir que esta tecnología es capaz de adaptarse mejor a las curvas de demanda energéticas, pudiendo incluso generar electricidad sin radiación solar.
Dentro de las tecnologías de concentración, se encuentran los sistemas de receptor central. Estos sistemas consisten en un receptor situado en la parte alta de una torre, alrededor de la cual hay un campo de espejos, llamados heliostatos, que reflejan y concentran la radiación solar directa sobre el receptor. Cada vez se construyen torres más altas, con campos de heliostatos más grandes y receptores de mayor superficie. Sobre el receptor incide la radiación solar reflejada por el campo de heliostatos, que aumentará conforme aumente el número de heliostatos del sistema. Gracias a ello, en esta tecnología se pueden alcanzar potencias incidentes sobre el receptor muy elevadas, pudiendo alcanzar temperaturas de hasta 1200 ºC. Sin embargo, existe un retardo entre la irradiancia incidente (causa) y la temperatura (efecto) del receptor, que hace que la vigilancia del receptor mediante la medida de temperatura sea insuficiente.
Por ello es necesario el desarrollo de un método de medida de irradiancia que garantice el buen funcionamiento del receptor, ayudando al mantenimiento y aumentando la seguridad en las centrales.
Esta tesis doctoral trata de contribuir al desarrollo de un nuevo método de medida de irradiancia en la tecnología de receptor de central. Este nuevo método se diferencia del resto en la eliminación de superficies auxiliares y móviles para la medida, consiguiéndose medir directamente sobre la superficie del receptor.
Para realizar este estudio, se ha desarrollado y expuesto el nuevo método de medida de irradiancia, que ha sido validado posteriormente mediante ensayos experimentales. Este nuevo método supone un cambio de paradigma, ya que se eliminan las superficies auxiliares que las centrales comerciales no permiten añadir en el diseño de la torre y en la operación de la planta. El sistema utilizado consta de un radiómetro y una cámara digital exclusivamente. Este diseño es sencillo, fácil de aplicar y de instalar en cualquier central comercial sin añadir cambios en su estructura, diseño ni operación, y además es económico.
Se ha validado el método en dos ensayos en las instalaciones de la Plataforma Solar de Almería, en concreto en un horno solar y en una de las torres. En ambos ensayos se han comparado los resultados obtenidos mediante el nuevo método con un sistema de referencia ampliamente validado. En el primer ensayo, se ha diseñado y construido un receptor de pequeño tamaño y se ha pintado con la pintura que suelen usar las centrales comerciales para sus receptores. En el segundo ensayo, se han realizado medidas de distribuciones de irradiancia sobre un receptor poroso de mayor tamaño, de carburo de silicio, en el marco de un proyecto internacional. Los resultados en ambos ensayos se han comparado con el método de referencia, obteniendo desviaciones muy bajas entre las medidas. De esta manera, se ha podido validar y demostrar la viabilidad del método.
- English
The rise of the global energy demand and the population growth are leading to an unsustainable energy model. In order to try to improve this energetic model and to make countries less energy dependent, the renewable energies need to be implemented with higher load in the energy mix.
In this context, concentrating solar power technologies have great potential as an alternative to fossil fuels. With these technologies, it is possible both to generate electricity and to generate thermal energy on a large scale, which can be used for industrial processes. One of the most valuable advantages of these systems is their storage capacity. They are able to store thermal energy in an easily and more economically way than other renewable energies. This means that this technology is able to adapt better to the energy demand and can even generate electricity without solar radiation.
One of the technologies are central receiver systems. These systems consist of a receiver placed at the top of a tower, around which there is a field of mirrors, called heliostats that reflect and concentrate direct solar radiation onto the receiver. The towers are being built higher and higher, with larger heliostat fields and larger receiver surfaces. The solar radiation reflected by the heliostat field hits the receiver, which increases when the number of heliostats increases. As a result, this technology can achieve very high incident power on the receiver, reaching temperatures up to 1200 ºC.
However, there is a delay between the incident irradiance (cause) and the temperature (effect) of the receiver, which makes the monitoring of the receiver by means of temperature measurement insufficient.
It is therefore necessary to develop a method of irradiance measurement that guarantees the proper working of the receiver, helping maintenance and increasing safety in power plants.
This thesis aims to contribute to the development of a new method of irradiance measurement in central receiver systems. This new method is different from the rest in the elimination of auxiliary and mobile surfaces for the measurement, being able to measure directly on the surface of the receiver.
In order to carry out this study, the new irradiance measurement method has been developed and presented, and has been validated with experimental tests. This new method represents a change, as it eliminates the auxiliary surfaces that commercial plants do not allow to be added in the design of the tower and in the operation of the plant. The system consists of a radiometer and a digital camera. This design is simple, easy to implement and install in any commercial power plant without adding changes to the structure, design and operation, and is cost-effective.
The method has been validated in two tests at the Plataforma Solar de Almería facilities, specifically in one of the solar furnaces and in one of the towers. In both tests, the results obtained using the new method were compared with a widely validated reference system. In the first test, a small receiver was designed, built and painted with the coating, which is used to employ by commercial power plants for their receivers. In the second test, measurements of irradiance distributions were made on a larger foam silicon carbide receiver as part of an international project. The results in both tests were compared with a reference method, obtaining very low deviations between the measurements. In this way, it has been possible to validate and demonstrate the feasibility of the method.
- español
