Object-oriented modeling for the transient performance simulation of solar thermal power plants using parabolic trough collectors: a review and proposal of modeling approaches for thermal energy storage

• Autores: Fritz Zaversky
• Directores de la Tesis: Marcelino Sánchez González (dir. tes.), David Astrain Ulibarrena (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Pública de Navarra ( España ) en 2014
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: David Pedro Serrano Granados (presid.), Rodrigo Llopis Doménech (secret.), Manuel Antonio Silva Pérez (voc.)
• Materias:
  • Astronomía y astrofísica
    • Sistema solar
      • Energía solar
  • Física
    • Termodinámica
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología energética
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Academica-e
• Resumen

  • La intención de este trabajo es extender las técnicas actuales de modelización del almacenamiento térmico activo directo y activo indirecto, con dos tanques y sales fundidas como medio de almacenamiento. Con el objetivo de conseguir aumentar el conocimiento sobre su comportamiento térmico y los aspectos operacionales, los modelos desarrollados deben permitir la evaluación del sistema de almacenamiento térmico en condiciones transitorias. Así, la parte principal de este trabajo (la Parte II) se centra en la modelización y evaluación del comportamiento de los intercambiadores de calor para la tecnología de almacenamiento térmico activo indirecto, que emplea sales fundidas (60% en peso de nitrato sódico, NaNO3, y 40% en peso de nitrato potásico, KNO3) como medio de almacenamiento y aceite térmico (una mezcla de difenilo, C12H10, y oxido de difenilo, C12H10O) como fluido caloportador. Asumiendo un diseño de intercambiador de calor del tipo carcasa y tubos, el comportamiento del proceso de intercambio de calor entre el medio de almacenamiento y el fluido caloportador se analiza en detalle, considerando condiciones de operación estacionarias y transitorias bajo cargas nominales y parciales. El modelo estacionario proporciona información útil sobre el coeficiente global de transmisión de calor y los rangos de variación de pérdidas de carga para dos configuraciones de intercambiadores de calor específicas. Se demuestra que la configuración de dos intercambiadores en paralelo supera a la configuración convencional de un único intercambiador en funcionamiento. Por otro lado, la evaluación del modelo transitorio suministra paráametros típicos del proceso como la ganancia, el tiempo muerto y la constante del tiempo para el modo de carga y descarga, en condiciones nominales y parciales. Además, se ha obtenido un modelo transitorio del tanque de almacenamiento a alta temperatura razonablemente simple, el cual es muy adecuado para simulaciones del comportamiento de centrales CSP en su conjunto. En el estudio se ha demostrado que las pérdidas térmicas por convección natural en la atmosfera de gas encima de la superficie libre de las sales fundidas se pueden omitir en el modelo, causando errores despreciables. También, se pueden asumir coeficientes de convección constantes entre la superficie de las paredes del tanque y las sales fundidas. Sin embargo, la transmisión de calor por radiación entre la superficie libre de las sales fundidas y las paredes interiores del tanque, que no están en contacto con las sales, deben de ser consideradas, dada su importante influencia en las pérdidas totales. Además, debido al modelado de la trasmisión de calor por las paredes del tanque en modo transitorio y al cálculo preciso de la temperatura de la superficie exterior, la influencia que las condiciones de contorno ambientales tienen sobre las pérdidas de calor, pueden ser caracterizadas de manera mucho más adecuada que mediante métodos cuasi-estacionarios, que solo tienen en cuenta la temperatura ambiente. Finalmente, la Parte III trata de la aplicación de los modelos desarrollados para los componentes del almacenamiento térmico, a un modelo exhaustivo y completo de una central de captadores cilindro-parabólicos a nivel global. De este modo se simula, no solo el comportamiento del sistema de almacenamiento térmico activo indirecto, sino también las respuestas de la central solar térmica al completo, debido a los cambios en las condiciones de contorno ambientales. Se observa que la inercia térmica del sistema de almacenamiento activo indirecto es muy considerable, influyendo de manera notable en los rápidos cambios de carga necesarios para capturar la mayor cantidad posible de la energía solar disponible, y para alimentar el bloque de potencia con una potencia térmica constante, independientemente de la actual radiación solar. Por último pero no menos importante, los modelos presentados han sido desarrollados de manera flexible, bien estructurada y con una programación orientada a objetos, particularmente dando importancia a una implementación independiente de la plataforma de simulación, hecho que ha sido llevado a cabo utilizando el lenguaje de modelación Modelica. Este es un lenguaje de modelizado de sistemas físicos multiobjetivo, que ha sido desarrollado en un esfuerzo internacional para unificar las técnicas de simulación ya existentes y para permitir el intercambio fácil de los modelos y librerías de modelos que se desarrollen. El concepto de Modelica se basa en modelos no causales que utilizan ecuaciones diferenciales ordinarias y algebraicas.