Optimización de herramientas para el diseño y evaluación de captadores solares cilindroparabólicos para el suministro de energía térmica a temperaturas inferiores a 250ºc. Aplicación práctica al prototipo capsol.
- Autores: Aránzazu Fernández García
- Directores de la Tesis: Manuel Pérez García (dir. tes.), Francisco Manzano Agugliaro (codir. tes.), María Esther Rojas Bravo (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Almería ( España ) en 2013
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Manuel Berenguel Soria (presid.), Eduardo Zarza Moya (secret.), Javier Muñoz Antón (voc.)
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: TESEO
- Resumen
El suministro de energía se ha convertido en la actualidad en uno de los principales problemas a los que se enfrenta la humanidad. El incremento de la población mundial y el aumento del nivel de vida son dos factores críticos que están agravando significativamente el problema. Asimismo, el uso de fuentes tradicionales de energía está provocando que la contaminación del Planeta sea una realidad ineludible de graves consecuencias. La energía solar térmica presenta una serie de características que la hacen idónea tanto para contribuir sustancialmente a cubrir la demanda energética como para evitar, o al menos minimizar, la contaminación mundial y el cambio climático.
En este entorno, la demanda de energía en procesos industriales, caracterizada por un rango de usos térmicos entre los 120 y 250 ºC constituye un ámbito de actuación relevante en términos absolutos de consumo de fuentes fósiles que presenta un amplio potencial de aprovechamiento solar. Los captadores solares cilindroparabólicos, CCPs, de pequeña apertura (ancho inferior a 3 m) son sistemas termosolares de concentración que representan una solución tecnológica adecuada para este rango térmico frente a otras opciones solares con mayor implantación pero no idóneas bien por incapacidad de proporcionar energía en ese rango de temperaturas, caso de los captadores estacionarios en aplicaciones domésticas o terciarias, o bien por su tamaño y complejidad funcional, caso de los captadores cilindroparabólicos tradicionales utilizados en las plantas termosolares de producción eléctrica.
Aunque se vienen llevando a cabo diversas iniciativas por parte de empresas y centros de investigación orientadas al desarrollo de CCPs de pequeña apertura capaces de hacer frente a la demanda térmica mencionada, se ha constatado la ausencia de herramientas de diseño y evaluación integrales, cubriendo el mayor número de aspectos posibles que, al igual que ocurre con tecnologías con cierto nivel de implantación comercial, sirvan como guías a los fabricantes y desarrolladores de sistemas, tanto desde el punto de vista de simulación y cálculo como desde el punto de vista de especificaciones y certificación de funcionamiento.
Así pues, en este trabajo de investigación se realiza la valoración de las herramientas de diseño y evaluación existentes para la formulación de las especificaciones básicas de este tipo de sistemas (geometría, materiales, rendimiento térmico, mantenimiento,¿), realizándose las aportaciones oportunas en aquellos casos en los que el análisis demuestra la existencia de aspectos insuficientemente desarrollados o ausentes. Las herramientas resultantes mejoradas son tanto teóricas (modelos de simulación del rendimiento térmico y óptico geométrico) como prácticas (métodos de ensayo de durabilidad de reflectores y de evaluación de captadores de pequeña apertura) y se han aplicado en el diseño, construcción y evaluación de un prototipo propio, al amparo del proyecto CAPSOL, financiado por el Plan Nacional.
Los modelos teóricos para el diseño de CCPs de pequeña apertura desarrollados en esta tesis incorporan una mejora en la caracterización del rendimiento óptico-geométrico, principalmente a través del modelado del modificador por ángulo de incidencia. La simulación numérica mediante computación fluido-dinámica ha servido para seleccionar la configuración geométrica más adecuada desde el punto de vista del comportamiento térmico y analizar la influencia de los parámetros de operación y ambientales en dicho comportamiento térmico.
En relación con las herramientas de evaluación de captadores, se ha trabajado en una herramienta propia optimizada para el cálculo de la calidad óptica de los concentradores mediante la técnica de fotogrametría, se ha establecido un protocolo para la realización de ensayos de rendimiento específico de CCPs de pequeña apertura, se ha implementado un método detallado de cálculo de las incertidumbres asociadas a dichos ensayos de rendimiento, y se ha diseñado, instalado y puesto en marcha un lazo de ensayos de rendimiento de CCPs de pequeña apertura en condiciones reales de operación, con agua a presión como fluido de trabajo.
Estas herramientas de diseño y de evaluación se han aplicado al desarrollo de un prototipo de CCP experimental cuyas propiedades de modularidad, peso ligero, pequeño tamaño, elevada durabilidad en ambientes agresivos, alta rigidez estructural y requerimientos mínimos de operación y mantenimiento, lo hacen adecuado para su implantación en áreas industriales y comerciales, principalmente gracias a la aportación específica de incorporar una cubierta de vidrio en su área de apertura.
La realización de este trabajo de investigación se ha llevado a cabo al amparo de los proyectos CAPSOL, financiado por el Plan Nacional de Investigación del Gobierno de España, y RNM-5927, financiado por el Programa de Incentivos a los Agentes del Sistema Andaluz del Conocimiento de la Junta de Andalucía.
