Medida de la extinción atmosférica de la radiación solar en centrales solares termoeléctricas de receptor central
- Autores: María Elena Carra Artero
- Directores de la Tesis: Jesús Ballestrín (dir. tes.), Francisco Javier Barbero (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Almería ( España ) en 2018
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Eduardo Zarza Moya (presid.), Manuel Pérez García (secret.), María José Jiménez Taboada (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ciencias Aplicadas al Medio Ambiente por la Universidad de Almería
- Materias:
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- Resumen
Con el uso cada vez más intensivo de la energía, en los próximos años existirá una crisis de abastecimiento energético en la Unión Europea con un 70% de dependencia de energía exterior. Debido a este factor, es necesario que las energías renovables sean una pieza clave dentro del mix energético de los años venideros.
Pero no es sólo una cuestión de necesidad energética o de estrategia económica, la cuestión de necesidad es el desafío que nos plantea el inminente cambio climático. En la última reunión del Grupo Intergubernamental de Expertos en Cambio Climático, celebrada el 8 de octubre del 2018 en Corea del Sur, los expertos alertaron sobre la necesidad de realizar cambios sin precedentes a nivel global para limitar la subida de la temperatura del Planeta 1.5 0C en lugar de 2 0C como se estableció en el Acuerdo de París sobre el clima, ya que superar la barrera de los 1.5 0C tendría consecuencias catastróficas.
Las vías planteadas para conseguir esos objetivos y no traspasar esa barrera, que se cree que será superada entre el 2030 y el 2052 según el ritmo actual, deben conseguir que las emisiones netas globales del dióxido de carbono, principal causante del cambio climático, disminuyan en 2030 alrededor de un 45% respecto a los niveles del 2010, y sigan disminuyendo hasta alcanzar cero emisiones para el año 2050. Para ello, serán necesarios cambios de gran alcance, particularmente en el sector de la industria y de la energía. Por tanto, las estrategias futuras en materia energética deberán basarse en una combinación energética eficiente, con un enfoque integrado de lucha contra el cambio climático, donde las renovables tendrán una importancia crucial, y dentro de ellas la energía solar de concentración.
En esta línea, la energía solar de concentración deberá ser una pieza fundamental como tecnología de producción de energía, y en especial la energía solar termoeléctrica. El desarrollo de las plantas solares de concentración de torre en los próximos años deberá incluir mayores potencias que las actuales. Mayores potencias implican grandes superficies de campos de heliostatos, lo que conlleva distancias mayores entre los heliostatos más alejados y el receptor central, haciendo que la extinción atmosférica de la radiación solar cobre importancia a la hora de determinar con exactitud la radiación solar incidente en el receptor central en tiempo real. Este es uno de los mayores retos a los que se enfrenta la tecnología de las plantas solares termoelétricas, la predicción de la radiación incidente en el receptor a corto plazo, necesaria para el correcto funcionamiento de las plantas y para aumentar su eficiencia, pudiendo garantizar potencias fijas en el receptor a la hora de operar.
El proceso de extinción o atenuación es debido principalmente a los aerosoles y al vapor de agua presentes en la atmósfera, los cuales atenúan la radiación directa desde el límite de la atmósfera hasta la superficie, pero también desde el campo de heliostatos al receptor, absorbiendo la radiación o dispersándola.
Como todo lo que puede ser medido, puede ser controlado mejor, esta tesis doctoral parte de la necesidad de medir la extinción atmosférica de la radiación solar desarrollando un procedimiento de medida fiable.
Hasta ahora, la extinción atmosférica de la radiación solar había sido obtenida con modelos paramétricos que usan atmósferas estándar, poco representativas para las condiciones atmosféricas variables y específicas de cada emplazamiento. También se han usado metodologías con medidas realizadas con instrumentación para meteorología, pero los errores asociados a las medidas son mayores que los niveles de extinción que se pretenden medir en muchos casos, y en otros, la instrumentación es monocromática, siendo la extinción una variable que afecta a una gran parte del espectro.
Por todos estos antecedentes, en esta tesis se estudia el proceso físico de la extinción y de qué depende, así como las metodologías utilizadas para determinar la extinción y la instrumentación utilizada. Además, se han realizado simulaciones con un código de transferencia radiativa para estimar los niveles de extinción atmosférica que se pueden encontrar en la Plataforma Solar de Almería (PSA), utilizando un año típico de aerosoles. Por último, en base a los niveles obtenidos con las simulaciones, se ha desarrollado una metodología de medida de la extinción, utilizando cámaras digitales con sensores CMOS, con un rango espectral desde 400 hasta 1000 nm, y con una incertidumbre de medida menor al 2% absoluto. La extinción diaria medida con la metodología ha sido introducida por primera vez en el panel de control de una sala de operaciones de una planta termoeléctrica solar, junto con el resto de parámetros meteorológicos.
Adicionalmente al desarrollo de la metodología de medida de extinción atmosférica, se ha realizado un año de medidas de extinción con el sistema implantado en la PSA. Con este año de medidas se ha desarrollado un estudio sobre los niveles reales de extinción encontrados en la PSA, y se han comparado con los obtenidos con las simulaciones previas realizadas con el código de transferencia radiativa, encontrándose que los niveles calculados corresponden con los niveles de extinción medidos en la PSA teniendo en cuenta los márgenes de error. Por lo tanto, quedan validadas en esta tesis las simulaciones realizadas con la metodología paramétrica planteada del año típico de aerosoles.
En el estudio realizado sobre las medidas de un año de extinción también se analiza el comportamiento anual, estacional, mensual y diario de este parámetro en la PSA, encontrando patrones diarios de extinción en cada estación, siendo de gran utilidad este resultado del comportamiento diario de la extinción para las previsiones diarias de una sala de control de una planta termosolar de torre.
