Campos verticales de helióstatos para sistemas termosolares de receptor central: comportamiento óptico-energético y aspectos de integración en edificios y entornos urbanos
- Autores: Aurelio José González Pardo
- Directores de la Tesis: Manuel Romero Alvarez (dir. tes.), José González Aguilar (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Rey Juan Carlos ( España ) en 2013
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Guillermo Calleja Pardo (presid.), Javier Dufour Andía (secret.), Víctor Martínez Moll (voc.), Manuel Felipe Rosa Iglesias (voc.), María del Rosario Heras Celemín (voc.)
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: TESEO
- Resumen
El presente trabajo surge de la necesidad de acercar la generación de energía a los puntos de consumo para alcanzar una mayor generación distribuida en la red, integrando en entornos urbanos sistemas basados en energías renovables, para alcanzar así una generación más sostenible. En él se propone un sistema ultra-modular basado en la tecnología solar hasta ahora caracterizados por su concepción centralizada y difícilmente integrables en entornos urbanizados.
En los sistemas de receptor central, la eficiencia óptica repercute decisivamente en la eficiencia global de la instalación. La viabilidad de la utilización de este tipo de sistemas depende necesariamente y en buena medida de este aspecto. Por ello se ah realizado un análisis óptico del campo vertical de helióstatos, estudiando el efecto de parámetros geométricos como la altura del receptor, la separación entre extremos de helióstatos y diferentes tipologías de edificio sobre la eficiencia óptica anual y horaria a lo largo del año. Se ha comprobado que la eficiencia óptica se encuentra especialmente controlada por los factores de sombras, cosenos y desbordamiento. El campo alcanza la eficiencia óptica máxima durante primavera e invierno al mediodía, siendo mínimos los valores en verano. Los resultados de eficiencias y producción de energía para las mejores configuraciones son comparables a los alcanzados por campos horizontales tradicionales, lo que apoya la viabilidad del concepto de campo vertical de helióstatos para la generación eficiente de energía.
La instalación del un CVH sobre una fachada afecta al edificio en dos aspectos: arquitectónico y de iluminación. En relación al primero, la instalación del campo sobre la fachada del edificio hace que obligatoriamente sea visible desde su entorno más cercano. Esto obliga a cuidar su estética para que no rompa con el equilibrio arquitectónico y visual del edificio sobre el que se instala y su entorno. En este trabajo se proponen soluciones constructivas reales para la implementación del CVH de manera integrada en un edificio, comprobando así su viabilidad constructiva. Dichas soluciones han sido concebidas distinguiendo entre edificios ya construidos y edificios de nueva construcción.
En relación a la iluminación, la gestión y el control de la luz solar que un edificio puede admitir es un aspecto importante en el diseño de edificios energéticamente eficientes. El CVH intercepta un porcentaje de la radiación solar que, de no existir, penetraría hacia el interior del edificio. Por ello se ha estudiado el CVH no solo como sistema para la generación de energía, sino también como dispositivo de sombreado de edificios. Se ha analizado su comportamiento frente a las componentes directa y difusa de la radiación solar por separado, determinando la evolución de la iluminación solar en el interior del edificio como función de diversos parámetros del CVH. Se ha comprobado que el CVH puede bloquear un porcentaje importante de la radiación solar directa, a la vez que permite la entrada de la componente difusa, lo que favorece el confort visual en el interior del edificio.
Finalmente se ha realizado un estudio de los riesgos de deslumbramientos que un CVH puede producir al instalarse en un entorno urbano. Se estudian separadamente los riesgos causados por el receptor y por los helióstatos. Para el caso del receptor, se ha realizado un desarrollo matemático que ha llevado a la proposición de una serie de ecuaciones y gráficas que caracterizan el fenómeno de deslumbramientos producidos por un CVH, y que son igualmente aplicables a instalaciones de receptor central convencionales. En el caso de helióstatos, se hace necesaria la adopción de medidas preventivas para evitar los riesgos de deslumbramientos. Se establece una posición de seguridad de helióstato, así como un camino de seguridad para llevarlo a dicha posición.
This work stems from de need of bringing power generation to consumption points, in order to achieve a better distributed generation into the network, integrating renewable energy systems into urban environments, thus achieving a more sustainable generation. It has been proposed a ultra-modular system based on central receiver solar thermal power technology called Vertical Heliostat Field (VHF), in which heliostat field lies in a vertical plane, looking for its integration into the façade of a building. It seeks to bring the concept of distributed power generation to solar energy systems originally characterized by their highly centralized design.
In central receiver systems, the optical efficiency decisively affects the overall performance of the installation. The feasibility of using this type of system largely depends on this aspect. Therefore, an optical analysis of the vertical heliostat field has been performed, studying the effect of several geometric parameters such as receiver height, separation between heliostat edges, and different building typologies on the hourly an annual optical efficiency along the year. The optical efficiency of a vertical heliostat field was found to be mainly controlled by shadowing, cosine and spillage factors. The field reaches the maximum overall optical efficiency during spring and winter at noon time and the minimum ones during the summer season mainly due to shadowing factor. Results of efficiency and yield obtained for best configurations are comparable to those ones reached by traditional horizontal field arrangements, what supports the feasibility of the vertical heliostats field concept as a CSP building integrated facility.
The installation of a VHF on a façade affects the building in two different aspects: architectural and daylighting. Regarding the first one, the installation of the field on the façade makes it visible from the immediate surroundings. This forces to take care of the aesthetics, in order to avoid breaking the architectural and visual balance of the building and its environment. In this work, the constructive viability of vertical heliostat fields is shown by proposing real building solutions for VHF implementation. Two main structural solutions for guiadance have been proposed, differentiating two real situations: one for buildings already constructed and another for new buildings.
With regard to illumination, managing the sunlight admitted into a building is an important issue in the design of energy-efficient buildings. The installation of a VHF on a façade affects the light incoming inside the building. Thus, an optical analysis of the Vertical Heliostat Field as a shading facility has been performed, studying the daylignting inside the building as a function of VHF parameters, always preserving the performance and operational efficiencies comparable to a classical central receiver system commonly used in solar thermal power plants. Direct and diffuse components have been considered separately. It was found that VHF can block an important percentage of the direct solar radiation, while favors the entrance of diffuse component, which benefits visual comfort inside the building.
Finally, glare phenomenon has been distinguished as a critical aspect for a VHF facility integrated in an urban environment. Therefore, an analysis of potential ocular hazards produced by the VHF has been performed, studying separately the effects from heliostats and receiver. In case of receiver, there was performed a mathematical development that led us to propose a series of general equations and graphs to characterize glare phenomenon produced by the receiver of a VHF, which are equally applicable to conventional central receiver facilities. In case of heliostats, it was necessary the adoption of preventive measures in order to avoid glare hazards. It was established a safety position and a specific path of security.
