Tesis Doctoral
Caracterización del rendimiento de los tubos receptores de tecnología solar termoeléctrica cilindroparabólica
Autor/es | Navarro Hermoso, José Luis |
Director | Prieto Rios, Cristina |
Departamento | Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Energética |
Fecha de publicación | 2021-02-03 |
Fecha de depósito | 2022-05-26 |
Resumen | La energía solar térmica de alta concentración mediante colectores cilindroparabólicos (CCP) es la tecnología mas empleada a nivel comercial en todo el mundo para la producción de electricidad mediante la energía solar ... La energía solar térmica de alta concentración mediante colectores cilindroparabólicos (CCP) es la tecnología mas empleada a nivel comercial en todo el mundo para la producción de electricidad mediante la energía solar térmica. La radiación solar directa es concentrada mediante unos espejos en forma de parábola y redirigida a unos tubos receptores formados por dos tubos concentrivos, uno exterior de vidrio y otro interior de acero. El fluido que circula dentro del tubo de acero se calienta y cede el calor a un ciclo Rankine de producción de electricidad. Para el desarrollo de esta tecnología y el incremento de capacidad instalada en los próximos años es imprescindible avanzar en la eficiencia y reducción de costes de la misma. El tubo receptor supone el elemento más diferenciador de la tecnología de CCP, por lo cual se require un avance en el desarrollo y mejora de eficiencia del mismo. La presente investigación se enmarca en un proyecto de investigación denominado “Sol y Visión para la Energía Térmica Actual. Solventa”, financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad del Gobierno de España y liderado por la empresa Abengoa (IPT 2011 1424 920000). El objetivo de esta investigación es la caracterización del rendimiento de los tubos receptores de tecnología solar termoeléctrica cilindroparabólica. Este objetivo puede ser desglosado en dos sub objetivos. El primero es el desarrollo de equipos de medida óptico electronica no existentes en el estado del arte y que permiten caracterizar los tubos, tanto en laboratorio como en campo solar. El segundo es realizar estudios novedosos que contribuyan al mejor conocimiento de sus propiedades y que arrojen conclusiones no publicadas en el estado del arte. Se desarrolla un equipo de alta precisión de laboratorio que permite caracterizar el rendimiento de los tubos, tanto el térmico, en forma de pérdidas, como el óptico, en concreto los valores de transmitancia y reflectancia. Se evalúa por primera vez el comportamiento de la capa altamente absortiva del tubo interior en condiciones reales de operación. El equipo permite realizar medidas independientes de la transmitancia y la reflectancia a lo largo de las longitudes de onda del espectro solar y en cualquier punto del tubo, independientemente de su longitud o diámetro. Se presentan estudios de evaluación de tubos con el equipo desarrollado, como el comportamiento de las propiedades ópticas de la capa antireflejante del tubo interior a temperaturas de operación o el incremento de transmitancia provocado por la capa antireflejante de cada fabricante. Se desarrolla un segundo equipo, en este caso portátil para su uso en las plantas solares, que gracias a la propiedades ópticas de los tubos y a las Leyes de Planck y Wien, permite medir simultáneamente y sin contacto la temperatura de los dos tubos concéntricos, el tubo exterior de vidrio y el interior de acero. Este equipo, patentado en julio de 2016, WO 2016/107959 A1, permite determinar el estado de los tubos en operación en un campo solar en lo que se refiere a pérdida del vacío interanular y rendimiento térmico. Por último se realiza un estudio de la correlación de la eficiencia de los tubos con el ensuciamiento de los mismos y las limpiezas que son aplicadas durante la operación normal en las plantas. Se testan diferentes métodos de limpieza variando los parámetros, y midiendo su eficacia en el redimiento del tubo, determinando la eficiencia de los métodos tanto a corto como a largo plazo. Se obtienen conclusiones sobre el efecto de la limpieza en el deterioro de la capa antireflectante del tubo, el ritmo de pérdida de rendimiento de un tubo en una planta o la importancia de la direccionalidad en la limpieza que pone en cuestión la posición de los colectores los días de lluvia cuando no es posible operar. High concentration solar thermal energy using parabolic troughs is the most widely used commercial technology worldwide to produce electricity using solar thermal energy. The solar radiation is concentrated using parabolic ... High concentration solar thermal energy using parabolic troughs is the most widely used commercial technology worldwide to produce electricity using solar thermal energy. The solar radiation is concentrated using parabolic mirrors and redirected to receiver tubes formed by two concentric tubes. The outsider tube is made of glass and the insider is made of steel. The fluid that circulates inside the steel tube is heated and yields the heat to a Rankine cycle for electricity production. For the development of this technology and installed capacity increase in the coming years, it is essential to advance in its efficiency and cost reduction. The most differentiating element of the parabolic trough technology is the receiver tube. This document present a research framed on a research project called " Sol y Visión para la Energía Térmica Actual. Solventa", financed by the Ministerio de Economía y Competitividad of the Spanish Government and led by the company Abengoa (IPT 2011 1425 920000). The objective of this research is to characterize the performance of parabolic trough solar thermal technology receiver tubes. This objective can be broken down into two sub objectives. The first one is the development of optical electronic measurement equipment not existing in the state of the art, allowing the characterization of the tubes, both in the laboratory and in the solar field. The second is to carry out innovative studies that contribute to a better knowledge of tubes’s properties and obtain conclusions that have not been published in the state of the art. A high precision laboratory equipment is developed that allows to characterize the performance of the tubes: thermal losses, and optical poperties, transmittance and reflectance. The behaviour of the highly absorbent layer of the inner tube is evaluated for the first time under real operating conditions. The equipment allows independent measurements of transmittance and reflectance along the wavelengths of the solar spectrum and at any point along the tube, regardless of its length or diameter. Tubes evaluation studies using the equipment are presented, such as the behavior of the optical properties of the anti reflective layer of the inner tube at operating temperatures or the increase in transmittance caused by the anti reflective layer of each manufacturer. A second equipment, a portable device to be used at the solar field in operating plants, has been developed. Thanks to the optical properties of the tubes and to the Laws of Planck and Wien, the new device measures simultaneously and without contact, the temperature of the two concentric tubes, the outer glass tube and the inner steel tube. This device, patented in July 2016, WO 2016/107959 A1, makes it possible to determine the condition of the tubes, regarding vacuum loss and thermal losses. Finally, a study of the correlation of the efficiency of the tubes with the soiling and the cleanings that are applied during operation is carried out. Different cleaning methods are tested by varying the process parameters and measuring their effectiveness on the tube's yield. It is determined the efficiency of the methods in both the short and long term. Conclusions are obtained on the effect of cleaning on the deterioration of the anti reflective layer of the tube, the soiling ratioof a tube in a solar plant or the importance of directionality in cleaning that questions the position of the collectors on rainy days in commercial plants. |
Cita | Navarro Hermoso, J.L. (2021). Caracterización del rendimiento de los tubos receptores de tecnología solar termoeléctrica cilindroparabólica. (Tesis Doctoral Inédita). Universidad de Sevilla, Sevilla. |
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