Construcción de un campo solar lineal Beam-down a escala de laboratorio para su integración con procesos industriales

Autores: S. Taramona, A. López Quiroz, J. Gómez-Hernández, J. Villa Briongos y D. Santana

En línea con el Acuerdo de París, que plantea el reto global de limitar el aumento de la temperatura media a menos de 2 °C comparado con niveles preindustriales, en España se ha desarrollado el Plan Nacional Integrado de Energía y Clima para los próximos 10 años, que establece objetivos como el aumento de la fracción del consumo final cubierto por fuentes renovables hasta un 42% y un incremento de la eficiencia energética, de modo que se puedan reducir las emisiones de gases de efecto invernadero un 23% con respecto a los niveles de 1990. Con estos objetivos en mente es necesario un aumento en las investigaciones y en el desarrollo de tecnologías basadas en fuentes de energía renovables.

Actualmente las principales fuentes de generación renovable en España son la eólica, la hidráulica y la solar fotovoltaica, representando aproximadamente el 55%, el 25% y el 9% de la generación de origen renovable del año 2019 [1]. Por debajo de estas tres tecnologías se encuentra la energía solar térmica, que el año pasado representó un 5% de la generación renovable; ésta tiene un gran potencial de desarrollo y mejora, tanto en el incremento del rendimiento de las tecnologías, como en la reducción de costes asociados a su construcción y operación. La energía solar térmica se basa en el aprovechamiento de la irradiación solar concentrada para incorporar el calor a un ciclo de potencia para generar electricidad, y como es necesario generar una gran cantidad de calor para obtener una potencia eléctrica suficiente, resulta de interés la aplicación de estas tecnologías para generar el calor de proceso necesario en distintas industrias.

Industria asfáltica

El proceso de construcción de carreteras requiere de gran cantidad de energía, donde la mayor parte se consume en el proceso de producción de las mezclas asfálticas necesarias para la construcción de las vías, en España la más común es la mezcla caliente, o HMA por “Hot Mixed Asphalt”, que consiste en una mezcla de bitumen y áridos secos y supone un 98% de las mezclas producidas; la calidad de este tipo de asfalto depende del grado de humedad presente en los áridos, al estar más secos, mejor es la calidad.

Figura 1. Esquema de una planta asfáltica. [3]

Concentradores lineales Beam-down

Los colectores lineales Fresnel están compuestos de múltiples filas de espejos que concentran la irradiación solar linealmente en un receptor ubicado a una altura superior. Al incorporar un reflector secundario que permita redirigir la concentración hacia el suelo, modificación propuesta en [4], es posible acoplar este tipo de campos solares a procesos que requieran el calentamiento de materiales pesados, ya que no es necesario elevarlos a una altura considerable para que reciban la irradiación solar concentrada. Adicionalmente, al concentrar el calor de manera lineal y no puntual, como las torres solares, los concentradores lineales con Beam-down resultan adecuados para la incorporación en procesos continuos que requieran calor.

 Figura 2. Esquema de un concentrador lineal Beam-down.

Diseño y construcción de un prototipo

Para estudiar la viabilidad de la aplicación de tecnologías de concentración solar para generar calor de proceso se procede a diseñar y construir un prototipo que permita realizar distintas mediciones para analizar. El prototipo está basado en los concentradores lineales Beam-down y diseñado de modo que la estructura sea modular y de fácil manipulación, de manera que se pueda armar y desarmar de manera sencilla, y que se pueda almacenar ocupando el menor espacio posible. Tras simular el funcionamiento del campo diseñado se obtiene una concentración de alrededor de 10 soles para las 12 horas solares del 20 de marzo, utilizando 40 espejos planos.

Actualmente el diseño del prototipo está definido y se está procediendo a su construcción.

 
Figura 3. Diseño del prototipo.

Figura 4. Montaje de espejos primarios.

Referencias

[1] «REData | Red Eléctrica de España», Ree.es, 2020. [online]. Available at: https://www.ree.es/es/datos/generacion/estructura-renovables

[Accessed: 10- Mar- 2021].

[2] Peinado, D., de Vega, M., García-Hernando, N., Marugán-Cruz, C. (2011). Energy and exergy analysis in an asphalt plant´s rotary dryer. [online] Madrid. Available at: http://dx.doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2010.11.029

 [Accessed 10- Mar- 2021].

[3] U.S. Army Corps of Engineers, “Hot-Mix Asphalt Plant Operations” in Hot-Mix Asphalt Paving Handbook 2000, United States of America, 2000, pp. 41-112. [online]. Available at:

https://www.faa.gov/documentLibrary/media/Advisory_Circular/150_5370_14b_app1_part_II.pdf

[Accessed 10- Mar- 2021].

[4] Gómez-Hernández, J., González-Gómez, P., Briongos, J. and Santana, D. (2020). Technical feasibility analysis of a linear particle solar receiver. [online] Madrid. Available at: https://doi.org/10.1016/j.solener.2019.11.052

[Accessed 10- Mar- 2021].

Contacto

Domingo J. Santana, Investigador Principal del grupo UC3M-ISE del Programa ACES2030-CM dsantana@ing.uc3m.es

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía