LAZOS HÍBRIDOS DE COLECTORES FRESNEL PARA LA OBTENCIÓN DE CALOR DE PROCESO

Autores: Montes M.J.*, Abbas R.**, Barbero R.*, Martínez-Val, J.M.**

* Dpmto. Ingeniería Energética, Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED), C/ Juan del Rosal 12, Madrid, 28040, España, mjmontes@ind.uned.es, rbarbero@ind.uned.es

** Dpmto. Ingeniería Energética, Universidad Politécnica de Madrid (UPM), C/ José Gutiérrez Abascal 2, Madrid, 28006, España, rubenabbas@etsii.upm.es, mval@etsii.upm.es

 RESUMEN

Los colectores Fresnel resultan especialmente atractivos para la obtención de calor para procesos industriales, en el rango de temperatura 100ºC-400ºC. Por ello, uno de los estudios realizados dentro del marco del proyecto ACES 2030 se ha centrado en el análisis de un nuevo diseño de receptor Fresnel, que permite reducir costes sin disminuir prácticamente el rendimiento. Para ello, se propone un lazo híbrido en el que los primeros módulos, con temperaturas de trabajo menores empleen receptores con tubos no evacuados y los restantes módulos del lazo, a mayor temperatura media, utilicen receptores evacuados.

Basándose en cálculos económicos y en simulaciones anuales, se demuestra que para cada configuración particular, existe hibridación óptima que minimiza el coste del calor producido

 ABSTRACT

Fresnel collectors are particularly attractive to generate heat for industrial thermal processes, in the temperature range 100ºC‑400ºC. Thus, one of the studies in the ACES 2030 project has been focused on the analysis of a new Fresnel receiver design, which allows costs to be reduced without practically reducing thermal performance. For that, an hybrid Fresnel loop is proposed, in which, the first modules, at lower working temperature, use non-evacuated receivers, and the remaining, at greater temperature, use evacuated receivers.

Based on economic calculations and annual simulations, an optimal hybridization, that minimizes the cost of the heat produced, is obtained for each particular configuration.

En los últimos años se han hecho numerosos estudios comparativos entre los colectores cilindro-parabólicos y los colectores lineales Fresnel, ambos aplicados a la producción de electricidad, mediante un ciclo de potencia (Morin et alt., 2012). Aunque la comparativa no establecía una ventaja excesiva del primero sobre el segundo, lo cierto es que el Fresnel precisaba una reducción adicional del coste para resultar competitivo.

 

En este artículo se presenta otra aplicación para la cual los colectores Fresnel resultan especialmente atractivos, que es la obtención de calor para procesos industriales, en el rango de temperatura 100ºC-400ºC. De acuerdo con los datos que aparecen en (Farjana et alt., 2018), aproximadamente 2/3 del consumo final de energía en la industria es energía térmica. Aunque el rango de temperaturas para el calor de proceso está aproximadamente entre 20ºC y 400ºC, los colectores Fresnel son particularmente adecuados para temperaturas entre 100ºC y 400ºC. Para el estudio que se expone a continuación, se han tomado como referencia plantas comerciales, de acuerdo con la información que aparece en la base de datos SHIP (Solar Heat for Industrial Process, 2018), y han sido adaptados para extraer conclusiones generales.

 El estudio se ha centrado en el análisis de un nuevo diseño de receptor Fresnel, que permite reducir costes sin disminuir prácticamente el rendimiento. Para ello, se propone un lazo híbrido en el que los primeros módulos, con temperaturas de trabajo menores empleen receptores con tubos no evacuados con menores prestaciones térmicas y los restantes módulos del lazo, a mayor temperatura media, utilicen receptores evacuados, de mayor rendimiento. El receptor no evacuado consiste en un tupo de pyromark dentro de una cavidad provista de reflector secundario tipo CPC (Compound Parabolic Concentrator), que está abierta al ambiente. El receptor evacuado se basa en un doble tubo concéntrico, similar al de los colectores cilindroparabólicos, que se encuentra también en una cavidad abierta al ambiente con reflector secundario. En la Fig. 1 se muestra un esquema de la configuración propuesta.

Los Colectores Lineales Fresnel (CLF) que se utilizan en las aplicaciones  de calor de proceso, tienen normalmente una razón de concentración menor que los que se utilizan para generar electricidad. Para este trabajo, se ha tomado como referencia el colector LF‑11 de la empresa Industrial-Solar (2019). Las características principales de dicho colector aparecen en la Tabla 1.

Para el análisis anual se ha realizado una caracterización óptica y térmica del colector Fresnel utilizado, extrayendo correlaciones sencillas en función de la posición del sol y de las condiciones ambiente en cada instante determinado. Para el análisis óptico se ha utilizado un programa de trazado de rayos propio (Abbas et alt., 2012, 2013), mientras que las correlaciones de pérdidas térmicas se han obtenido mediante un modelo de resistencias térmicas aplicado a cada tipo de receptor (Montes et alt., 2017a).

Una vez realizada la caracterización óptica y térmica, se ha realizado la simulación anual de lazos de CLF para calor de proceso y el análisis económico.

En la figura 2 se muestra los resultados obtenidos para una planta Fresnel ubicada en Túnez (latitud=33°53’12.9” N; longitud=9°32’15” E). El fluido de trabajo en este caso es aceite VP1 trabajando entre 200-250ºC, y el número de módulos utilizado es igual a 56. La longitud de cada módulo es igual a 4.06 metros, coincidiendo con la longitud habitual de los tubos evacuados.

Para los resultados que se muestran en la anterior figura, el coste levelizado del calor (LCOH, Levelized Cost Of Heat), que es el coste del calor generado en una instalación particular con una temperatura determinada del fluido de trabajo. De manera simplificada, para una planta de colectores Fresnel de pequeña concentración, sin acoplamiento a un sistema auxiliar fósil y sin almacenamiento térmico, el LCOH se define mediante la siguiente ecuación:

En la ecuación anteriore, IC (Mio.$) es el coste de inversión; CRF es la tasa de retorno de capital; OMC son los costes fijos de operación y mantenimiento (Mio.$) y Eth (MWhth) es la energía térmica anual producida.

Como conclusión, en este trabajo se ha demostrado la viabilidad económica de un nuevo diseño de lazo de colector Fresnel, que combina receptores de tubo no-evacuado con receptores de tubo evacuado. La aplicación concreta a la que va acoplado el campo solar de lazos híbridos es la obtención de calor de proceso, para la que se requieren temperaturas moderadas, por lo que el uso de Fresnel está especialmente indicado.

El análisis económico, realizado en base a simulaciones anuales, muestra que puede existir una configuración óptima, dependiendo del salto térmico del fluido de trabajo en el campo solar. Se extrae también como conclusión que a temperaturas bajas (entre 50ºC y 150ºC, aproximadamente), el óptimo económico es el lazo no híbrido de tubos no-evacuados; de igual manera, a temperaturas altas (a partir de 300ºC), compensa económicamente trabajar con tubos evacuados. Todos estos resultados dependen del escenario económico que se considere.

 REFERENCIAS

 Abbas R., Montes M.J., Piera M. and Martínez-Val J.M. (2012). Solar radiation concentration features in Linear Fresnel Reflector arrays. Energy Convers. and Manag. 54 (1):133-44.

Database for applications of solar heat integration in industrial processes (2018) http://ship‑plants.info/

Farjana S.H., Huda N., Mahmud M.A.P., Saidur R. (2018). Solar process heat in industrial systems – A global review. Renew. and sustainable Energy Reviews 82, 2270-2286.

Industrial-Solar (2019) https://www.industrial-solar.de/

Montes M.J., Abbas R., Muñoz M., Muñoz-Antón J., Martínez-Val J.M. (2017a). Advances in the linear Fresnel single-tube receivers: Hybrid loops with non-evacuated and evacuated receivers. Energy Convers. and Manag. 149, 318–333.

Morin G., Dersch J., Platzer W., Eck M., Häberle A. (2012). Comparison of linear Fresnel and parabolic trough collector power plants. Sol. Energy 86, 1-12.

Contacto

María José Montes Pita, Responsable de la Universidad Nacional de Educación a Distancia. Grupo UNED-STEM del Programa ACES2030-CM mjmontes@ind.uned.es

Coordina ACES2030-CM Manuel Romero del Grupo IMDEAE-UAPAT de IMDEA Energía.

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