Archivo de noviembre, 2021

Diseño de un reflector lineal Fresnel con reflector secundario con espejos planos

Autores: S. Taramona, P. A. González-Gómez, J. V. Briongos, J. Gómez-Hernández y D. Santana

Un reflector de Fresnel lineal de haz descendente (BDLFR) es un sistema de concentración solar que proporciona un flujo de calor solar en un receptor ubicado a nivel del suelo [1]. El sistema BDLFR está compuesto por dos etapas de reflexión. Primero, los reflectores lineales Fresnel (LFR) dirigen la irradiación solar a una segunda etapa con un espejo hiperbólico. Esta segunda etapa refleja la irradiancia solar hacia el receptor, en el que se procesan térmicamente los materiales pesados [2]. Este concepto fue propuesto originalmente para combinar las ventajas de la tecnología Linear Fresnel y los sistemas de haz descendente de foco puntual, donde varias filas de reflectores Fresnel dirigen la irradiación solar a un espejo secundario con forma hiperbólica que redirige la concentración solar hacia el receptor. Esto permite combinar las ventajas principales de ambos conceptos: bajo coste de espejos y posibilidad de procesar materiales pesados.

Reflector secundario con espejos planos

Los autores han propuesto la construcción del reflector secundario que permite redirigir la irradiancia solar hacia el suelo, utilizando espejos planos, y que permita conservar la propiedad de interés de los sistemas convencionales de haz descendente [3], tal como se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Campo solar propuesto [3]

En la figura se observan todos los componentes del campo solar: los espejos lineales Fresnel localizados cerca del suelo, el reflector secundario ubicado a mayor altura y compuestos por espejos planos, y el receptor solar donde se obtiene la concentración y se procesan los materiales pesados. Además, también son representados los focos superior e inferior, necesarios para la definición del reflector secundario.

Se aprecia cómo los rayos solares incidentes en los espejos ubicados cerca del suelo son reflejados hacia el foco alto, hasta que el reflector secundario compuesto de espejos planos intercepta estos rayos solares y los redirige hacia el receptor solar ubicado a nivel del suelo.

Beneficios del nuevo diseño

El nuevo BDLFR con reflector secundario compuesto de espejos planos supera las principales desventajas del reflector hiperbólico propuesto anteriormente, siendo estas la complejidad de fabricación de un espejo con forma hiperbólica y su estructura de soporte asociada, además de las dificultades de montaje para obtener la precisión necesaria.

Además, se han comparado reflectores secundarios planos e hiperbólicos y los resultados muestran que, para concentraciones similares, el nuevo enfoque propuesto presenta una mayor eficiencia óptica que reflector hiperbólico original. Este resultado promueve la futura integración de la tecnología propuesta con procesos industriales que requieran el tratamiento térmico de materiales pesados.

Referencias

[1] D. Santana, J. Gómez-Hernández, J. Villa Briongos, P.A. González-Gómez, Sistema óptico de haz descendente lineal solar, ES 2648148, A1, n.d.

[2] 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

[3] Taramona, S., González-Gómez, P.A., Briongos, J.V., Gómez-Hernández, J., 2022. Designing a flat beam-downs linear Fresnel reflector. Submitt. to Renew. Energy.

Contacto

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

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía

Etiquetas:
Categorias: General

Hacia el control del producto final de la fotosíntesis artificial

Autor: Fernando Fresno, IMDEA Energía

La conversión directa de energía solar en energía química (es decir, combustibles) utilizando materias primas ampliamente abundantes y reciclables (dióxido de carbono, agua, oxígeno y nitrógeno) está llamada a convertirse en uno de los pilares que sostengan la transición de la actual economía lineal a una economía circular. Una de las tecnologías enmarcadas en este contexto es la fotosíntesis artificial, que utiliza catalizadores capaces de utilizar la luz como fuente de energía para convertir dióxido de carbono y agua en productos útiles desde el punto de vista químico y energético. Puesto que existen diferentes posibles productos de dicha conversión, cada uno con una utilidad diferente, controlar la selectividad del proceso hacia uno u otro es clave de cara a la implantación de esta tecnología.

En colaboración con el Sincrotrón ALBA de Barcelona y la Universidad de Nacional de San Martín (Argentina), investigadores de la Unidad de Procesos Fotoactivados de IMDEA Energía han publicado recientemente un estudio sobre el control del producto final de la fotosíntesis artificial utilizando como catalizadores óxidos de tipo perovskita que incorporan nanopartículas de plata en su superficie. Utilizando varias técnicas físico-químicas, este trabajo profundiza en los mecanismos moleculares responsables de los cambios de selectividad observados utilizando diferentes versiones de estos catalizadores, que dan lugar a productos que van desde el monóxido de carbono, que en combinación con hidrógeno sirve de base para posteriores síntesis químicas, hasta el metanol, directamente utilizable, por ejemplo, en pilas de combustible.

Referencia

Fresno, F., Galdón, S., Barawi, M., Alfonso-González, E., Escudero, C., Pérez-Dieste, V., Huck-Iriart, C., de la Peña O’Shea, V.A., Selectivity in UV photocatalytic CO2 conversion over bare and silver-decorated niobium-tantalum perovskites. Catalysis Today 2021, 361, 85; https://doi.org/10.1016/j.cattod.2020.01.013

Contacto

Fernando Fresno, Responsable del REDLAB-369, laboratorio participante en el programa FotoArt-CM.

Coordina FotoArt-CM: Víctor A. de la Peña O´Shea, Instituto IMDEA Energía.

Etiquetas:
Categorias: General

Sistemas de trigeneración acoplados a campos solares de concentración

Autores: Jesús García-Domínguez y José Daniel Marcos (Dpto. Ingeniería Energética, Universidad Nacional de Educación a Distancia)

Resumen: Los sistemas de trigeneración (CCHP en sus siglas en inglés) son actualmente una solución prometedora para la generación simultánea de electricidad y calefacción y refrigeración útiles para grandes edificios o industrias. En este trabajo se propone un enfoque de trigeneración con activación mediante energía solar de concentración basado en diferentes configuraciones del ciclo Rankine orgánico (ORC) y en una bomba de calor de absorción de H2O/LiBr de simple efecto integrada en la cola del sistema de trigeneración.

Abstract: Modular and scalable distributed generation solutions as combined cooling, heating and power (CCHP) systems are currently a promising solution for the simultaneous generation of electricity and useful heating and cooling for large buildings or industries. In the present work, a solar-heated trigeneration approach based on different organic Rankine cycle (ORC) layouts and a single-effect H2O/LiBr absorption heat pump integrated as a bottoming cycle is analysed from the thermodynamic viewpoint.

El objetivo principal del estudio es proporcionar una guía completa para seleccionar la configuración de CCHP más adecuada para un sistema de accionado por concentradores cilindro parabólicos (CCP). Se han estudiado seis configuraciones alternativas de CCHP basadas en ORCs de simple y de doble presión, como ciclos simples, sobrecalentados y con recuperación de calor, y sus diferentes combinaciones, y siete fluidos orgánicos como medio de trabajo propuestos y comparados sistemáticamente. Por su parte, el campo de los colectores cilindro parabólicos utilizados como fuente de calor de los diferentes esquemas y la bomba de calor de absorción se mantienen invariables.

Se ha llevado a cabo un análisis paramétrico exhaustivo de las diferentes configuraciones propuestas realizado para diferentes condiciones de funcionamiento de diseño. Se analizan varios parámetros de salida, como la eficiencia energética y exergética, la potencia eléctrica neta y los ratios entre electricidad y calefacción y refrigeración. El estudio revela que la configuración CCHP más eficiente es la de ciclo sobrecalentado regenerativo ORC con un nivel de presión y con tolueno como fluido de trabajo, que es en promedio un 25% y un 8% más eficiente que las variantes de CCHP con ciclo simple de un nivel de presión y el ciclo recalentado recuperado de doble presión, respectivamente (ver fig. 1).

Fig. 1. CCHP con ciclo ORC sobrecalentado regenerativo de un nivel de presión.

En condiciones nominales de diseño, la variante CCHP de mejor rendimiento presenta un 163,7% de eficiencia energética y un 12,3% de eficiencia exergética, mientras que las producciones de electricidad, refrigeración y calefacción son de 56,2 kW, 223,0 kW y 530,1 kW, respectivamente.

Asimismo, se ha llevado a cabo un proceso de optimización siguiendo criterios energéticos y exergéticos. Se ha llevado a cabo una optimización multi-objetivo para cada uno de los mejores pares identificados requiriendo la satisfacción simultánea de ciertos objetivos, como es la eficiencia energética del ORC y la eficiencia exergética del sistema de trigeneración completo (ver tabla adjunta).

Tabla 1. Resultados de la optimización multiobjetivo

Los resultados obtenidos destacan que el diseño óptimo para todos los casos analizados se produce para la máxima temperatura de salida del campo solar (260 ºC) y la mínima temperatura de condensación del ciclo ORC (85 ºC). El par que mejor funciona es el caso 5 con tolueno como fluido de trabajo, presentando unos valores de eficiencia energética del ORC y eficiencia exergética del CCHP del 16,82% y 18,23%, respectivamente. En comparación con las condiciones nominales de diseño, el diseño óptimo para el caso 5 es, en términos de eficiencia energética del ORC, un 50% más eficiente.

Referencias

[1] Thermodynamic Analysis and Systematic Comparison of Solar-Heated Trigeneration Systems Based on ORC and Absorption Heat Pump. Autor/es: Jesús García-Domínguez and J. Daniel Marcos. Revista: Energies (2021). DOI: https://doi.org/10.3390/en14164770 URL: https://www.mdpi.com/1996-1073/14/16/4770

Contacto

José Daniel Marcos, Investigador del grupo UNED-STEM en ACES2030-CM – jdmarcos@ind.uned.es

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía

Etiquetas:
Categorias: General