Propuesta de un receptor solar para gases presurizados y fluidos supercríticos
Autora: María José Montes (UNED)
Resumen: Este trabajo presenta un diseño novedoso de receptor solar central en microcanales, para gases presurizados y fluidos supercríticos, que combina dos conceptos: en primer lugar, la configuración de los paneles absorbedores, que es radial y convergente en el eje de la torre; en segundo lugar, la estructura compacta presenta una compacidad gradual, disminuyendo el diámetro hidráulico conforme el fluido se calienta.
Abstract: This work presents a novel microchannel central solar receiver design for pressurised gases and supercritical fluids, which combines two concepts: firstly, the arrangement of the absorber panels, which is radial and converging on the tower axis; secondly, the compact structure presents a gradual compactness with a decreasing hydraulic diameter as the fluid is heated.
El programa Gen3 para plantas termosolares [1] identifica tres tecnologías de receptor central, todas ellas acopladas a un ciclo de potencia de CO2 supercrítico (SCO2), que tienen el objetivo común de aumentar el rendimiento global de la instalación, disminuyendo el coste de la electricidad producida. Dependiendo del tipo de fluido térmico en el receptor, se distinguen tres líneas de investigación: sales fundidas, partículas y gases. Este trabajo se centra precisamente en la última línea, proponiendo un nuevo diseño de receptor solar en microcanales, para gases presurizados y fluidos supercríticos [2].
El nuevo diseño de receptor que se propone está basado en dos conceptos. En primer lugar, los paneles absorbedores adoptan una configuración radial, convergiendo en el eje de la torre. Esta configuración, conocida como STAR (Solar Thermal Advanced Receiver) ya ha sido propuesta para receptores tubulares [3]; la novedad de este diseño radica en que, en este caso, los paneles son estructuras compactas, que soportan mejor los altos flujos de radiación sin deformaciones. En segundo lugar, la estructura de cada panel absorbedor presenta una compacidad gradual, reduciéndose el diámetro hidráulico en cada paso respecto al paso anterior, según el fluido se va calentado. En la figura 1 se muestra un esquema del diseño de receptor propuesto.
La configuración radial presenta tres características que la hacen particularmente adecuada para gases y fluidos supercríticos. La primera característica es la reducción de las pérdidas térmicas al exterior en comparación con un receptor externo convencional, al reducirse el factor de visión gracias a la pseudo-cavidad prismática formada entre dos paneles convergentes adyacentes; esta reducción es muy interesante si además se tiene en cuenta que la temperatura de trabajo es elevada (700 ºC – 1000 ºC), como es habitual cuando se trabaja con gases, ya que no presentan restricciones en lo que a temperatura máxima se refiere. La segunda característica hace referencia a que la configuración radial permite que la radiación solar incida sobre ambas superficies expuestas del panel absorbedor, reduciendo el gradiente térmico a través del espesor del panel; esta disminución es importante, ya que el material empleado para la estructura compacta es un acero de conductividad térmica limitada (alrededor de 20 W/m/ºC), lo que provoca que la diferencia de temperatura entre filas de canales paralelos sea elevada. Por último, la tercera característica es el aumento de la superficie expuesta a la radiación solar en la configuración radial, comparada con un receptor externo convencional con la misma altura de panel y el mismo diámetro de torre; este aumento es necesario si se trabaja con gases y fluidos supercríticos, ya que aumenta la superficie de intercambio de calor, solventando en parte las características térmicas limitadas de estos fluidos.
Figura 1. Esquema del receptor solar central en microcanales analizado en este trabajo.
Respecto a la compacidad gradual, lo que permite es mejorar la transmisión de calor de los paneles absorbedores en aquellas zonas en las que está más comprometida la refrigeración adecuada del panel, bien porque el flujo de radiación solar concentrada sea mayor, bien porque las características térmicas del fluido empeoren al irse calentando. En concreto, en la figura 1, el receptor está formado por 6 paneles absorbedores convergentes. Cada panel absorbedor presenta dos pasos, y el fluido entra por la parte inferior del panel y próxima al diámetro de la torre; recorre el primer paso en dirección vertical, invierte el sentido para recorrer verticalmente el segundo paso, y salir por la parte inferior próxima al eje de la torre. Como se observa en esa misma figura 1, el segundo paso presenta más compacidad (canales más estrechos) que el primer paso, lo que permite aumentar la turbulencia y mejorar la transmisión de calor en el segundo paso, que es precisamente el que está sometido a un mayor flujo de radiación solar y está refrigerado por un fluido a mayor temperatura que en el primer paso. Al realizarse esta disminución del diámetro en sólo uno de los pasos, la pérdida de presión asociada es comparativamente menor que si esta reducción afectase a los dos pasos.
Referencias
[1] Mehos, M. et al., 2017. Concentrating Solar Power Gen3 Demonstration Roadmap (No. NREL/TP–5500-67464, 1338899). https://doi.org/10.2172/1338899
[2] Ho, C.K. et al., 2014. United States Patent Application 14535100, Bladed Solar Thermal Receivers for Concentrating Solar Power, Sandia Corporation.
[3] Montes, M.J. et al., 2021, Receptor solar constituido por paneles absorbedores basados en estructuras compactas. Spanish Patent Application No. 202131189.
Contacto
María José Montes, Investigadora principal del grupo UNED-STEM del programa ACES2030-CM – mjmontes@ind.uned.es
Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía.
