{"id":132575,"date":"2015-07-29T09:19:21","date_gmt":"2015-07-29T08:19:21","guid":{"rendered":"http:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/?p=132575"},"modified":"2015-07-29T09:19:21","modified_gmt":"2015-07-29T08:19:21","slug":"nuevos-fluidos-de-transferencia-de-calor-en-las-tecnologias-de-concentracion-solar","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/2015\/07\/29\/132575","title":{"rendered":"Nuevos fluidos de transferencia de calor en las tecnolog\u00edas de concentraci\u00f3n solar"},"content":{"rendered":"

Autora<\/span>: Mar\u00eda Isabel Rold\u00e1n Serrano. CIEMAT-Plataforma Solar de Almer\u00eda<\/em><\/span><\/p>\n

\u00a0<\/span>La energ\u00eda solar t\u00e9rmica de concentraci\u00f3n (ESTC) es considerada como una de las tecnolog\u00edas claves en el camino hacia la b\u00fasqueda de fuentes de energ\u00eda renovables y limpias. Por ello, existe un amplio trabajo de investigaci\u00f3n focalizado en mejorar el rendimiento obtenido de las instalaciones de concentraci\u00f3n solar. En dichos sistemas, la radiaci\u00f3n solar es concentrada mediante el uso de espejos (heliostatos y concentrador) sobre un receptor, donde existe un fluido que capta y transporta el calor. Dicho fluido puede usarse directamente en una turbina o combinarse con un intercambiador de calor y un ciclo secundario (Rankine) para generar vapor (ver Figura 1). <\/span><\/p>\n

El fluido de transferencia de calor (HTF) es uno de los componentes m\u00e1s importantes en el rendimiento global y eficiencia de la planta ESTC; por lo que es necesario encontrar fluidos de trabajo de bajo coste y m\u00e1ximo rendimiento. As\u00ed, un HTF apropiado debe tener un bajo punto de fusi\u00f3n, alto punto de ebullici\u00f3n y estabilidad t\u00e9rmica, baja presi\u00f3n de vapor a altas temperaturas \u00a0\u00a0\u00a0(< 1 atm), baja corrosi\u00f3n con aleaciones met\u00e1licas usadas en los tanques de almacenamiento, baja viscosidad, alta conductividad t\u00e9rmica y alta capacidad calor\u00edfica para almacenamiento de energ\u00eda\u00a0[1].<\/span><\/p>\n

\"\"<\/p>\n

Figura 1. Principio de operaci\u00f3n de un sistema de concentraci\u00f3n solar t\u00edpico [1]<\/strong><\/p>\n

Los fluidos de trabajo m\u00e1s utilizados en las plantas ESTC comerciales son aceite o vapor con el fin de transferir la energ\u00eda hacia el bloque de potencia. Estos fluidos poseen propiedades que limitan el rendimiento de la planta; ya que, por un lado, el aceite tiene el l\u00edmite m\u00e1ximo de temperatura de trabajo en 400\u00baC, mientras que la generaci\u00f3n directa de vapor requiere un control complejo que limita la capacidad de almacenamiento. Para superar estas limitaciones, se est\u00e1n realizando trabajos de investigaci\u00f3n basados en la aplicaci\u00f3n de fluidos alternativos dentro de los sistemas ESTC [2].<\/span><\/p>\n

Con tal fin, se est\u00e1n desarrollando nuevos dise\u00f1os de receptores que permiten alcanzar eficiencias mayores usando ciclos de potencia avanzados, tales como los ciclos Brayton de lazo cerrado con di\u00f3xido de carbono supercr\u00edtico (s-CO2<\/sub>) que es calentado directamente en receptores tubulares capaces de soportar altas presiones y temperaturas de fluido (alrededor de 20 \u00a0MPa y 900\u00a0K) [3][4]. Debido a las altas presiones necesarias para mantener la condici\u00f3n de supercr\u00edtico, no es posible utilizar el s-CO2<\/sub> en tecnolog\u00edas de media concentraci\u00f3n como los colectores cilindroparab\u00f3licos; puesto que en estos sistemas se requiere largas redes de tuber\u00edas de conexi\u00f3n cuyas partes m\u00f3viles presentan problemas de fugas m\u00e1s acusados. Sin embargo, la tecnolog\u00eda de receptor central (Figura 1) permite implementar estas condiciones de operaci\u00f3n al consistir en un receptor fijo; por lo que es una l\u00ednea de investigaci\u00f3n de creciente inter\u00e9s.<\/span><\/p>\n

En el marco del proyecto AlcConES, financiado por la Comunidad de Madrid, se est\u00e1n desarrollando actividades relacionadas con la integraci\u00f3n de nuevos fluidos t\u00e9rmicos en sistemas ESTC. En concreto, desde el Centro de Investigaciones Energ\u00e9ticas, Medioambientales y Tecnol\u00f3gicas (CIEMAT) estamos estudiando la viabilidad del s-CO2<\/sub> en comparaci\u00f3n con las sales fundidas como HTF en un receptor tubular de torre. Para ello, se ha desarrollado un modelo de simulaci\u00f3n, empleando la Fluidodin\u00e1mica Computacional, para el dise\u00f1o de un receptor tubular de sales fundidas previamente ensayado. A partir de los resultados iniciales de este estudio, se ha obtenido que el calor ganado por el s-CO2<\/sub> es pr\u00e1cticamente un 75% mayor que el captado por las sales fundidas, requiriendo un rango de presi\u00f3n de trabajo entre 7.5 MPa y 9.7 MPa para el m\u00f3dulo central del receptor [5]. <\/span><\/p>\n

La implementaci\u00f3n de fluidos supercr\u00edticos como HTF se basa en que poseen unas excelentes propiedades de transferencia de calor, no son t\u00f3xicos, ni cancer\u00edgenos, ni mutag\u00e9nicos, ni tampoco inflamables y son termodin\u00e1micamente estables. Adem\u00e1s, sus propiedades termo-f\u00edsicas, tales como difusividad, viscosidad, constate diel\u00e9ctrica y densidad, pueden ser ajustadas variando la presi\u00f3n y\/o la temperatura de operaci\u00f3n. Estas propiedades han permitido proponer el uso de fluidos supercr\u00edticos en los ciclos de potencia que, con fluidos convencionales (agua\/vapor y sales fundidas), han sido capaces de alcanzar hasta ahora un 40% de eficiencia de conversi\u00f3n (t\u00e9rmica-el\u00e9ctrica) [6].<\/span><\/p>\n

El uso de fluidos supercr\u00edticos en ciclos de potencia podr\u00eda contribuir a reducir el coste de la electricidad; ya que ser\u00edan ciclos cerrados m\u00e1s simples, compactos, m\u00e1s baratos y con unos periodos de construcci\u00f3n m\u00e1s cortos que los ciclos convencionales. No obstante, hay que tener en cuenta las limitaciones que supone el uso a gran escala de los ciclos de potencia supercr\u00edticos; puesto que requieren equipamiento y medidas de seguridad adaptados a unas condiciones de operaci\u00f3n m\u00e1s extremas (altas presiones y temperaturas). Por ello, considerar el s-CO2<\/sub> como HTF en receptores solares de torre aparece como una posible alternativa, teniendo a su vez en cuenta las exigencias de dise\u00f1o y operaci\u00f3n del sistema.<\/span><\/p>\n


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Fuentes<\/span>:<\/span><\/p>\n

    \n
  1. K. Vignarooban, X. Xu, A. Arvay, K. Hsu, A.M. Kannan, Heat transfer fluids for concentrating solar power systems \u2013 A review<\/em>, Applied Energy 156, 383-396 (2015).<\/li>\n
  2. Z. Ma and C.S. Turchi, Advanced Supercritical Carbon Dioxide Power Cycle Configurations for Use in Concentrating Solar Power Systems, Supercritical CO2<\/sub> Power Cycle Symposium, NREL\/CP-5500-50787 (2011).<\/li>\n
  3. C.K. Ho and B.D. Iverson, Renew. Sust. Energ. Rev. 29, 835-846 (2014).<\/li>\n
  4. S.M. Besarati, D.Y. Goswami and E.K. Stefanakos, J. Sol. Energ-T. ASME 137, 031018 1- 031018 8 (2015).<\/li>\n
  5. M.I. Rold\u00e1n and J. Fern\u00e1ndez-Reche, CFD analysis of supercritical CO2 used as HTF in a solar tower receiver<\/em>, SolarPACES Conference (2015).<\/li>\n
  6. \n

    Z. Knez, E. Markocic, M. Leitgeb, M. Primozic, M. Knez, M. Skerget, Energy 77, 235-243\u00a0(2014).<\/p>\n<\/li>\n<\/ol>\n

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