Desarrollo de un prototipo de captador solar fresnel lineal de media temperatura
- Autores: Diego Pulido Iparraguirre
- Directores de la Tesis: Loreto Valenzuela Gutiérrez (dir. tes.), Aránzazu Fernández García (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Almería ( España ) en 2020
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Eduardo Zarza Moya (presid.), Joaquín Alonso Montesinos (secret.), Francisco Javier Pino Lucena (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ciencias Aplicadas al Medio Ambiente por la Universidad de Almería
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TESEO
- Resumen
La tecnología solar térmica de media concentración ha demostrado ser una alternativa real para aportar la energía necesaria a diferentes procesos industriales. Para producir esta energía hay dos tipos de captadores solares que alcanzan los niveles de concentración necesarios: los captadores cilindroparabólicos y los captadores Fresnel lineal. Los primeros han sido ampliamente investigados y desarrollados. Respecto a la tecnología de captadores Fresnel lineal, aunque no está tan implementada en el mercado, es potencialmente competitiva con los captadores cilindroparabólicos, ya que presenta ventajas en cuanto al coste de la energía producida, la sencillez de sus componentes, la facilidad de operación, y el mayor aprovechamiento del terreno. Por contra, posee una desventaja desde el punto de vista del rendimiento óptico. Es así como el futuro de la tecnología Fresnel lineal radica en el desarrollo de nuevos diseños que apunten a aumentar su eficiencia óptica, a la vez que mantengan sus bajos costes.
Esta tesis doctoral supone una contribución a la tecnología de captadores Fresnel lineal. En primer lugar, desde la perspectiva del diseño, desarrollando un código trazador de rayos que simula el recorrido de los rayos desde el Sol hasta la interacción con la geometría del captador. Además, se reportan dos aportaciones a los modelos clásicos de trazado de rayos que permiten simplificar y mejorar el funcionamiento de éstos. Como resultado del proceso de las simulaciones numéricas realizadas se ha obtenido una configuración geométrica del captador que permite incrementar su rendimiento óptico hasta un 61% en meses donde el efecto del ángulo de incidencia reduce la potencia solar efectiva en el receptor. Dichas modificaciones consisten en inclinar el concentrador primario y el receptor un determinado ángulo con el objetivo de atenuar los efectos del factor coseno entre los rayos incidentes y la superficie reflectora. Otra modificación de la geometría corresponde a la rotación de los pétalos del concentrador, que también busca minimizar los efectos relacionados con el ángulo de incidencia y la distancia recorrida por los rayos solares reflejados. Finalmente, la tercera modificación implementada consiste en desplazar el receptor axialmente hacia el Norte, capturando una mayor cantidad de rayos que en caso contrario se perderían.
Otro aspecto novedoso de esta tesis está relacionado con la fabricación de las facetas del concentrador primario del captador. Se ha buscado un diseño ligero, compacto y económico, probando diferentes configuraciones hasta seleccionar aquella que cumpliera las condiciones descritas y tuviera un comportamiento óptico aceptable. La faceta diseñada se caracteriza geométricamente comprobando la calidad óptica alcanzada. Posteriormente se realiza una campaña de ensayos conducentes a verificar el comportamiento tanto del reflector como de la unión mecánica de éste con la placa de aluminio soporte, ante condiciones ambientales extremas. Para ello se ejecutan tres tipos de ensayos de envejecimiento acelerado a un grupo de muestras de reflector y a otro de reflector adherido a la placa de aluminio. Los resultados son satisfactorios ya que las muestras ensayadas no presentan perdida de reflectancia ni especularidad.
Otro aspecto destacable del diseño del captador es la selección de la configuración del receptor. En esta tesis se ha optado por un receptor con una parrilla de tubos absorbedores dentro de una cavidad trapezoidal con una ventana de vidrio. Las paredes de la cavidad poseen un material reflectante que las convierte en un reflector secundario. Este material reflectante ha sido ensayado en condiciones aceleradas para estimar su comportamiento bajo las condiciones de temperatura máxima que alcanzará en operación (obtenida mediante simulaciones para evaluar el comportamiento térmico). Los resultados son positivos ya que no hay una disminución significativa de la reflectancia tras el ensayo en condiciones de envejecimiento acelerado. En cuanto al comportamiento térmico del receptor, se han realizado una serie de simulaciones que han permitido estimar la evolución de la temperatura en el interior de los tubos absorbedores, la configuración del recorrido del fluido por la parrilla de tubos y finalmente las condiciones del interior de la cavidad desde el punto de vista térmico. Estas simulaciones reportan un funcionamiento óptimo de la cavidad, demostrando que la inclusión de ésta en la configuración del conjunto receptor asegure un aumento de 30 ºC en la temperatura del fluido al compararla con un receptor sin cavidad, debido a la reducción de las pérdidas térmicas.
Finalmente, para la caracterización óptica del captador se ha preparado un dispositivo experimental para la medida de flujo radiativo para cuantificar los niveles de radiación que los reflectores concentran en el área del receptor. Se han realizado los ensayos durante dos días con condiciones climatológicas óptimas, ejecutándose dos pruebas cada día, completando un total de cuatro ensayos experimentales. El dispositivo consiste en una chapa metálica que actúa como blanco lambertiano y en su centro se instala un radiómetro. Los reflectores, accionados manualmente, enfocan los rayos hacia el centro de la chapa. Las medidas experimentales se han contrastado con valores obtenidos en simulación con el código trazador de rayos desarrollado, considerando las mismas condiciones de los ensayos. Los resultados, expresados en valores de flujo radiativo promedio, máximo y potencia total, presentan una concordancia aceptable entre ambas mediciones. Sin embargo se han encontrado algunos valores experimentales que superan los obtenidos en las simulaciones como consecuencia de errores de medición, ajuste e instrumental de las medidas