capítulo 2. descripción de un...

Comparación de dos programas de simulación de centrales termosolares de canal parabólico

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Pablo Manuel González Llanes

CAPÍTULO 2: DESCRIPCIÓN DE UN CP 2.1 Componentes principales de un CP 1

Son captadores solares de concentración que transforman la radiación solar

directa en energía térmica, calentando un fluido de trabajo hasta temperaturas del

orden de 675 K, con una eficiencia del 60-70%.

Básicamente consiste en un espejo cilindro-parabólico que refleja la radiación solar

directa, concentrándola sobre un tubo receptor, situado sobre la línea focal de la

parábola, por donde circula un fluido receptor, transformándose la radiación solar

concentrada en energía térmica en forma de calor sensible del fluido de trabajo.

La concentración óptica de la radiación solar hace que la superficie del tubo

absorbedor sea mucho más pequeña que la abertura del captador, lo que reduce

significativamente las pérdidas térmicas del concentrador, ya que ésta no solo es

función de la temperatura media de trabajo del absorbedor, sino también de su

superficie, siendo éste el componente caliente del captador.

Los elementos principales de un captador son:

• El reflector cilindro-parabólico

• Tubo absorbedor o receptor

• Sistema de seguimiento solar

• La estructura metálica y cimientos

1 Siempre que aparezca las iniciales CP nos referimos a captadores de “canal parabólico”. Este tipo de

captadores son conocidos normalmente como CCP (colectores cilindro-parabólicos). El cambio de

denominación de la tecnología está ligada a decisiones propias del departamento de energética de la

universidad de Sevilla.


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Figura 2.1.1 . Componentes básicos de un captador de canal parabólico

2.1.1. Reflector cilindro-parabólico

Su misión es la de reflejar la radiación solar que incide sobre él y concentrarla

en un tubo absorbedor situada en la línea focal del reflector.

Figura 2.1.1.2 . Imagen del reflector cilindro-parabólico


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Para llevar a cabo la reflección, se utilizan películas de plata o aluminio depositadas

sobre un soporte que le dan suficiente rigidez. En la actualidad se utilizan diferentes

medios soportes para la película reflectante: a) chapa metálica, b) plástico o c) vidrio.

En el caso de la chapa metálica, se suelen usar de aluminio pulido de alta

reflectividad, en la que el material soporte actúa a la vez de elemento reflectivo con

una reflectancia especular aproximada del 80%. Su principal ventaja es el bajo coste,

pero en su contra está la baja durabilidad de la capacidad reflectiva del aluminio pulido

a la intemperie, lo que lo hace inviable para sistemas que requieren una gran

durabilidad.

Cuando el medio soporte es vidrio, sobre la cara posterior se deposita una película de

plata protegida por una película de cobre y otra de pintura epoxi. Son espejos similares

a los de uso doméstico o comercial. Dependiendo del grosor del vidrio soporte

tenemos dos tipos de espejos:

• De vidrio grueso (espesor > 3mm). Se curva en caliente dándole la forma

necesaria parabólica.

• De vidrio delgado (espesor < 1,5mm). En este caso los espejos tienen la

suficiente flexibilidad para como para curvarse en frío, pegándose sobre una

chapa metálica, que es la que asegura la adecuada curvatura del concentrador.

Se suele usar la plata como película reflectante en este tipo de espejos frente a las de

aluminio, debido a que la reflectividad de la plata (>92%) es mayor que la del aluminio

(<86%), siendo el coste de fabricación similar. Solo en aquellos sistemas donde se

persigue el uso de la radiación solar ultravioleta se utiliza el aluminio como película, ya

que tiene una mayor reflectancia para este tipo de radiación que la plata.

Cuando el medio soporte de la película reflectante es plástico, lo que se hace es

depositar una película de plata o aluminio sobre un film de material plástico, de modo

que al final lo que se tiene es una fina lámina de plástico reflectante que puede

pegarse sobre cualquier soporte más resistente, al igual que ocurría con los espejos

de vidrio delgado.


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2.1.2. Tubo absorbedor

Es uno de los elementos fundamentales de todo CP, ya que de él depende en

gran medida el rendimiento el rendimiento global del captador. Realmente consta de

dos tubos: uno interior metálico (por donde circula el fluido de trabajo) y otro exterior

de vidrio.

El tubo metálico lleva un recubrimiento selectivo que posee una elevada absortividad

(>90%) y una baja emisividad en el espectro infrarrojo (<30%), que le proporciona un

elevado rendimiento térmico.

Los recubrimientos más asequibles están formados por una película de cromo, níquel

o cobalto negro. Sin embargo presentan como inconveniente que se degradan a

temperaturas superiores a los 575 K, reduciéndose su absortividad y aumentando su

emisividad. Para contrarrestar este problema, cuando se trabaja con un tubo

absorbedor por encima de esa temperatura (hasta los 700 K), se recurre a

recubrimientos selectivos obtenidos por Sputtering, que consiguen una absortividad

superior al 95% y una emisividad del 15%. El principal problema de estos

recubrimientos es que se degradan rápidamente cuando están calientes en contacto

con el aire, por lo que requieren que exista un alto vacío en la cámara que queda entre

el tubo metálico interior y la cubierta de vidrio.

El tubo de vidrio tiene dos funciones principales:

1. Proteger el recubrimiento selectivo de las condiciones atmosféricas.

2. Reducir las pérdidas térmicas por convección en el tubo absorbedor.

Figura 2.1.2.1 . Esquema del tubo absorbedor de vacío de un captador


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2.1.3. Sistema de seguimiento solar

La finalidad es la de poder concentrar la mayor cantidad radiación solar directa

sobre el tubo absorbedor. Para ello se dispone de un mecanismo de seguimiento que

hace cambiar de posición el captador conforme se va moviendo el sol en el cielo.

El sistema más común consiste en un dispositivo que gira los reflectores del captador

alrededor de un eje.

Aunque también se han fabricado sistemas de seguimiento de dos ejes, se han

demostrado menos rentables que los de un solo eje. Estos necesitan un mayor

mantenimiento, debido a su alta complejidad mecánica, pero además desde el punto

de vista térmico, a pesar de que el flujo útil que absorbe el captador es mayor, las

pérdidas térmicas también son mayores, debido a que las longitudes de las tuberías

pasivas (con aislamiento térmico) en este tipo de captadores son mayores, por lo que

la potencia térmica útil que ceden al fluido son iguales o menores que en los sistemas

monoaxiales.

Figura 2.1.3.1 . Esquema de funcionamiento de un sistema de un sistema de

seguimiento solar en un eje.


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Los captadores normalmente se instalan de forma que el eje de giro quede orientado

en la dirección este-oeste o norte-sur, aunque se pueden utilizar también orientaciones

intermedias.

Figura 2.1.3.2 Las dos principales orientaciones del eje de giro de un CP

2.1.4. Estructura metálica y cimientos

La estructura soporte tiene como misión dar rigidez al conjunto de elementos

que lo componen, actuando además de interfase con la cimentación del captador.

Normalmente las estructuras son metálicas en los captadores, aunque en la actualidad

se ha empezado a investigar con materiales distintos como fibra de vidrio y materiales

plásticos para la parábola propiamente dicha.

En cuanto a los pilares o apoyos son generalmente metálicos, aunque cabe la

posibilidad de montarlos de hormigón armado, al igual que las cimentaciones, que

fundamentalmente se basa en el método de pilotaje.


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Figura 2.1.4.1 . Vista de la estructura soporte de un CP

2.2 Fluido de trabajo del concentrador

El rango de temperaturas ideal para trabajar con captadores de canal

parabólico es de 425 K-675 K. Para temperaturas por encima de estos valores, las

pérdidas térmicas son elevadas y su rendimiento se reduce.

El tipo de fluido que se utiliza depende de las temperaturas de trabajo que se desean

obtener:

1. Agua desmineralizada si T< 450 K

2. Aceite sintético si 400 K <T < 675 K

La explicación consiste en las presiones de trabajo que se necesitan en los captadores

para mantener estos fluidos en estado líquido durante su recorrido por el tubo

absorbedor. Si tenemos agua desmineralizada, las presiones que se deben alcanzar si

tuviésemos temperaturas muy elevadas serían muy altas, por lo que las tuberías


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deberían ser muy grandes y por tanto costosas. Por tanto se utiliza este fluido cuando

las temperaturas de trabajo no son excesivas y por tanto las presiones se encuentran

en unos valores moderados. Si se desea tener agua desmineralizada a 590 K a la

salida de los captadores, la presión del circuito deberá ser mayor a 10 Mpa, siendo

esta su presión de vapor.

En cambio con el aceite sintético, que tiene un presión de vapor menor que el agua

para las mismas temperaturas de trabajo, nos permitiría trabajar con unas

temperaturas a la salida del captador mayores, trabajando a unas presiones menores

en el circuito, lo que implicaría una reducción del tamaño de las tuberías y por tanto de

los costes de fabricación. Podemos calentar aceite a 590 K sin tener que mantener el

circuito a más de 1,5 Mpa.

Existen distintos tipos de aceite en función de las temperaturas a la salida que se

deseen obtener. A continuación se citan algunos tipos:

1. Santhoterm 55 para una Tmax= 575 K

2. Monsanto VP-1 para una Tmax= 672 K

Hay que mencionar aquí que a pesar de las elevadas presiones que conlleva el uso de

agua directamente en los captadores para temperaturas altas, la utilización del agua

como fluido de trabajo a altas presiones se ha contemplado siempre como una opción

atractiva ya que permite aumentar la eficiencia global del sistema solar y disminuir las

pérdidas térmicas en el campo de captadores. Esto ha motivado diversos proyectos en

las últimas décadas enfocados a investigar en esta tecnología, conocida como

“generación directa de vapor” (GVD).

2.3 Parámetros básicos de un CP

Los dos parámetros básicos de un captador CP son su razón de concentración

geométrica y su ángulo de aceptancia.

La razón de concentración geométrica, Cgeométrica , es la razón entre el área de abertura

del captador y el área total del tubo absorbedor, mientras que el ángulo de aceptancia,

β, es el ángulo máximo que forman dos rayos en un plano transversal al de abertura y

que interceptan el tubo absorbedor.


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Ec.2.3.1

D0: Diámetro exterior del tubo absorbedor

L: Longitud del concentrador de canal parabólico

La: Ancho del concentrador

Los captadores de canal parabólico actuales tienen un ángulo de aceptancia inferior a

2º, básicamente entre 0.7º - 1º, por lo que el sistema se seguimiento solar tiene que

tener un error de seguimiento inferior a estos valores, ya que si no la cantidad de

radiación solar directa desaprovechada sería muy alta, y por tanto los rendimientos

muy bajos.

Existe una relación entre la razón de concentración, Cgeométrica , y el ángulo de

aceptancia, β, ya que valores elevados de la razón de concentración implican valores

muy bajos del ángulo de aceptancia, conllevando la necesidad de un sistema de

seguimiento tremendamente preciso y por tanto costoso.

Los valores habituales de Cgeométrica están en torno a 20-30, existiendo un máximo

teórico entorno a 215 ( ) teniendo en cuenta que por debajo de

un mínimo del ángulo de aceptancia, aproximadamente 16’, cualquier captador

desaprovecharía una parte importante de la radiación solar directa disponible. La

explicación de porqué se diseña los captadores parabólicos para que tengan un

ángulo de aceptancia mayor que el mínimo recomendado, radica del hecho de que el

sol no es un foco puntual.

Desde la superficie de la Tierra, el disco solar subtiende un ángulo sólido de 6.08 sr, lo

que corresponde a una semiángulo de apertura angular, θs, de 4,653·10-3 rad (16’ de

arco). Por tanto, la radiación solar directa sobre la superficie terrestre no está formada

por rayos perfectamente paralelos entre sí, sino que se distribuyen sobre un cono de

direcciones de semiángulo θs alrededor de la línea que une el punto de observación

con el centro del disco solar. Así, no todos los rayos de ese cono alcanzarán un

receptor de tamaño arbitrariamente pequeño.


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Figura 2.3.1 . Cono de direcciones procedentes del disco solar y reflejado por el

sistema concentrador.

Otro parámetro importante de un captador es su ángulo de apertura, Ф, que es el

formado por la bisectriz de la parábola, y la línea que une el centro del tubo

absorbedor con el extremo de la parábola. Usualmente, como se observa en la figura,

suele ser de aproximadamente de 90º.

A medida que disminuye Ф, mayor es la relación entre la superficie reflectora en

comparación con el área de apertura del captador, que es el área eficaz de captación

de la radiación solar. Por lo tanto se diseña un captador de forma que esta relación no

aumente demasiado, ya que si no tendríamos un desaprovechamiento demasiado

elevado de la radiación solar directa disponible, en relación con toda la superficie

reflectora posible, lo cual no es interesante desde el punto de vista económico ni

energético.

Además otro condicionante de diseño que influye en el valor de Ф es que durante la

posición de reposo de los captadores, el tubo absorbedor quede protegido de las

inclemencias del tiempo, como por ejemplo de posibles granizadas.


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Figura 2.3.2 . Parámetros de un concentrador CP

2.4 Pérdidas de un CP

Una vez que la radiación solar alcanza la superficie del captador, se pierde una

cantidad importante de ella debido a una serie de factores.

2.4.1 Pérdidas Geométricas

Las pérdidas geométricas provocan una reducción del área efectiva de

captación del captador.

Podemos diferenciar, dentro de este grupo, pérdidas inherentes al captador, debido al

ángulo de incidencia de la radiación solar directa, y las conocidas como “ pérdidas por

sombras”, causadas por la sombra parcial que algunos captadores pueden generar en

los adyacentes. A medida que aumenta la distancia entre filas de captadores, menor

es el sombreado que se generan entre ellos.

En relación con las pérdidas provocadas por el ángulo de incidencia (Ψ), decir que

éstas son generadas principalmente por el hecho de que el sistema de seguimiento

solar es de un solo eje, por lo que únicamente tiene un movimiento de giro, dando

lugar a que aparezca este ángulo, que es el formado por la radiación solar directa que

atraviesa la superficie de apertura del captador con la normal a dicho plano de

apertura. Este ángulo variará en función de la hora del día, mes y estación del año, e

implicará que realmente el captador no absorba toda la radiación directa que llega,

C=A/ D L


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sino que habrá unas pérdidas asociadas por este hecho, reduciéndose la superficie

reflectiva útil en los extremos del captador.

Figura 2.4.1.1 . Pérdidas geométricas de un captador

Figura 2.4.1.2 . Pérdidas geométricas de final de un CP

La existencia de un ángulo de incidencia no solo reduce la superficie útil de captación,

sino que como veremos a continuación, aumenta también las pérdidas ópticas propias

del captador.


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2.4.2 Pérdidas ópticas

Las pérdidas ópticas son debidas a que la superficie del concentrador no es un

reflector perfecto, el vidrio que cubre al tubo absorbente no es totalmente transparente,

la superficie selectiva del tubo metálico no es un absorbente perfecto, y por último la

geometría del concentrador parabólico no es perfecta.

Así pues, todo esto implica que solo una parte de la radiación solar directa que incide

en la superficie reflexiva llegará al tubo absorbedor.

A continuación mostramos los parámetros que intervienen en las pérdidas ópticas de

un concentrador:

� Reflectividad del captador (ρ)

� Factor de interceptación (γ)

� Transmisividad de la cubierta de vidrio (ζ)

� Absortividad del tubo metálico (α)

Figura 2.4.2.1 . Pérdidas ópticas en un CP


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Reflectividad (ρ). La superficie reflectiva de los captadores no es perfecta, y debido a

esto sólo parte de la radiación se refleja. Los valores más usuales están en torno al

90% sobre la radiación inciden, aunque disminuye progresivamente con el

ensuciamiento de los espejos, en una proporción aproximada de 0,26% por día.

Factor de interceptación (γ). Las imperfecciones de los espejos y los posibles

errores de seguimiento solar provocan que una parte de la radiación solar que ha sido

reflejada no intercepte el tubo absorbente. Estas pérdidas se cuantifican con el

llamado factor de interceptación. Un valor típico de este parámetro es del 95%.

Transmisividad de la cubierta de vidrio ( ζ). El tubo absorbedor se encuentra

protegida por una cubierta de vidrio con el objetivo de reducir las pérdidas térmicas, y

para proteger a la superficie selectiva del tubo metálico. Una parte de la radiación solar

que intercepta al tubo de vidrio no es capaz de atravesarlo. Un valor típico de este

parámetro está definido entre 90-95%, dependiendo de que el vidrio haya sido

sometido a un tratamiento antireflectivo o no.

Absortividad del tubo metálico ( α). Este parámetro cuantifica la cantidad de

radiación incidente sobre la superficie selectiva que puede ser absorbida. Los valores

normales para la absortividad suele estar en el rango 90-96%.

Al productos de estos cuatro parámetros descritos anteriormente se le denomina

rendimiento óptico pico del CP.

Ec.2.4.2.1

2.4.3 Pérdidas térmicas

Se producen principalmente en dos lugares: en el tubo absorbedor y en las

tuberías de fluido térmico, siendo bastante más importantes las que se generan en el

tubo absorbedor.

Las pérdidas que se producen en el tubo absorbedor se pueden dividir en dos zonas:

1. Tubo absorbente – cubierta de vidrio (radiación, conducción y convección).

2. Cubierta de vidrio – ambiente (convección, radiación).


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En los tubos absorbentes, en los que entre el tubo metálico y la cubierta de vidrio

existe vacío, desaparecen las pérdidas térmicas por radiación y convección entre

éstos, quedando solamente las pérdidas por radiación.

A continuación mostramos una figura que esquematiza las pérdidas térmicas que se

producen en el tubo absorbedor, donde se recogen la mayor cantidad de pérdidas

térmicas en el captador.

Figura 2.4.3.1 . Balance térmico en la sección del tubo absorbente

2.5 Rendimiento de un CP

En un captador (CP) se suelen definir varios rendimientos diferentes y un

parámetro:

Rendimiento óptico con un ángulo de incidencia de 0 º (rendimiento óptico pico ).

Este rendimiento considera todas las pérdidas ópticas que tiene lugar en captador con

un ángulo de incidencia de 0º. Su valor viene dado por el producto de cuatro factores:

1. Reflectividad de los espejos (ρ)

2. Factor de interceptación (γ)


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3. Transmisividad de la cubierta de vidrio (ζ)

4. Absortividad de la superficie selectiva que recubre el tubo metálico (α)

Rendimiento térmico ηth. Tiene en cuenta todas las pérdidas térmicas que se

producen en el captador, siendo éstas, mayoritariamente, las que se generan en el

tubo absorbedor.

Rendimiento global η. Considera todas las pérdidas, tanto ópticas como geométricas

y térmicas, que tienen lugar en el captador.

Modificador por ángulo de incidencia k( Ψ). Tiene en cuenta todas las pérdidas

ópticas y geométricas que se producen en el captador para un ángulo de incidencia

distinto de 0º y que no se consideran en el rendimiento óptico pico.

Rendimiento óptico ηopt. Este rendimiento considera, no solo todas las pérdidas

ópticas y geométricas que se generan en un captador para un ángulo de incidencia

distinto de 0º, sino también factores como el ensuciamiento y sombras, a través del

modificador por ángulo de incidencia.

La energía solar incidente sobre un captador puede definirse bajo dos criterios

distintos, considerando aprovechable la radiación perdida por la no perpendicularidad

de los rayos incidentes, o no teniéndola en cuenta.

a) Considerando aprovechable la radiación solar directa perdida por la no

perpendicularidad.

Ec.2.5.1

b) No considerando aprovechable la radiación antes definida.

Ec.2.5.2


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Siendo:

-

-

-

-

Por otra parte, la potencia térmica útil suministrada por el captador viene dada, en

términos del incremento entálpico que experimenta el fluido de trabajo en el captador,

por:

Ec.2.5.3

Siendo:

-

-

-

-

El rendimiento global de captación viene dado como el cociente de la energía térmica

útil suministrada al fluido y la energía solar incidente sobre el captador.

η

Ec.2.5.4

La Figura 2.5.1 representa gráficamente el balance energético en un captador,

ilustrando el significado de los rendimientos y del modificador por ángulo de incidencia

explicado en los párrafos anteriores.


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Figura 2.5.1 . Balance energético en un concentrador tipo CP

El rendimiento óptico ηopt,0º no depende de la radiación solar ni de la temperatura de

trabajo del fluido, pero sí del grado de ensuciamiento del captador, ya que ello afecta a

la reflectividad de los espejos y a la transmisividad de la cubierta de vidrio del tubo

absorbente. Esta dependencia obliga a que cuando da este valor, el fabricante tiene

que especificar el grado de limpieza para el cual es válido. El grado de limpieza se

refiere a la reflectividad de los espejos y a la transmisividad del tubo de vidrio.

El modificador por ángulo de incidencia, K, depende directamente del ángulo de

incidencia, siendo K=1 para φ= 0º, y K=0 para φ= 90º. El valor de K se da como una

función K=K(φ) que se determina experimentalmente.

El rendimiento térmico depende directamente de la temperatura de trabajo del fluido y

de la radiación solar directa.


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Figura 2.5.2 . Rendimiento global de un captador en función de la temperatura de trabajo del fluido, para ángulo de incidencia 0º.

capítulo 2. descripción de un...

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