Análisis energético y exergético de un ciclo Brayton cerrado solar con helio como fluido de trabajo

Abstract

El objetivo de este proyecto es analizar el funcionamiento de un ciclo Brayton cerrado solar con helio como fluido de trabajo. Con este objetivo se procede en primer lugar a la justificación del análisis de este y del uso del helio como fluido de trabajo.
Tras la consulta de diversas referencias se comprueba la posible mejora del rendimiento de una central solar térmica con torre de concentración con el uso de un ciclo cerrado con helio como fluido de trabajo. Además del helio, se plantea el uso de argón y CO2 supercrítico. Debido a la poca diferencia de resultados y el supuesto mayor coste económico que supondría el uso de argón este se descarta. El CO2 supercrítico también queda descartado al contar con unas condiciones de trabajo más acotadas. El helio con respecto al aire cuenta con un mayor calor específico y al ser un gas inerte no produce oxidación en los materiales cuando se trabaja a altas temperaturas, por este motivo se considera un buen sustituto como fluido de trabajo.
Una vez seleccionadas las condiciones en las que se va a llevar a cabo el proyecto se realiza un modelo que cumpla estas características. El ciclo que se analizará está compuesto por una turbina y dos compresores. Cuenta también con un precooler y un intercooler además de tener un recuperador. Este último elemento es fundamental a la hora de mejorar la eficiencia del ciclo ya que aprovecha el calor del helio de salida de la turbina y en lugar de ser expulsado a través del precooler que se encuentra antes del primer compresor se usa para aumentar la temperatura del helio antes de pasar por la fuente de calor.
El uso únicamente de la energía solar en este ciclo lleva a la búsqueda de un campo solar adecuado a las potencias tratadas. El elemento que condiciona esta selección es la torre solar. Tras la prueba de distintas opciones se elige como más adecuada una torre de características similares a las de la central PS20, reduciendo el número de heliostatos de su campo solar.
A continuación se han llevado a cabo una serie de análisis para comprobar su funcionamiento y su potencial como posible sustituto de los ciclos empleados actualmente sobre este tipo de centrales. Tras la realización de los análisis energético, exergético y económico a continuación se recogen los resultados obtenidos.
Finalmente se concluye a la vista de los resultados de este proyecto que se logra una significativa mejora en la central solar térmica al usar un ciclo Brayton cerrado con helio como fluido de trabajo. Tanto el análisis exergético como el coste dan unos resultados favorables y competitivos por lo que se demuestra que el planteamiento de este ciclo en centrales solares térmicas tiene un gran potencial y puede suponer una reducción de los costes en la producción de la energía solar en el futuro.