Modelado, optimización y comparación de dos tecnologías de reflector secundario para colectores lineales Fresnel mediante técnicas de trazado de rayos

Abstract

Según la Agencia Internacional de la Energía, existen tres objetivos cuya consecución debería conducir a un sistema energético adecuado. Estos son: la seguridad en el suministro, el incremento de la competitividad a costa del abaratamiento de los costes y el respeto al medio ambiente. Es por ello que las energías renovables juegan un papel esencial en cuanto a generación eléctrica. Actualmente, en España las renovables cubren un 40% de la demanda eléctrica (REE, 2016).
La energía solar puede contribuir de manera significativa a afrontar los retos actuales en materia energética y cambio climático. Los países necesitan reducir sus emisiones contaminantes y, además, obtener una mayor independencia energética en un escenario de volatilidad de los precios de los combustibles fósiles y aumento importante de la demanda energética.
La tecnología llamada Solar Térmica de Concentración (STC) se fundamenta en el aprovechamiento solar que se produce con la mediación de elementos mecánicos destinados a la orientación de los rayos para la concentración de la energía. La radiación concentrada es interceptada por un receptor, donde es convertida en energía térmica. De esta forma se consiguen elevadas temperaturas que activan determinados ciclos termodinámicos que mueven otros elementos mecánicos, como turbinas, para la generación de electricidad. Para lograr altas temperaturas se requiere concentrar la energía de la forma más económica y eficiente posible. Desde el 2010, el 40% de las plantas españolas incluyen de 5 a 10 horas de capacidad de almacenamiento, lo cual permite que la curva de producción agregada se acople perfectamente a la de demanda eléctrica en España, y esta seguridad de abastecimiento supone una ventaja con respecto a la fotovoltaica. Sin embargo, la tecnología STC presenta algunos problemas que requieren soluciones y mejoras técnicas que están siendo desarrolladas y que se centran, sobre todo, en la reducción de costes e incremento de la eficiencia y del factor de concentración.
España sigue siendo, desde hace unos años, líder mundial en STC, con 2.3 GW instalados a finales de 2015, a pesar de su nulo aumento de la capacidad en los últimos años. La mitad de la potencia instalada mundial está en España, pues el total es de 5 GW hoy en día. A nivel global, la STC se expande con rapidez, previéndose que supere los 800 GW para el año 2050 en un escenario moderado (ESTELA, Greenpeace International y SolarPACES, 2016).
Existen cuatro tipos de sistemas STC, de los cuales, en el presente TFG, se va a estudiar uno: el receptor lineal Fresnel. Este sistema cuenta con espejos ligeramente curvados en el plano transversal que reflejan la luz solar incidente sobre un receptor lineal fijo situado por encima de ellos. El fluido de trabajo circula a lo largo del receptor e incrementa su entalpía. Esta tecnología ha sido eclipsada por otras dos: los colectores cilindro-parabólicos (CCP) y las torres solares. Sin embargo, en la actualidad, existe un mayor interés en ella debido a sus ventajas. El hecho de que los colectores lineales Fresnel requieran mucho menos espacio para generar la misma energía eléctrica que los CCP, su menor coste de operación y mantenimiento y menor consumo de agua pero, sobre todo, la sencilla y menos costosa fabricación en serie de los espejos casi planos sitúan a los colectores Fresnel en el punto de mira en cuanto a reducción de costes.
Descripción de la tecnología
En la tecnología Fresnel existe un gran número de variables que han de ser consideradas a la hora del diseño de los concentradores. La orientación del campo de espejos, la posición de estos espejos, su anchura, su curvatura y la posición del receptor son variables que han sido optimizadas por otros autores mediante métodos numéricos basados en programas de simulación con trazado de rayos o mediante estudios analíticos.
Para el desarrollo de este TFG se considera una planta con un campo solar optimizado por Abbas (2015) y con un receptor monotubo. Este tubo por donde circula el fluido caloportador, que será agua, está dentro de una cavidad con espejos en su interior cuya apertura está orientada hacia el suelo. Esta cavidad se denomina “reflector secundario”. Esto se hace debido a sus ventajas. En primer lugar, se produce una estratificación del aire que minimiza las pérdidas por convección y también se reducen las pérdidas por radiación. En segundo lugar, permite un mejor aprovechamiento de los rayos, ya que se produce una segunda reflexión de los haces de luz que no inciden directamente sobre el tubo la primera vez que son reflejados por el campo de espejos y los redirige hacia el tubo.
Objetivo
El objetivo de este TFG es la optimización de la geometría del reflector secundario. Esto se llevará a cabo mediante la consecución de varios objetivos más concretos, que son:
1. El desarrollo de códigos que permitan simular mediante técnicas de trazado de rayos diferentes tecnologías de receptor con reflector secundario. Se desarrollarán códigos para la optimización del reflector secundario para dos modelos diferentes: CPC y el modelo de Zhu (2017).
2. La optimización del receptor para un instante. Se optimizará la geometría del modelo de tecnología CPC y del modelo de Zhu (2017) para un día, mes y hora concretos. Se parte de los parámetros del campo solar optimizados por Abbas (2015) para algunas variables correspondientes a la planta piloto Fresdemo en Almería y otras a determinar.
3. Optimización anual del receptor. Se llevará a cabo una simulación anual, evaluando las distintas geometrías.
4. Comparación de las tecnologías. Por último, se llevará a cabo una comparación entre el CPC y uno de los modelos más