Tesis:
Sistemas de generación eléctrica mediante calderas de vapor energizadas por radiación solar concentrada
- Autor: MUÑOZ ANTÓN, Javier
- Título: Sistemas de generación eléctrica mediante calderas de vapor energizadas por radiación solar concentrada
- Fecha: 2008
- Materia: Ingeniería Industrial
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: INGENIERIA ENERGETICA Y FLUIDOMECANICA
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/1654
- Director/a 1º: ABÁNADES VELASCO, Alberto
- Resumen: La creciente demanda de energía, el elevado coste del petróleo, y los problemas ambientales requieren de nuevas plantas de potencia de alto rendimiento, bajo coste de generación, rápida construcción y poco contaminantes. Basándose en estas ideas, la evolución del parque de generación eléctrica ha ido adaptándose con el paso de los años, adoptando tecnologías (ciclos combinados) o mejorando las existentes (nuclear, hidroeléctrica de bombeo). De forma paralela a estas formas de generación fue surgiendo la idea de aprovechar las fuentes de energía renovables, aparte de la hidroeléctrica, para la producción a gran escala de electricidad.
A día de hoy el desarrollo de energías renovables se ha visto recompensado con un importante éxito en el campo de la energía eólica, donde se ha encontrado un sistema, el molino de tres palas, que se ha impuesto frente al resto de sistemas de aprovechamiento eólico gracias a un adecuado compromiso entre eficiencia y fiabilidad.
Sin embargo, en el ámbito de la energía solar térmica para producción de energía eléctrica aún no se ha encontrado el análogo al molino de tres palas. Prueba de ello es el abanico de configuraciones para al aprovechamiento de esta forma de energía que se baraja a día de hoy: sistemas de receptor central como la PS10 de la empresa Abengoa o los campos de colectores cilindro-parabólicos en los desiertos de Estados Unidos son los que gozan de un mayor desarrollo.
Esta tesis presenta un nuevo sistema de aprovechamiento de energía solar térmica de concentración mediante un novedoso sistema bautizado como Caldera Solar. Dicho sistema presenta importantes similitudes con los sistemas de receptor central en cuanto al aspecto constructivo, pero las condiciones de operación se asemejan más a las de los colectores cilindro-parabólicos.
Concretamente, la Caldera Solar puede ser fácilmente asemejada al hogar de una central térmica convencional, pero en lugar de conformar un recinto cerrado en cuyo interior se produce una combustión, su foco caliente, aprovecha la energía liberada por el Sol mediante el mismo tipo de configuración: una parrilla de tuberías distribuidas por una superficie extensa por las que circula el fluido calorífero, siendo las condiciones de funcionamiento (temperaturas y densidades de potencia) las que resultan del compromiso entre alcanzar un alto rendimiento de captación solar y un alto rendimiento del ciclo termodinámico.
Con este fundamento, se puede llegar al diseño conceptual de una planta solar termo-eléctrica cuyos componentes están en su mayor parte ya desarrollados, tanto en la industria de las plantas térmicas convencionales como en la de la energía solar térmica, a falta de las parrillas que recibirán la radiación solar concentrada.
Dicho diseño conceptual se presenta en este texto que demuestra la posibilidad de alcanzar importantes rendimientos (~25%) superiores a los que el estado de la técnica de la energía solar termo-eléctrica actual posibilita, a lo que se añaden unos muy interesantes niveles de robustez (en lo que a su comportamiento como máquina térmica se refiere) y fiabilidad. Adicionalmente, el diseño de Caldera Solar descrito presenta ciertos grados de libertad en el diseño que posibilitan la mejora en el rendimiento del sistema sin con ello afectar a sus principales características: fiabilidad, robustez y alto rendimiento.
The growing energy demand, the high oil cost and the environmental problems require new power plants characterized by high-performance, generation low cost, rapid construction and low-polluting. With this basis, the electric generation park evolution has going adapted over the years, adopting new technologies (as combined cycles) or improving the existing ones (as nuclear or the hydroelectric pumping concept). The idea of exploit renewable energy sources appears in parallel to these emerging generation forms for large-scale electricity production.
At present, the wind energy field is the more exploited renewable energy source (avoiding hydroelectric) due to the called three blades mill, which has been imposed against the rest of harnessing wind systems thanks to its efficiency-reliability balance. However the field of solar thermo-electrical has not found its three blades mill yet. This statement is evidenced by the variety of system configurations that there are available: central receivers such as Abengoa Spanish company PS10 facility or the fields in United States covered with parabolic-trough collectors in the south-west desserts, each one with different technological foundations (optical physics applied, configurations, heat transfer fluids…).
The new system described in this thesis for solar thermal concentration development is called Solar Boiler. The concept has several similarities with the systems indicated above: in constructive aspects with central receivers and in operation conditions with parabolic-trough collectors
Specifically, the Solar Boiler looks like the conventional thermal power plant boiler, but with the main difference in the heat source, that implies a grid that exploit the heat: the fuel combustion is changed by the solar concentrated radiation and the enclosed area is converted to open air wall. In this wall is where the distributed pipe grid is placed, working at similar fluid conditions as in the convectional thermal power plants, obtained as a compromise result between high performance and suitable reliability.
With this basis, the conceptual design of a solar thermo-electric plant can be reach, taking into account that only few components are not completely developed: the grids that receive the concentrated solar radiation.
In this text is presented the conceptual design idea, demonstrating the ability to achieve higher yields (~ 25%) than the solar energy state-of-the-art enables and adding some very interesting robustness and reliability. Additionally, the Solar Boiler design described presents several new freedom degrees that improve the system performance without affecting its main features: reliability, robustness and high performance.