Gran parte de la investigación cubierta en SolarPACES en energía solar concentrada (CSP) es avanzada por posdoctorados y profesores internacionales, pero a medida que avanza la necesidad de soluciones climáticas, está atrayendo la atención de investigadores más jóvenes con experiencia en STEM en matemáticas, física y química. .

Uno de los nuevos proyectos de CSP de torre solar en China: el algoritmo de precalentamiento óptimo para el receptor en la parte superior de la torre se personalizaría para cada proyecto, según la ubicación, el recurso solar, la eficiencia del campo solar y otras variables.

Durante su licenciatura en Alemania, Isabell Reisch decidió crear un algoritmo para resolver un problema poco investigado en CSP de torre; determinar la estrategia óptima de precalentamiento al fluido caloportador de sales fundidas “congelando” a 240 °C.

Incluso cuando era estudiante de secundaria, le entusiasmaba trabajar en energía solar y, siguiendo su Abitur clásico en física, química y matemáticas, decidió estudiar ingeniería mecánica con un enfoque en tecnologías energéticas. Como parte de su tesis de licenciatura, tuvo la oportunidad de desarrollar una solución para el precalentamiento solar en el Instituto de Investigación Solar del DLR .

 

IMAGEN@Isabell Reisch de su artículo Estrategia de precalentamiento de un receptor de prueba de sal fundida

Un tema poco investigado

“El tema del precalentamiento solar es muy raro en la literatura”, comentó Reisch. “El más común es de Vant-Hull. Él describe un algoritmo de precalentamiento que describe la densidad de flujo permitida en función de la temperatura del receptor”.

El algoritmo que desarrolló se amplía sobre esta base, considerando no solo la temperatura del receptor, sino también las condiciones ambientales, el DNI y la eficiencia del campo solar, en este caso para el campo solar y el receptor en el sitio de prueba DLR en Jülich en Alemania. La DNI y la eficiencia del campo solar dependen de la elevación y el ángulo de azimut y, por lo tanto, dependen de la ubicación y la hora del día.

“El DNI más alto aquí es solo de unos 1000 kW/m²”, señaló. “Este algoritmo está especialmente desarrollado para el campo solar y el receptor de prueba de sales fundidas en Jülich. La eficiencia del campo de helióstatos y el rendimiento del campo de helióstatos del campo solar en Jülich están incluidos en el algoritmo”.

Por supuesto, la CSP es adecuada para regiones con un mayor recurso solar como España e Italia y regiones desérticas en China , Australia, el suroeste de EE. UU., Chile , Marruecos y los estados del Golfo . “La estrategia de precalentamiento tendría que adaptarse a estos lugares”, dijo. “Ajustar el cálculo del DNI a la ubicación es fácil. Ajustar la eficiencia del campo de helióstatos no es trivial. Para ello habría que hacer previamente simulaciones o pruebas para cada campo solar”.

El rendimiento del campo de helióstatos cambia con el tiempo, al igual que el DNI. Ambos son función del ángulo acimutal y de la elevación. Otra variable es el diámetro del tubo absorbedor. Cuanto mayor sea el diámetro, mayor será el riesgo de gradientes y transitorios de temperatura y más lento el proceso de precalentamiento. Con todo, el desafío depende de la configuración del diseño del receptor y del medio de transferencia de calor y debe adaptarse a él.

Con tantos objetivos en movimiento, este es un baile complejo, por lo que el precalentamiento es un proceso muy complejo. Todos estos cambios deben ser considerados en la fórmula que desarrolló.

El problema que esto resuelve en CSP

El algoritmo es necesario para evitar un desafío bien entendido con sales fundidas como medio de transferencia de calor en la CSP de torre solar.

La CSP genera calor al concentrar la luz solar usando espejos que rodean una torre con un receptor solar en la parte superior, y las sales fundidas fluyen a través de tuberías para transferir calor desde el receptor al tanque de almacenamiento térmico. Si bien las sales fundidas son excelentes para transferir calor a temperaturas de hasta 565 °C, la sal comienza a cristalizar cuando su temperatura desciende a 240 °C.

Durante la noche, cuando el receptor no está en uso, el receptor se drena y la sal fundida se transfiere a un tanque aislado. Antes de que la operación solar sea posible nuevamente, todas las tuberías que transportan la sal fundida deben precalentarse para evitar su cristalización en sal y, por lo tanto, obstruir y dañar las tuberías.

El problema es que, si bien la tubería del sistema puede tener calentadores de resistencia eléctrica conectados para precalentar esta mañana, la pequeña tubería absorbente que forma el receptor solar no se puede calentar de la misma manera.

“Este enfoque no se puede utilizar para los tubos absorbentes del receptor”, explicó Reisch, “eso se debe a que, durante el funcionamiento diario, la densidad de flujo solar conduce a una entrada de alta energía que destruiría los calentadores de resistencia. Por lo tanto los tubos absorbedores deben ser precalentados con energía solar, por la energía reflejada del sol.”

Ir demasiado rápido corre el riesgo de sufrir daños

Dado que estos tubos en el receptor solar están vacíos durante este precalentamiento; lleno sólo de aire, la conductividad térmica es muy baja. Al enfocar los helióstatos, se producirán altos gradientes de temperatura y transitorios de temperatura.

“La estrategia de precalentamiento respeta el alcance de una temperatura objetivo de alrededor de 290 °C; por encima del punto de cristalización, a una temperatura transitoria máxima de alrededor de 30 K/min, que especifica el fabricante del revestimiento del receptor”, dijo.

Reisch desarrolló estas fórmulas usando simulación óptica y térmica. Con la ayuda de la simulación óptica, construyó una relación entre el número de helióstatos a enfocar y la densidad del flujo solar que incide en el receptor.

Con la ayuda de la simulación térmica, construyó una relación que muestra la temperatura que se produce y los transitorios de temperatura en función de la densidad del flujo solar. Luego, al conectar estos dos resultados, derivó la relación entre la cantidad de helióstatos que se deben enfocar para alcanzar la temperatura objetivo y mantener la tasa de rampa de temperatura.

Otro problema que debe tenerse en cuenta son los gradientes de temperatura que se producen en el tubo del receptor.

El lado irradiado se calentará rápidamente, sin embargo, la parte posterior del tubo estará más fría, lo que genera gradientes de temperatura altos. Hasta ahora, los transitorios de temperatura y no los gradientes de temperatura siempre se han visto como el factor limitante. Cómo los gradientes de temperatura que ocurren afectarán la estrategia de precalentamiento es el tema del próximo trabajo.

Después de la prueba en el sol

Ahora, luego de una prueba al sol realizada en el sitio de prueba de DLR en Jülich, continúa refinando la estrategia como empleada técnica en DLR mientras completa una Maestría en Ingeniería Mecánica en la Universidad de Stuttgart.

La evaluación y la prueba en sí aún no se han completado en el momento de la entrevista.

“La evolución aún está en progreso, pero vemos la diferencia entre la práctica en la vida real y la simulación”, dijo. “Entonces, el siguiente paso es adaptar la estrategia de precalentamiento a las condiciones de la vida real”.

La prueba en el sol está revelando algunos ajustes necesarios si un operador potencial de una planta de CSP que utiliza este algoritmo pudiera confiar en el cálculo del algoritmo. Actualmente, la estrategia de precalentamiento no es completamente automática; el operador aún tendría que tomar la decisión final.

Sin embargo, en general, la puesta en marcha de la estrategia de precalentamiento ha ido bien. Los resultados de la prueba se presentarán en la Conferencia SolarPACES en Nuevo México este año en forma de presentación oral y se publicarán en un artículo, basado en su estudio Preheat Strategy of a Molten Salt Test Receiver . Reisch no viajará a EE. UU. para la conferencia, pero su colega, que también ha estado trabajando en el tema del precalentamiento solar, estará allí para presentar los resultados.

Susan Kraemer, solarpaces.org