La innovación en el absorbedor volumétrico lleva la eficiencia OVR al 90%
Con la innovación en su componente principal, el absorbedor volumétrico, el receptor volumétrico abierto (OVR) puede alcanzar una eficiencia del 90 % y más.
Innovación:
En un reciente proyecto de I+D realizado por un consorcio de las empresas alemanas Kraftanlagen Energies & Services GmbH , Vitesco Emitec y Exentis Group junto con el German Aerospace Center se demostró que el potencial de eficiencia del receptor volumétrico está lejos de agotarse con las estructuras absorbentes. actualmente disponible.
FIGURA 1: Esquema de planta de energía solar con receptor volumétrico abierto (OVR).
Se diseñaron geometrías estructuradas tridimensionalmente a escala extremadamente fina de acuerdo con las capacidades de fabricación de las empresas involucradas. Para el diseño estructural se aplicó un nuevo método de optimización basado en simulación y se involucraron especialistas de las empresas manufactureras.
Estructura absorbente cerámica serigrafiada fabricada por Exentis Group.
Antecedentes
Al igual que el receptor de sales fundidas más utilizado en la actualidad, el receptor de aire volumétrico abierto (OVR) es la única tecnología de receptor avanzada que ofrece un concepto de almacenamiento probado, eficaz y escalable.
Además, la tecnología OVR tiene importantes ventajas en cuanto a simplicidad y robustez de operación en comparación con las plantas con receptores de sales fundidas. Con temperaturas de salida del aire de 650 °C y más, tiene la temperatura de proceso superior más alta disponible actualmente, lo que abre el potencial para utilizar procesos modernos de vapor de 620 °C de alta eficiencia.
La tecnología OVR se ha desarrollado hasta un alto grado de madurez durante las últimas dos décadas y se está demostrando como un sistema de planta de energía completo en la Torre Solar Alemana de Jülich, una planta de energía experimental operada por el Centro Aeroespacial Alemán (FIGURA 2).
FIGURA 2: Planta de energía experimental Solar Tower Jülich en funcionamiento.
El absorbedor volumétrico, el componente central de la tecnología OVR, es una estructura porosa que permite que la radiación solar concentrada penetre profundamente en su volumen para ser absorbida y transferida como calor al flujo de gas paralelo por la gran superficie interna (FIGURA 3).
Los materiales típicos utilizados como absorbentes son mallas de alambres metálicos de aleaciones de acero resistentes a la temperatura, estructuras de espuma reticulada hechas de cerámica o estructuras en forma de canal hechas de acero o cerámica.
FIGURA 3: Principio de funcionamiento del absorbedor volumétrico.
El absorbente de última generación actual, que también está desplegado en la Torre Solar Jülich, consiste en panales extruidos hechos de cerámica de carburo de silicio con una celularidad de alrededor de 80 cpsi y 50% de porosidad abierta (FIGURA 4).
FIGURA 4: Módulo absorbente de última generación con nido de abeja cerámico
El proyecto se centró en innovar dos tecnologías de producción:
Vitesco Emitec produjo un cuerpo de estructuras de canales hechas de pares alternos de láminas de metal ultradelgadas planas y corrugadas (~50 micrómetros) de una aleación de acero de alta temperatura. Las láminas de metal pueden variar en longitud y orientación (FIGURA 5).
FIGURA 5: Módulo absorbente de Vitesco Emitec con estructura de canal de lámina metálica.
FIGURA 6: Módulo absorbedor con estructura frontal pines cerámicos de Exentis Group.
Exentis Group produjo estructuras de canal con una innovadora tecnología de fabricación aditiva: serigrafía con cerámica SiC. Su diseño en forma de panal se caracteriza por canales que terminan en pines muy delgados hacia el frente irradiado (FIGURA 6).
Pruebas
En un proceso de diseño de dos etapas, las nuevas estructuras absorbentes se fabricaron y probaron primero en un tamaño de sonda de 60 mm x 60 mm antes de que se produjeran en un tamaño de módulo de 140 mm x 140 mm compatible con el receptor en la Torre Solar Jülich.
La prueba de ambos tamaños se realizó en un banco de pruebas en el simulador solar artificial Synlight ® de DLR para medir la eficiencia térmica en comparación con el absorbedor de última generación. Posteriormente, los nuevos absorbedores en tamaño de módulo fueron operados con radiación solar concentrada en la Torre Solar Jülich durante varios días para probar su estabilidad en un entorno real con transitorios, especialmente debido a las nubes.
Resultados
Los resultados de la medición revelan una ventaja significativa en la eficiencia térmica de las nuevas estructuras absorbentes en comparación con un absorbedor de última generación (FIGURA 7). A la temperatura de referencia de 650°C, la estructura de Vitesco Emitec muestra una eficiencia térmica del 91% y la estructura del Grupo Exentis del 92%, que son +6 respectivamente +7% puntos con respecto al estado del arte.
La alta porosidad abierta en el frente irradiado de los nuevos absorbentes permite que la radiación penetre profundamente en su volumen y la gran superficie interna asegura una transferencia de calor efectiva al aire. Los pines en la parte delantera de los absorbentes serigrafiados de Exentis Group permiten una penetración especialmente profunda independientemente de la dirección de la radiación entrante, lo que genera una ventaja adicional en la eficiencia.
FIGURA 7: Comparación de la eficiencia térmica de estructuras absorbentes nuevas con absorbentes de última generación.
Impacto
El proyecto de I+D demostró que las estructuras absorbentes avanzadas fabricadas con modernas técnicas de fabricación pueden lograr eficiencias térmicas del 90 % y más, materializando el alto potencial teóricamente predicho de la tecnología OVR. Con una eficiencia superior al 90 %, el OVR también está a la altura del receptor de sales fundidas que prevalece actualmente.
Una mejora de la eficiencia en el componente central del absorbedor tiene un impacto directo en la rentabilidad de la planta total. Un 8 % más de eficiencia significa aproximadamente un 8 % menos de heliostatos necesarios en el campo solar. ¡En un campo de helióstatos de 600.000 m² con un coste supuesto de 100 €/m², esta mejora de la eficiencia se traduce en un ahorro de inversión de más de 4,5 Mio €!
panorama
Los resultados de la estructura absorbente serigrafiada muestran el gran potencial de esta tecnología de fabricación aditiva y dan la esperanza de una alta eficiencia también a temperaturas de aplicación más altas. Sin embargo, el desarrollo de este absorbedor aún se encuentra en una etapa temprana con respecto a la usabilidad industrial a largo plazo en un entorno hostil.
El absorbedor de lámina metálica, por otro lado, se basa en décadas de desarrollo en el sector automotriz y está prácticamente listo para la producción en masa y el uso inmediato con la vida útil requerida.
Agradecimientos
Este trabajo fue apoyado por el Ministerio Federal de Asuntos Económicos y Acción Climática sobre la base de una decisión del Bundestag alemán.
Otras lecturas
Schwarzbözl, P., Giuliano, St., Noureldin, K., Doerbeck, T., Rossello, A. y Schrüfer, J. (2020) Evaluación de rendimiento anual de una planta de torre solar comercial de 50 MWe con receptor volumétrico abierto mejorado. En: SOLARPACES 2020: 26th International Conference on Concentrating Solar Power and Chemical Energy Systems (2445). Publicación AIP. doi: 10.1063/5.0085758.
Broeske, RT, Schwarzbözl, P., Birkigt, L., Dung, S., Müller, B. y Doerbeck, T. (2021) Estructuras innovadoras en forma de 3D como absorbentes volumétricos. 27.ª Conferencia SolarPACES, 27 de septiembre – 01 de octubre. 2021.
Birkigt, L., Hennicke, J., Kirchner, R. (2022) Serigrafía 3D de absorbentes solares hechos de SiSiC, sinterizados en un horno eficiente de alto rendimiento. cfi/ber. DKG 99 (2022) No. 2
Broeske, RT, Schwarzbözl, P. y Hoffschmidt, B. (2022). Un nuevo modelo continuo LTNE 1D particionado para la simulación de absorbentes de panal en forma de 3D. Energía Solar, 236, 533-547. doi: 10.1016/j.solener.2022.02.024
Broeske, RT, Schwarzbözl, P. y Hoffschmidt, B. (2022). Análisis numérico multidimensional de inestabilidades de flujo en absorbentes de panal en forma de 3D. Energía Solar, 247, 86-95. doi: 10.1016/j.solener.2022.10.007.
