Modelización y simulación de la configuración de un campo solar para centrales termosolares de torreinfluencia de la óptica del concentrador sobre la generación de energía

Resumen

Las energías renovables como alternativa a las plantas de producción eléctrica tradicionales que utilizan combustibles fósiles, suponen hoy en día una solución a los problemas de dependencia energética, y emisiones de CO2 no deseadas a la atmósfera, habiéndose producido un fuerte desarrollo en la tecnología especialmente eólica y solar en la última década Empresas como Abengoa, Acciona, Aries, ACWA, Sener, Brightsource entre otras, están apostando fuerte por la energía solar, y es concretamente dentro de la compañía Abengoa, dónde surge la propuesta de esta tesis doctoral El estudio aquí realizado surge como resultado del trabajo desempeñado dentro del Departamento de Investigación y Desarrollo de Abengoa Solar New Technologies, y posteriormente dentro de Abengoa Research, empresa creada para concentrar el I+D de toda la compañía El objetivo final consiste en optimizar las plantas solares termoeléctricas de torre, centrándonos en el campo de heliostatos (espejos) que lo componen y en su influencia sobre la producción eléctrica de la planta pudiendo así facilitar unas pautas de optimización del campo según el tipo de heliostato utilizado, y plantear una alternativa a la configuración de campos de heliostatos ya existente Para ello, se estudian dos posibles escenarios, en el que se contemplan dos tipos de facetas diferentes, siendo las facetas las diferentes unidades o espejos por los que está constituido el heliostato. Un primer escenario que consiste en un campo de heliostatos con facetas esféricas, y un segundo escenario que consiste en heliostatos con facetas planas, estando dichas facetas en ambos casos canteadas esféricamente, es decir, orientadas su normales adecuadamente para que conformen una superficie ¿imaginaria¿, lo más cercana posible a la esférica. Ambos escenarios se aplican a dos plantas solares termoeléctricas reales, perteneciente a Abengoa Solar, y ubicadas en Sanlúcar la Mayor, Sevilla. La planta PS10 con un tamaño de torre de 100.5 metros y 624 heliostatos, y la planta Eureka, planta de reducidas dimensiones por tratarse de una planta de demostración con 50 metros de torre y 35 heliostatos. A lo largo de este trabajo se estudiará el comportamiento tanto de la planta PS10 como Eureka en relación a tres parámetros, la potencia total, la densidad de potencia pico, y el desbordamiento, para dos instantes concretos, día 81 a las 10 horas solares y día 81 a las 12 horas solares, y de manera anual, tanto para todo el campo completo, como por las diferentes filas del campo. Para la realización de las simulaciones que nos permitirán obtener los resultados de los diferentes parámetros de estudio, se ha modificado un conjunto de programas en Matlab con los que ya se contaba y se ha elaborado una serie de subrutinas para la realización de los cálculos deseados, de manera que se fuera capaz de generar mapas de flujos sobre el receptor para heliostatos canteados con facetas planas. Los resultados de este estudio permitirán entender el comportamiento de los efectos de concentración y desbordamiento por factor de forma o astigmatismo, debido a la distancia de los heliostatos a la torre o por el denominado efecto coseno, obteniendo resultados de los parámetros antes mencionados para ambos escenarios El comportamiento de los casos estudiados confirmará el hecho de que la dispersión astigmática va aumentando su efecto con la distancia, superando a partir de una cierta distancia denominada distancia crítica al efecto de concentración momento en el cual las facetas esféricas se comportan peor y, por tanto, proporcionan menos potencia y energía que las facetas planas. Esta distancia crítica es la que marca el cambio de configuración en el heliostato en lo que se refiere a la geometría del reflector permitiendo proponer posibles configuraciones de planta diferentes a las ya existentes Estos estudios, junto con el análisis económico de ambos escenarios, permitirá optimizar el campo solar en función de los resultados obtenidos