El nuevo medio de transferencia de calor y la pared de aire aumentan la eficiencia de las plantas de energía solar térmica de torre

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Las centrales eléctricas de torre solares convencionales funcionan con sales fundidas como medio de transferencia de calor, lo que impone un límite de temperatura: por encima de los 600 °C, la corrosividad de la sal causará daños. El proyecto HelioGLOW funciona con un medio de transferencia de calor de estado sólido, que permite una temperatura de funcionamiento de más de 1000 °C, lo que aumenta considerablemente la eficiencia. El medio de transferencia de calor se conduce a través del receptor a través de un proceso personalizado que recuerda a un carrusel y se calienta inmediatamente. Con este fin, Kraftblock GmbH desarrolló nuevos elementos receptores cerámicos hechos de material no corrosivo, respetuoso con el medio ambiente y con una alta capacidad de almacenamiento de calor. El material cerámico se produce en un proceso de reciclaje, lo que lo hace rentable.

El desarrollo de la temperatura y la estabilidad del material se caracterizaron en un banco de pruebas Fraunhofer ISE, seguido de pruebas en el simulador solar del Instituto IMDEA Energía en Madrid. El equipo del proyecto pudo utilizar los resultados de las mediciones como base para analizar el comportamiento del material bajo radiación solar extrema. “El próximo objetivo será desarrollar aún más el material del receptor para permitir que la energía se transmita más profundamente en el cuerpo”, explica el Dr.-Ing. Gregor Bern, Gerente de Grupo Sistemas y tecnologías de concentración en Fraunhofer ISE.

El novedoso receptor de estado sólido combina receptor de radiación, medio de transferencia de calor y material de almacenamiento, lo que reduce los costos de construcción de la planta de energía. Se eliminan la resistencia a la transferencia de calor y las limitaciones de densidad de flujo como en los receptores de tubo convencionales. La mayor temperatura resultante, que se puede mantener mejor incluso cuando la radiación solar fluctúa, también contribuye a reducir los costos de generación de electricidad termosolar.

La pared de aire reduce la pérdida térmica en un 30 %

Las torres de energía solar normalmente enfrentan pérdidas térmicas por convección, que reducen la eficiencia cuando la temperatura es alta y la radiación solar tiene una concentración alta. Mientras que la temperatura del aire en el receptor puede subir hasta los 600 °C, la temperatura del aire ambiente normalmente es de 30 a 40 °C. El calor del receptor se transfiere al aire más frío a medida que pasa por él. Se puede lograr una separación de diferentes volúmenes de aire mediante paneles de vidrio de cuarzo, que sin embargo no están disponibles en el tamaño requerido.

Para superar este problema, Fraunhofer ISE probó la idea de una “pared de aire” generada por potentes boquillas en la abertura del receptor para separar los volúmenes de aire.

“Hasta hace poco, solo había simulaciones para esta solución, pero la tecnología nunca se había demostrado en una planta de energía real”, explica Moritz Bitterling, investigador asociado en el equipo del proyecto Fraunhofer ISE.

Una configuración de prueba de tamaño regular equipada con ca. Se utilizaron 50 sensores de temperatura para simular un receptor a 600 °C utilizando elementos calefactores. Nuestro socio industrial, Luftwandtechnik GmbH, diseñó un sistema de pared de aire específicamente para aplicaciones de alta temperatura y lo instaló en el banco de pruebas del receptor en Fraunhofer ISE en Freiburg. Usando esta configuración, se compararon las pérdidas térmicas por convección con una pared de aire con aquellas sin pared de aire, midiendo la potencia de calentamiento necesaria para alcanzar los 600 °C. Los parámetros operativos adecuados, como el ángulo de las boquillas de la pared de aire y la velocidad de salida del aire, se acordaron con Luftwandtechnik GmbH. Las pérdidas térmicas por convección del receptor podrían reducirse en un 30 por ciento. Esta tecnología también es adecuada para otras industrias que trabajan con procesos de alta temperatura, donde la separación de las principales diferencias de temperatura en los hornos, etc. puede reducir las pérdidas. Los socios del proyecto planean probar esto en proyectos de seguimiento.

Mayor desarrollo de helióstatos y centrales eléctricas completas

En lo que respecta a la generación de electricidad solar térmica, existe una tendencia hacia torres de energía solar más pequeñas. Por eso, en el proyecto HelioGLOW, Fraunhofer ISE y sbp sonne GmbH están trabajando para seguir desarrollando su helióstato Stellio. El objetivo era un diseño de pilón optimizado y la adaptación del diseño a los requisitos de las torres de energía solar más pequeñas para reducir aún más los costos. Fraunhofer ISE usó escaneo láser 3D para medir los parámetros del helióstato y probó procesos para mediciones rápidas de helióstato en el campo. Se utilizaron mediciones deflectométricas de las superficies de los reflectores en el laboratorio para analizar los efectos de la deformación en escenarios de carga específicos.

Luego, el equipo de Fraunhofer ISE desarrolló un concepto general basado en todos los componentes mencionados anteriormente, integrando el receptor de medio de transferencia de calor de estado sólido, la pared de aire y el helióstato Stellio optimizado en una planta de energía solar térmica. Los investigadores evaluaron qué proceso de la planta de energía es el más adecuado para el acoplamiento y cómo se puede transferir el calor del material de estado sólido al proceso de la planta de energía. Se modeló, examinó y evaluó el rendimiento técnico y económico del sistema completo utilizando la herramienta de simulación termohidráulica ColSim CSP. Esto permitió ampliar los modelos técnico-económicos existentes e identificar el diseño y la operación ideales para una central con los nuevos componentes.

El proyecto fue financiado por el Ministerio Federal de Asuntos Económicos y Acción Climática y coordinado por Jülich, utilizando el código de financiación 0324174.