Tema: AYUDA: Puntos de Diseño Central TERMOSOLAR

Buenas!
Soy estudiante y estoy haciendo mi proyecto de fin de carrera sobre el Diseño de una Central Termosolar, y estoy un poco perdido.
Os cuento un poco las "características"

CAMPO SOLAR:
-Tecnología empleada: CCP's con aceite térmico (HTF)
-Ningún método de almacenamiento térmico.
-Energía de apoyo: Gas Natural


CICLO DE POTENCIA:
-Potencia Turbina Vapor: 1 MWe: éste es uno de los detalles a tener en cuenta. Se sabe que no es una potencia "lógica" ya que, básicamente no sale nada rentable, pero el profesor en un principio me marcó esa potencia porque la idea principal era hacer un proyecto más bien didáctico que eminentemente práctico. En breve intentaré resolver el primer obstáculo que me he encontrado, y es la dificultad de encontrar turbinas de vapor de tan baja potencia, que tengan dos cuerpos (HP y LP), que acepten extracciones para poder crear un Ciclo Rankine con alguna regeneración y que sean de tipo "condensado" (no sé si el término correcto, pero básicamente quiero que a la salida de la turbina existe un condensador).

Así, a bote pronto, me surgen las primeras dudas sobre los parámetros de diseño. En definitiva, la pregunta es: ¿por dónde se empieza?

Creo que para poder responderme, también tenéis que saber que dispongo de todos los datos meteorológicos necesarios (irradiancias, vientos y un largo etcétera). También dispongo de todas las características del HTF y para rematar, tengo a mi alcance información sobre un proyecto similar, pero claro, de 50 MW.

Mi duda principal surgió al intentar responder a la pregunta de CUÁNTOS m2 de CCP's necesito. Lo que me llevó a preguntarme CUÁNTO calor quiero transferir al Ciclo de Potencia (en un generador de vapor). Lo que me llevó al mayor de los desconocimientos, porque no tengo ni idea de cuál sería el flujo másico (tanto de HTF como de agua-vapor) más o menos lógico para 1 MW de potencia, y sobre todo, los parámetros de entrada a la Turbina. ¿Son siempre recomendables los típicos 100 bar y 360-380 ºC a la entrada de la turbina o carece de sentido esa alta presión para movernos entre potencias tan bajas?

Cualquier ayuda por pequeña que sea, será bienvenida, sobre todo para empezar a diseñar el ciclo básico (obviando pérdidas incluso).

Gracias a todos y un saludo.

En primera aproximación, y aunque parezca un contrasentido, prueba a hacer ingeniería inversa: si pretendes generar 1 MW, experimentalmente sabes que el rendimiento termodinámico de las turbinas anda por el 40%. Las de ese tamaño tan pequeño no alcanzan esta cifra, por tanto, considera un 35% y gracias, porque ya nos estamos concediendo muchas alegrías. Esto supone un aporte térmico de 2,85 MWt, que deberás aportar con el HTF. Ojo al rendimiento de la caldera de generación de vapor.

Bien es cierto que para producir 1 MW de potencia no necesitas generar vapor a 100 bar, con el enorme costo que supone en los equipos, pero si quieres un rendimiento decente en el ciclo, no te queda otra que trabajar a alta presión. (Y si quieres un equipo más barato, vete olvidándote del 35% de rendimiento, jeje). Aún así, coge un programita que simule ciclos Rankine y prueba y prueba hasta que encuentres un compromiso entre 1) potencia producida—2) equipos razonables para dicha potencia. Con ello seleccionarás valores de presión y temperatura a la entrada de la turbina sin alejarte demasiado de los valores “estándar” que todos conocemos para las plantas de 50 MW.

Una vez que hayas decidido unos valores de temperatura para empezar, puedes seleccionar un aceite térmico comercial y anotar sus características físicas: densidad, viscosidad, presión de vapor, temperatura crítica, etc, que sean adecuadas a las condiciones de operación de tu sistema. Entre las características del HTF (rango de trabajo, estabilidad) y las del GV (esfuerzos térmicos, coef. transferencia U) , decides las temperaturas de entrada y salida del campo solar. No deberías seleccionarlas muy alejadas de las "familiares" 290-390 ºC, lo cual ya reduce tu margen de maniobra...

Más cosas: ten en cuenta que el consumo parásito de una planta termoeléctrica (servos, bombas, iluminación) viene siendo de un 10%, así que si quieres generar 50 MWe, en realidad deberás generar unos 55 MWe.

Con unos “números gordos” de potencia térmica aportada por el aceite y con los m2 de espejos ya puedes empezar a trastear un poco más: definir un caudal de diseño, según las características del fluido (viscosidad, densidad, etc). Recuerda tener un Reynolds suficientemente alto para asegurarte una buena transferencia de calor, en principio piensa en 3x10^5 o algo más si el fluido es muy viscoso. De aquí, del diámetro efectivo de los tubos y de la densidad del HTF sacas la velocidad característica y finalmente el caudal másico.

También decidirás el emplazamiento del campo solar: temperatura, presión atmosférica, altitud, humedad, suciedad ambiente, orientación del eje, etc.

Paralelamente, yo haría lo siguiente: como criterio para decidirte por unos espejos y tubos absorbedores y no por otros, averigua la irradiancia promedio local, la eficiencia óptica y térmica de los espejos y la absortancia de los tubos (si no los conoces toma valores estándar de 0.8, 0.9 y 0.96 respectivamente), el ángulo de incidencia y la temperatura ambiente, calcula la energía aprovechable – la que transmites al HTF vaya – por metro lineal de espejo. Una vez seleccionados los que tú quieras, anota su apertura, longitud, área de apertura unitaria y otras características.

Más adelante, en un cálculo más fino, con el área de apertura y un factor de ensuciamiento, calcularás las pérdidas de calor en cada colector, porque ya conoces el caudal másico. Luego determinas el salto de temperaturas en el colector, y así el número de espejitos que debes disponer en serie, para alcanzar el salto total de temperaturas que experimenta el HTF. El número de lazos en paralelo lo determinas según la potencia térmica a aportar a la caldera de generación de vapor.


Nos vemos otro día con más tranquilidad, que yo con prisas no sé explicarme. Un saludo

Mil gracias, sobre todo por el detalle de Editar una respuesta incluso mejor de la que ya me habías dado tú mismo Y menos mal que tenías prisa!!!! Jejeje

Voy a masticar toda la información un poco y luego os cuento por dónde están yendo mis tiros.

Una cosa, así de sopetón: estuve buscando programas que me simularan ciclos (la verdad es que empecé buscando "calculadoras termodinámicas" porque el uso de las tablas es para desactualizaos (de esos que salen "a mover el esqueleto" y dicen "efectiviwonder") y al final me topé con programas más completos).

¿Me podéis recomendar alguno?

Acabé instalándome uno llamado TPX pero no me acabó de gustar mucho...

Si ya me dijérais un software cuyo dominio esté "cotizado" en el mercado laboral, mejor que mejor. (¿¿ Thermoflow, ASPEN ??)

Gracias again!!

Veamos, la primera duda ya la tengo más o menos resuelta, y es que queda claro que voy a tener que recurrir al método de "ensayo y error".

Primera cuestión: ¿A qué te refieres con "Ojo al rendimiento de la caldera de generación de vapor"? ¿Hablamos de la caldera auxiliar de gas? Si es así, de momento ése es otro fregao, pero creo que lo que me quieres decir es que sobredimensione la demanda de potencia teniendo en cuenta ése rendimiento, verdad?

Segunda cuestión: Sobre el coste de los equipos, tampoco tengo todavía una directriz a seguir. Como digo, es un PFC que no va a tener aplicación real, así que cuando vuelva a hablar con el profesor, será otra cosa a la que también tendré que llegar a un acuerdo: trabajar a menor presión, me supondrá menos costes, pero a cambio obtendré menor eficiencia, y por ende, más campo solar y más pasta en colectores (corrígeme si me equivoco).

Tercera cuestión: Sobre el HTF a seleccionar, la verdad es que no esperaba tener que desviarme mucho del par de marcas que tengo a mi alcance (Dowtherm y Therminol). Me imagino que los rangos de trabajo estarán dentro de lo que me ofrezcan estos dos fabricantes. Eso sí, para seleccionar el GDV sí que ando perdido. Y si me dices que tengo que echar mano de él para concretar las temperaturas de entrada y salida del HTF, ahí me has jodido…

Cuarta cuestión: Sobre los consumos parásitos. He leído bastante, pero ¿creéis que se puede tomar un dato “grueso” (por ejemplo, un 10%) o se tendría que afinar?

Quinta cuestión: ¿Es tan amplio el mercado de CCP’s y tubos absorbedores como para justificar un cálculo exhaustivo y comparativo entre unos y otros? Esta pregunta podrá tener varias respuestas. La que a mí me gustaría escuchar es “que va, no te preocupes tanto, coge los CCP’s y los tubos que tienes a mano en ese proyecto de 50 MW que dices que tienes, y fusílalos para tu proyecto”. Dadme una alegría, joder, que todo son problemas J

Y por último, cuando dices “Más adelante, en un cálculo más fino, con el área de apertura y un factor de ensuciamiento, calcularás las pérdidas de calor en cada colector, porque ya conoces el caudal másico. Luego determinas el salto de temperaturas en el colector, y así el número de espejitos que debes disponer en serie, para alcanzar el salto total de temperaturas que experimenta el HTF. El número de lazos en paralelo lo determinas según la potencia térmica a aportar a la caldera de generación de vapor” tienes toda la razón. Será más adelante, porque creo que hasta llegar ahí, voy a tener que masticar bastantes cosas.

GENIAL LA INFORMACIÓN (las mayúsculas no son un error, lo digo en voz alta J )

Seguiremos informando…

1) Me refiero a donde generas el vapor que metes en la turbina de alta. El fabricante del GV (Balcke Durr, Wilcox, el que sea) prometerá un desempeño determinado suponiendo unos rangos de temperaturas de los fluidos, y de ahí no te puedes salir. Teniendo esto en cuenta, ya puedes precisar un aceite que se ajuste a esos rangos de trabajo, y no cualquier otro más caro, al que no sacarás partido.
2) Totalmente cierto
3) Los fabricantes son tres o cuatro, es verdad, pero ofrecen una gama extensa en propiedades físico-químicas... y en precios. Pero si esto no te supone una limitación, entonces ¡Therminol VP1!
4) De momento, no te compliques y supón 8-10% de consumo parásito. Más adelante, cuando conozcas el tamaño de los equipos, las pérdidas de línea y los lazos que tienes que alimentar, ya afinarás.
5) Los fabricantes de espejos son pocos (Flabeg, Saint Gobain Glass y alguno más), los de tubos son dos --sin contar las copisterías chinas-- (Solel y Schott). Toma los datos de un modelo intermedio y no te equivocarás mucho. Valen los de la central de 50 MW

Hasta otra, camarada. Por cierto, ¿eres industrial? Si es así, corrijo:
hasta otra, compañero del gremio

Yo que tu investigaba alguna turbina de contrapresión de las que se usan en las cogeneraciones. Así te ahorras el condensador y las torres.

Por otro lado con 1 MW a lo mejor te sale mas rentable ir a presiones y temperaturas menores. El rendimiento de la turbina baja pero el del campo solar sube y además ahorras una pasta en materiales.

Vi hace un tiempo un artículo sobre motores de vapor. ¿No podría ser eso una posibilidad para plantas de pequeña potencia?.

Con 1 MW yo si pondría almacenamiento, pero no de sales sino de aceite. En las SEG hubo uno de 4 horas. Seguro que en internet encuentras información. En la PSA tambien lo hay, aunque no es un almacenamiento propiamente dicho, sino mas bien un deposito para dar algo de inercia térmica.

Iniciado por carzante

1) Me refiero a donde generas el vapor que metes en la turbina de alta. El fabricante del GV (Balcke Durr, Wilcox, el que sea) prometerá un desempeño determinado suponiendo unos rangos de temperaturas de los fluidos, y de ahí no te puedes salir. Teniendo esto en cuenta, ya puedes precisar un aceite que se ajuste a esos rangos de trabajo, y no cualquier otro más caro, al que no sacarás partido.
2) Totalmente cierto
3) Los fabricantes son tres o cuatro, es verdad, pero ofrecen una gama extensa en propiedades físico-químicas... y en precios. Pero si esto no te supone una limitación, entonces ¡Therminol VP1!
4) De momento, no te compliques y supón 8-10% de consumo parásito. Más adelante, cuando conozcas el tamaño de los equipos, las pérdidas de línea y los lazos que tienes que alimentar, ya afinarás.
5) Los fabricantes de espejos son pocos (Flabeg, Saint Gobain Glass y alguno más), los de tubos son dos --sin contar las copisterías chinas-- (Solel y Schott). Toma los datos de un modelo intermedio y no te equivocarás mucho. Valen los de la central de 50 MW

Hasta otra, camarada. Por cierto, ¿eres industrial? Si es así, corrijo:
hasta otra, compañero del gremio

yo estoy haciendo el diseño de un CCp y quisiera saber como calculo la transferencia de calor desde la zona de recepcion de calor hacia el tubo absorbedor, osea cantidad de calor que llegara al tubo, tengo la formula de la concentracion pero no se como utilizarla para calcular calor y temperatura que alcanzara el fluido en el tubo
C = 4·A /(L·π·D2)
Siendo:
A: La apertura del colector
D: El diámetro del tubo receptor
L: Longitud del concentrador

Hola,

El software adecuado para simulación de plantas termosolares es THERMOFLEX, de Thermoflow Inc. (www.thermoflow.com) pues integra el la parte solar (campo solar, generador de vapor,...) con el ciclo Rankine.

Saludos,

IMG

Puedes solicitar un CD gratuito con una versión demo a Thermoflow.

Hay un programa alternativo que utilizan los de General Electric: el Gate Cycle, o su versión reducida, el Gate Express. Yo lo descargué hace tiempo desde un servidor tipo Rapidshare y funcionaba bien.

Hola a todos de nuevo:
Lo primero de todo, perdonadme por dejar el tema colgado, pero el asunto con el que empezó dió un giro de 360 º (como dicen por ahí algunos) y, después de quedarse como estaba, giró otros 180º ... Bueno, el caso es que mi PFC quedó pendiente de un trabajo de investigación previo sobre concentración solar y de paso se redujo el diseño de la central completa a sólo-campo-solar. No obstante, creo que había empezado la casa por el tejado (primero me tendría que haber centrado en el diseño del campo solar y luego pensar en el BOP de la planta).

La pregunta para la cual no he encontrado respuesta es la siguiente: supongo que conoceréis las típicas curvas de rendimiento (o curvas de eficiencia, o de normalización) para colectores PLANOS. ¿Existen esas curvas para CONCENTRADORES CILÍNDRICOS? Para TODO el conjunto, no sólo tubo absorbedor ni sólo espejos...

Yo sólo las encuentro para colectores planos, pero para el conjunto completo del concentrador no las encuentro por ningún lado.

Sí que tengo la curva de rendimiento del TUBO ABSORBEDOR (de la casa SOLEL), pero según mi profesor, eso no me vale. Tengo que tener la del concentrador completo (cilindro-parábola y tubo).

¿Existen?

Gracias de nuevo a todos (en especial a Carzante, compañero de gremio, y tomo nota de los softwares Bueno, sin PFC no somos compañeros de gremio ni nada de nada