Proyectos para la generación directa de vapor en colectores cilindro parabólicos previos al proyecto

Las primeras experiencias prácticas que se llevaron a cabo con colectores cilindro parabólicos tuvieron lugar entre los siglos XIX y XX, y estuvieron dirigidas a la generación directa de vapor en los propios colectores. Los parámetros del vapor generado en aquellos primeros sistemas experimentales eran muy conservadores,

ya que se trataba de vapor saturado a una presión inferior a 3 bar, que se expandía posteriormente en un motor de vapor. Aquellas primeras experiencias con este tipo de concentradores, llevadas a cabo por los americanos J. Ericsson en 1870 y F. Schumann en 1912, sirvieron para demostrar el interés industrial que tiene la generación directa de vapor a partir de la radiación solar. Pero en ambos casos, los trabajos iniciales no encontraron una continuidad comercial porque los sistemas solares desarrollados no resultaban competitivos con el carbón, que era el combustible convencional mayoritariamente utilizado en aquel momento.

i. El proyecto ATS

Aunque las plantas SEGS implementadas por Luz entre los años 1984 y 1991 usaban aceite como fluido calorífero (tecnología Heat Transfer Fluid, HTF) en el campo solar, Luz analizó en 1988 el potencial que tenía la generación directa de vapor (GDV) en los colectores, con el fin de seguir abaratando costes (Dagan et al., 1992). Los estudios económicos mostraron que la sustitución de la tecnología HTF por la tecnología GDV podía suponer una reducción del 20%, incluso 30% si se llevaban a cabo algunas mejoras en los componentes y diseño global de la planta termosolar. Basándose en estos resultados y en las conclusiones favorables de unos estudios previos realizados por la Universidad de Tel-Aviv (Barnea, 1987), que ponían de manifiesto la estabilidad del flujo bifásico, Luz inició un programa de investigación y desarrollo denominado Advanced Trough System (ATS), que tenía por objetivo final construir nuevas plantas termosolares, basadas en la generación directa de vapor y en un nuevo diseño de colector, de mayores dimensiones y con el eje inclinado 8º sobre la horizontal.

Este objetivo final se pretendía cumplir mediante 4 fases (Zarza, 2002):

a. Fase 1

El objetivo de esta primera fase era hacer un análisis experimental de los parámetros fundamentales del flujo bifásico agua-vapor, en condiciones estacionarias, con el fin de validar los modelos teóricos desarrollados por la Universidad de Tel-Aviv. La fase se desarrolló usando tubos metálicos de 1” de diámetro exterior, inclinados 8º y calentados exteriormente mediante resistencia eléctricas para tener un perfecto control del proceso.

En este estudio no se buscó identificar el tipo de flujo bifásico por los tubos, sino cuantificar los parámetros externos, caídas de presión y gradientes térmicos principalmente. Respecto al primer parámetro, es de destacar que los errores entre las medidas experimentales de caída de presión y los valores teóricos iniciales fueron del orden del 12%. Aunque esto puede parecer excesivo, en realidad no lo es, si se tiene en cuenta que en flujo bifásico la discrepancia entre los valores empíricos y teóricos suele ser del orden del 20%.

b. Fase 2

En la fase 2 se pretendía hacer la misma investigación que en la fase 1, pero usando ya tubos absorbedores de dos colectores cilindro parabólicos inclinados 8º y con un diámetro exterior de 70 mm. Cada colector solar estaba constituido por dos concentradores parabólicos de 12 m de longitud, y 5.76 m. de apertura, accionados por un mecanismo hidraúlico que giraba los concentradores solares alrededor de los tubos absorbedores, que

permanecían fijos en todo momento. La ausencia en aquel tiempo de juntas rotativas apropiadas obligó a Luz a modificar el diseño del colector LS-3, de modo que los tubos absorbedores permaneciesen siempre fijos. En un principio, en esta fase se pretendían estudiar también los transitorios de arranque y parada, el control y la optimización del acoplamiento del campo solar al bloque de potencia. Sin embargo, ningún resultado, ni del estacionario ni del transitorio, se publicó al respecto, y estudios posteriores arrojaron serias dudas sobre la fiabilidad de las medidas que se realizaron.

c. Fase 3

El objetivo de la fase 3 era demostrar la viabilidad del proceso GDV en dos filas paralelas de colectores cilindro parabólicos en las que se llevase íntegramente la evaporación y el sobrecalentamiento del vapor. Luz comenzó en 1990 la compra y fabricación de los equipos necesarios para montar el sistema que se necesitaba para desarrollar los experimentos previstos. La ubicación decidida para dicha instalación fue el Centro Nacional Ben-Gurion de Energía Solar, ubicado en Sde-Boker, en el desierto israelí de Negev.

Desafortunadamente, la quiebra de Luz en 1991 paralizó la implementación de la planta de Sde-Boker, aunque ya se habían adquirido la mayor parte de los componentes y se había instalado más de la mitad del campo solar y parte del equipo de potencia.

d. Fase 4

Antes de la paralización en 1991 del proyecto ATS, Luz había iniciado ya algunas de las actividades encaminadas a la puesta en marcha y ejecución de la fase 4, cuyo objetivo era evaluar bajo condiciones solares reales de operación todos los componentes que se requerían para una planta GDV comercial. Esto implicaba fabricar, instalar, operar y evaluar una fila completa de colectores LS4 al menos. Debido a las dimensiones que debía tener esa fila de colectores, la inversión necesaria era muy elevada. Para promover la realización de esta fase, se creó un consorcio entre la empresa Luz y la empresa alemana FLachglas Solartechnik GMBH. Este consorcio preparó un proyecto, el MTA (Medium Temperature Application) que no llegó a realizarse debido a la quiebra de la empresa Luz.

ii. El proyecto HIPRESS

Dentro de las actividades del proyecto MTA, que surgió en la fase 4 del proyecto ATS y que no llegó a realizarse, estaba previsto construir una instalación experimental en el ZSW (Zentrum für Sonnernergie- und Wasserstoff-Forschung, Alemania). Entre otras actividades, se pretendía estudiar los coeficientes de transmisión de calor por convección, tanto en la zona monofásica como bifásica; también estaba previsto estudiar experimentalmente las diversas configuraciones que puede adoptar el flujo bifásico agua-vapor en el interior de los tubos absorbedores. Pese a que el proyecto MTA no llegó a ser nunca una realidad, como el ZSW había comenzado ya los trabajos para la instalación experimental, decidió seguir adelante con el montaje de dicha planta, que recibió el nombre de HIPRESS.

La instalación HIPRESS fue utilizada por el ZSW entre 1993 y 1994 para estudiar el proceso GDV y elaborar un mapa experimental de las configuraciones que adopta el flujo bifásico agua-vapor en tuberías inclinadas 8º. Estas configuraciones son, como se explicará en el capítulo siguiente, intermitente, anular y estratificado. Al

contrastar el mapa experimental con modelos teóricos, se observó una gran concordancia en lo que respecta al límite entre la configuración intermitente y la anular, y una clara discordancia en lo que se refería a flujo anular y estratificado porque los experimentos mostraron que dicha transición tenía lugar a mayores velocidades superficiales de la fase líquida, lo que equivale a decir que la zona de flujo estratificado determinada experimentalmente era sensiblemente mayor que la predicha por el modelo (Müller y Lippke, 1993).

iii. El proyecto GUDE

En 1992, el Grupo de Generación de Energía de SIEMENS (KWU) promovió el proyecto GUDE (Grundlegende Untersuchungen zur Solares Direktverdampfung von Wasser nach dem Einspritzprinzip) con el objetivo principal de estudiar los parámetros termohidráulicos del proceso de generación directa de vapor. En dicho proyecto participaban las siguientes entidades alemanas:

- DLR (Deutsche Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt e.V.) - ZSW (Zentrum für Sonnernergie- und Wasserstoff-Forschung) - Universidad Técnica de Munich

Para el estudio de los parámetros termohidráulicos, dentro del proyecto GUDE se llevaron a cabo una amplia variedad de ensayos.

Los datos experimentales obtenidos durante el proyecto GUDE permitieron incrementar de forma importante el conocimiento que hasta el momento se tenía del proceso GDV. Se comprobó que los parámetros más importantes que afectan a la transferencia de calor entre la pared interna del tubo y el fluido son: título de vapor, caudal másico, presión de trabajo y perfil del flujo de calor sobre el tubo, inferior o lateral, tal y como se muestra en la figura (1.18).

Figura 1.18. Posiciones extremas del colector cuando existe flujo bifásico estratificado

Respecto a este último parámetro, se comprobó que la temperatura máxima alcanzada en la pared del tubo, era muy superior en caso de tener un perfil de flujo de calor lateral, sobre todo a bajos caudales y cuando se da la estratificación de la fase líquida (Zarza, 2002).

Gracias a los datos experimentales obtenidos en el proyecto GUDE, el DLR pudo ajustar las correlaciones teóricas para la simulación de los perfiles de temperatura que aparecían en los tubos absorbedores. De acuerdo con los resultados que obtuvo el DLR con el modelo desarrollado, las diferencias máximas de temperaturas en las secciones transversales del absorbedor son del orden de 20 K cuando se tiene flujo anular abierto, mientras que para un flujo anular cerrado son del orden de los 10 K-12 K (para un perfil lateral de flujo de calor en el absorbedor).

iv. El proyecto PRODISS

Los experimentos que se llevaron a cabo en el proyecto GUDE fueron realizados en condiciones estacionarias; por ello, una vez finalizado el proyecto, el DLR y SIEMENS acometieron un nuevo proyecto, el proyecto PRODISS, de menor duración y cuyo objetivo fundamental era investigar la influencia que diversos tipos de transitorios ejercen sobre e flujo bifásico.

En dicho proyecto se estudiaron tres tipos de transitorios en un tubo de 50 mm de diámetro interior: de presión, de caudal y de entalpía (variando el título de vapor). Se observó que un incremento en el título de vapor produce, en primer lugar, un efecto contrario a la salida del tubo; posteriormente, el título de vapor a la salida se incrementa, aunque las variaciones en el mismo se producen con un gran intervalo de retraso respecto a la entrada. Respecto al caudal másico, se observó que a bajos caudales, cambios en el caudal pueden provocar la aparición de puntos calientes en el tubo. Por último, reducciones repentinas de la presión pueden provocar una rápida producción de vapor, que también puede ser crítica. Todo esto tiene que ser tenido en cuenta para el sistema de control en una instalación real (Geskes y Eck, 1999).