Radiación global horaria (W/m2)
3.2. Receptor cilíndrico vertical
3.2.1. Características generales del receptor
El receptor cilíndrico, situado en lo alto de la torre, ha de tener unas dimensiones suficientes para: - Ser capaz de absorber la mayor parte posible de la radiación solar reflejada por los heliostatos. - Conseguir que el fluido térmico alcance las temperaturas necesarias de diseño.
Al igual que con el campo, es muy importante citar las perdidas correspondientes al receptor. Estas pérdidas son debidas a la conversión fototérmica y se pueden dividir en:
- Pérdidas por radiación. Las pérdidas por radiación pueden desglosarse en pérdidas por reflexión, que dependen de la superficie absorbedora, y pérdidas por emisión, que dependen de la temperatura y de la emisividad de la superficie absorbedora.
- Pérdidas por convección, natural o forzada (causada por el viento), desde la superficie absorbedora al aire de los alrededores. Son proporcionales a la diferencia de temperatura entre la superficie absorbedora y el ambiente.
- Pérdidas por conducción. Desde el absorbedor a los elementos estructurales y auxiliares en contacto con el receptor, son también proporcionales a la diferencia de temperatura entre el absorbedor y estos elementos.
Se mostraran a continuación en la Ilustración 3.46. las partes más importantes del receptor. En el presente proyecto se ha elegido un receptor formado por 16 paneles de tubos verticales. En la imagen (a) se puede observar uno de los dieciséis paneles del receptor, el cual contiene 40 tubos. En la imagen (b) se adjunta una vista de planta del receptor, en rojo se señala la dirección y sentido que seguiría la sal dentro del receptor. Como se observa la sal procedente del tanque frio de almacenamiento entrará en el receptor, en el primer caso a estudiar, por la orientación norte dividiéndose en dos caminos simétricos para unirse de nuevo al final del receptor en la zona sur y dirigirse al tanque caliente. En la figura (c) se clarifica desde el alzado el recorrido de la sal, subiendo y bajando alternativamente por los tubos de los paneles para recoger el máximo calor posible de la radiación de los heliostatos. El flujo de la sal sube en los tubos de algunos paneles mientras que en los paneles alternados el flujo de la sal baja siendo siempre el flujo continuo dentro de cada panel.
(a) (b) (c)
Ilustración 3.46. Imagen del receptor y sus partes. Fuente: Adaptado de Sener-Alianza III, Presentación a CONAE de centrales termosolares (17-50 MW).
Basándose en las característictas del receptor de la central Gemasolar, se consideran las dimensiones de la Tabla 3.4 para el receptor de la central a estudiar en el presente proyecto:
Parámetro Valor
Diámetro del receptor, dr (m) 8,1
Altura del receptor, 𝐡𝐭 (m) 10,6
Número de paneles de tubos 16
Ancho de los paneles (m) 1,6
Altura de los paneles (m) 10,6
Diámetro de los tubos, dtout (m) 3,5.10-2
Espesor de los tubos, e (m) 1,25.10-3
Separación entre los tubos, B (m) 5. 10-3
Numero de tubos, Nt 640
Número de tubos por panel, Ntp 40
Material de los tubos Acero de alta aleación (níquel) Conductividad de los tubos, kp (W/m.K) 20
Tabla 3.4. Características del receptor cilíndrico de Gemasolar. Fuente: Sener-Alianza III, Presentación a CONAE de centrales termosolares (17-50 MW).
Es importante volver a citar que es necesario monitorizar la temperatura de la superficie interior de los tubos, que no deben sobrepasar los 640ºC, ya que generarían una descomposición parcial de las sales de nitratos a nitritos además de poner en riesgo el material de los mismos tubos del receptor. Respecto a las sales, se escogerán las Hitec Solar Salt de la compañía Coastal Chemical, puesto que son las más utilizadas en las centrales del sector, compuestas esencialmente por una combinación al 60% de nitrato de sodio (NaNO3) y al 40% de nitrato de potasio (KNO3). Sus propiedades físicas se presentan
en la Tabla 3.5:
Parámetro Valor
Calor especifico promedio, Cps (J/kg.K) 1443 + 0,172 ∙ 𝑇(º𝐶)
Densidad, ρs (kg/m3) 2090 − 0,636 ∙ 𝑇(º𝐶)
Viscosidad, µs (Pa.s) 22,714 − 0,12 ∙ 𝑇(º𝐶) + 2,281 ∙ 10−4∙ 𝑇(º𝐶)2
− 1,474 ∙ 10−7∙ 𝑇(º𝐶)3
Conductividad térmica, ks (W/m.K) 0,443 + 1,9 ∙ 10−4∙ 𝑇(º𝐶)
Para la realización de los cálculos necesarios para obtener el calor que se transmite a los tubos del receptor a partir de los heliostatos se deberá tener en cuenta las condiciones climatológicas del lugar y las características del aire incluidas en las Tablas 3.6, 3.7 y 3.8.
Parámetro Valor Calor especifico, Cpa (J/kg.K) 1005 Densidad, ρa (kg/m3) 1,205 Viscosidad, µa (Pa.s) 1,81 ∙ 10−5 Conductividad térmica, ka (W/m.K) 0,0257 Coeficiente de expansión βa, (1/K) 3,43 ∙ 10−3
Tabla 3.6. Características del aire a 20ºC. Fuente: www.engineeringtoolbox.com
Mes Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre
Temperatura (ºC)
10,7 11,9 14,0 16,0 19,6 23,4 26,8 26,9 24,4 19,5 14,3 11,1
Tabla 3.7. Temperaturas de bulbo húmedo medias para Sevilla. Fuente: Passive-On Project ieea,
The passivhaus standard in european warm climates .
Mes Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre
Temperatura (ºC)
12,5 14,4 17,4 19,2 23,2 28,2 30,0 29,9 26,9 22,3 16,6 13,4
Tabla 3.8. Temperaturas secas exteriores medias para Sevilla durante las horas de sol. Fuente: IDAE, Guía técnica de condiciones climáticas exteriores de proyecto (Sevilla Aeropuerto).
Se tomará como referencia para la presión ambiente Patm (mbar) el valor de 1010,2 mbar obtenido de
los datos meteorológicos de AEMET como promedio para el año 2010 en la estación meteorológica del aeropuerto de Sevilla. La velocidad del viento considerada para todos los cálculos es de 2,89 m/s obtenida de la Guía de condiciones climáticas exteriores de proyecto del IDAE para la estación del aeropuerto de Sevilla.
Para poder estudiar térmicamente el receptor solar, se ha reducido la geometría a la de dos semi-tubos concéntricos, situados uno en frente del otro donde la pared inferior está aislada térmicamente. Esta descripción puede seguirse a través de la Ilustración 3.47 que se mostrará a continuación. La superficie superior se supondrá que emite la radiación reflejada por el campo de helióstatos y a través de ella se pierde la energía que es reflejada hacia el cielo.
Ilustración 3.47. Geometría propuesta para el estudio de la transferencia de calor . Fuente: Modelo
de transferencia de calor en torre y pérdidas de carga. Departamento de Ingeniería Térmica y de
Fluidos de la Universidad Carlos III de Madrid, 2013 .
La potencia térmica reflejada por los helióstatos (G.As) se reparte entre los tubos (Fst.G.As) y la pared
refractaria (Fsr.G.As), según los factores de forma (F) que se sugieren en la Ilustración 3.48. La pared
refractaria irradia hacia el cielo y hacia los tubos, mientras que los tubos irradian hacia las tres superficies: cielo, pared refractaria y los mismos tubos. El esquema de la Ilustración 3.52 muestra cómo son los flujos de intercambio de energía por radiación.
Ilustración 3.48. Esquema de los intercambios de energía por radiación. G es el flujo de irradiación proveniente de los helióstatos. Fuente: Modelo de transferencia de calor en torre y pérdidas de
carga. Departamento de Ingeniería Térmica y de Fluidos de la Universidad Carlos III de Madrid,
2013.