22
C.
Receptor
C.1. De aire sin presurizar
Uno de los receptores volumétricos de aire sin presurizar es el HiTrec-II, el cual surge como mejora del HiTrec-I que presentaba problemas estructurales 19. Su nombre es un acrónimo de High Temperature Receiver, habiéndose conseguido temperaturas medias de salida del aire de 840º C, así como un flujo radiante de 900 kW/m2. La inclusión de materiales cerámicos en la construcción del receptor ha permitido alcanzar estas temperaturas, lo cual es beneficioso para disminuir el tamaño del receptor (y por tanto reducir las pérdidas radiantes y abaratarlo). Además, el material cerámico tiene una mayor vida útil que otros que se podrían usar para absorber el flujo radiante. Un esquema de su funcionamiento es el siguiente:
La radiación incide sobre una superficie con forma de panal de abeja que es la que se encarga de absorber esta radiación.
Los receptores volumétricos de aire convienen que sean de cavidad. Así lo muestra el análisis llevado a cabo en 20, donde se pone de manifiesto en un modelado numérico validado experimentalmente la siguiente tabla:
23 El ARR (Air Return Ratio) debe ser lo más cercano a 1 para que la eficiencia de mezcla del aire a la entrada tenga un valor aceptable, más aun cuando aumentamos la temperatura de salida del aire:
La eficiencia de mezcla del aire se define según:
Donde
20
C.2. De aire presurizado
C.2.1. Elementos
El DIAPR consta fundamentalmente de tres elementos: el receptor volumétrico “Porcupine”, la ventana Frustum-Like High-Pressure (FLHIP) y el concentrador secundario 21.
El “Porcupine” consiste en disponer varios bloques de superficies con aletas en forma de púas que forman en su conjunto un tronco de pirámide. En este tipo de receptores el flujo del aire es cruzado, en dirección transversal a las púas; esta configuración introduce una mayor turbulencia mejorando el intercambio convectivo de calor 22.
La ventana FLHIP tiene como función separar la alta presión del receptor de la presión
ambiente, a la vez que minimizar las pérdidas por reflexión. Se ha llegado a someter con éxito a presiones de 50 bar, se piensa que podría ser diseñado para presiones de hasta 200 bar. Para el caso de una presión de diseño en torno a 20 bar, el grosor de la pared es 2,25 mm, siendo
24 muy transparente a la radiación solar y haciendo despreciables las pérdidas por reflexión en este componente 21. Aquí vemos un ejemplo del diseño de un FLHIP:
23
Para una CRS donde la concentración de luz solar en términos medios es de 5000 kW/m2, el coste específico de la ventana FLHIP está en torno a $10/kW de electricidad24.
El concentrador secundario es el componente en el cual se recoge y se concentra inicialmente la radiación solar reflejada por el campo solar. Es un dispositivo óptico que consta a su vez de tres elementos que lo constituyen: el CPC (Compound Parabolic Concentrator) que refleja lo que le llega a los siguientes componentes, el dieléctrico TIR (Total Internal Reflection) hecho de sílice fundido y el extractor de luz KohinOr que se encarga de extraer la radiación de un medio de alto índice de refracción como es el TIR (n=1,45) hasta la cavidad del receptor donde está el Porcupine (n=1) con las menores pérdidas posibles por reflexión 21. Un esquema de este elemento y sus tres componentes en la siguiente figura:
25
C.2.2. Características
Receptores como el DIAPR son susceptibles de ser diseñados para un amplio rango de funcionamientos, desde pequeñas instalaciones de disco parabólico por debajo de 100 kW hasta plantas de producción de potencia del orden de varios MW 25. Resultados
experimentales del DIAPR trabajando en régimen estacionario se recogen en la siguiente tabla:
25
C.2.3. Tipos
Se han desarrollado receptores volumétricos de aire presurizado, como el DIAPR (Directly Irradiated Annular Pressurized Receiver). Se perseguía concentrar entre 5000 y 10000 veces la radiación solar (4-8 MW/m2) 21. Sobre este receptor puede incidir una radiación de hasta 10MW/m2, obteniéndose condiciones de operación de 1200º C y 20 bar a la salida 25. La superficie que absorbe la radiación se dio en llamar “Porcupine” (puercoespín), y es una superficie recubierta de unas aletas en forma de púas, como se ve en la imagen, que absorben la radiación:
26 También presurizado es el receptor que se ha desarrollado para el proyecto REFOS, un sistema híbrido solar y turbina de gas donde el campo solar tiene la misión de precalentar el aire a la salida del compresor. Su aplicación en el ciclo combinado sería la siguiente:
15
Durante los ensayos con este receptor se observó una eficiencia del 63-75%. Con mejoras en el aislamiento, se consiguió un rendimiento de hasta el 86% en el punto de diseño. Una de las características importantes de este receptor es la reducida pérdida de carga que sufre el aire al atravesarlo (en torno a 18 mbar), lo cual es de capital importancia en la aplicación de turbina de gas.
27 Este mismo concepto de receptor se aplicó en el posterior proyecto SOLGATE, que también integraba un sistema solar de concentración con una turbina de gas:
26
Con el desarrollo de ciertas mejoras en torno a la superficie de absorción de radiación y a la refrigeración de la ventana de cuarzo, se consiguen temperaturas de salida del aire de hasta 1000º C. Esto lleva, como cabía esperar, a un peor rendimiento que su antecesor en REFOS (en torno al 78%); si bien podría justificarse por la mejora que supone para el ciclo el aumento de temperatura del aire.
C.2.4. Materiales
El desarrollo del receptor DIAPR se hizo posible gracias a la inclusión de dos nuevos
componentes que no se habían utilizado hasta entonces: el receptor volumétrico cerámico (“Porcupine”) y la ventana de cuarzo fundido, denominada FLHIP (“Frustum-Like High Pressure”) 25.
El cuarzo fundido con el que se fabrica el FLHIP soporta una tensión a compresión 23 veces mayor que la que soporta a tracción, que a su vez, es 2,5 veces más alta que la de un acero al carbono. Por ello es necesario asegurar que toda la ventana estará trabajando en todo
28 momento a compresión, sin que ninguno de sus puntos esté en ningún sometido a esfuerzos de tracción 21.
Aparte de los tubos cerámicos que integra el receptor “Porcupine”, existen otros absorbedores para receptores volumétricos de aire construidos a base de mallas metálicas (en el caso de PHOEBUS) y otros a partir de material cerámico muy poroso 27. Este último es una espuma cerámica de carburo de silicio, por ejemplo, que presenta el siguiente aspecto a simple vista y al microscopio:
27
C.3. De sales fundidas
A raíz del desarrollo de las instalaciones con sales fundidas como fluido calor-portador, surge el diseño de receptores con cavidad para sales fundidas. Esto no es más que un receptor de tubos por cuyo interior fluyen las sales fundidas. Al ser las sales fundidas un fluido cuyo uso como fluido calor-portador no está técnicamente desarrollado, el diseño de este receptor necesita ser estudiado en particular:
