Modelado y simulación de una planta solar Fresnel de refrigeración
Abstract
Este Trabajo de Fin de Grado trata sobre el modelado y simulación de la planta de refrigeración solar ubicada en el techo del edificio de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla. La planta está compuesta por tres elementos principales: un campo de colectores solares de Fresnel, una máquina de absorción de doble efecto y un acumulador de energía. El campo solar calienta el agua y es utilizada por la máquina de absorción para producir aire acondicionado para el edificio. Si la radiación solar disponible no es lo suficientemente alta como para alcanzar la temperatura adecuada para el enfriador de agua, el acumulador de energía se puede usar si está cargado. Cada componente se describe con detalle en el trabajo. Se desarrolla y presenta un modelo matemático de los tres componentes y las tuberías que los conectan. Los modelos desarrollados tienen como objetivo obtener un comportamiento similar en comparación con los reales, y de este modo, tener una adecuada compensación entre complejidad y precisión. Los modelos muy complejos replican más exactamente el comportamiento de los sistemas reales al costo de aumentar dramáticamente la carga computacional. Dado que uno de los objetivos del desarrollo de este modelo es su utilización como un banco de pruebas para las estrategias de control, se debe descartar un modelo muy complejo. Los modelos desarrollados en este trabajo se comparan con datos reales obtenidos de la planta real. También se proporcionan algunas simulaciones utilizando el modelo agregado de la planta de refrigeración solar.
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Proyecto Fin de Carrera Ingeniería de Telecomunicación Formato de Publicación de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Autor: F. Javier Payán Somet Tutor: Juan José Murillo Fuentes Dep. Teoría de la Señal y Comunicaciones Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2013 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería Electrónica, Robótica y Mecatrónica Modelado y simulación de una planta solar Fresnel de refrigeración Autor: Luis González Parrilla Tutor: Eduardo Fernández Camacho y Antonio Javier Gallego Len Dpto. Ingeniería de Sistemas y Automática Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2019
Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería Electrónica, Robótica y Mecatrónica Modelado y simulación de una planta solar Fresnel de refrigeración Autor: Luis González Parrilla Tutor: Eduardo Fernández Camacho y Antonio Javier Gallego Len Catedrático de Universidad y Profesor Asociado Dpto. Ingeniería de Sistemas y Automática Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2019
Trabajo Fin de Grado: Modelado y simulación de una planta solar Fresnel de refrigeración Autor: Luis González Parrilla Tutor: Eduardo Fernández Camacho y Antonio Javier Gallego Len El tribunal nombrado para juzgar el trabajo arriba indicado, compuesto por los siguientes profesores: Presidente: Vocal/es: Secretario: acuerdan otorgarle la calificación de: El Secretario del Tribunal Fecha:
Agradecimientos Debo agradecerles a muchos familiares, compañeros y amigos la ayuda que me han prestado durante la realización de este Trabajo Fin de Grado, y especialmente a mis padres y mi hermano por su motivación, dedicación e infinita paciencia. Agradezco mucho a los profesores Antonio Javier Gallego Len y Eduardo Fernández Camacho por tutelar este trabajo, por su tiempo, su ayuda y sus buenos consejos. Luis González Parrilla Sevilla, 2019 I
Resumen Este Trabajo de Fin de Grado trata sobre el modelado y simulación de la planta de refrigeración solar ubicada en el techo del edificio de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla. La planta está compuesta por tres elementos principales: un campo de colectores solares de Fresnel, una máquina de absorción de doble efecto y un acumulador de energía. El campo solar calienta el agua y es utilizada por la máquina de absorción para producir aire acondicionado para el edificio. Si la radiación solar disponible no es lo suficientemente alta como para alcanzar la temperatura adecuada para el enfriador de agua, el acumulador de energía se puede usar si está cargado. Cada componente se describe con detalle en el trabajo. Se desarrolla y presenta un modelo matemático de los tres componentes y las tuberías que los conectan. Los modelos desarrollados tienen como objetivo obtener un comportamiento similar en comparación con los reales, y de este modo, tener una adecuada compensación entre complejidad y precisión. Los modelos muy complejos replican más exactamente el comportamiento de los sistemas reales al costo de aumentar dramáticamente la carga computacional. Dado que uno de los objetivos del desarrollo de este modelo es su utilización como un banco de pruebas para las estrategias de control, se debe descartar un modelo muy complejo. Los modelos desarrollados en este trabajo se comparan con datos reales obtenidos de la planta real. También se proporcionan algunas simulaciones utilizando el modelo agregado de la planta de refrigeración solar. III
2Capítulo 1. Introducción PRS a través de un proyecto de la “Corporación Tecnológica de Andalucía” (CTA), presentado por la compañia “Gas Natural” y con la participación de los grupos de investigación de Termotecnia y de Ingeniería de Sistemas de la ETSI de la Universidad de Sevilla. Así, en el año 2008, la compañía energética Gas Natural puso en marcha, con una inversión de 1.3 millones de euros, una instalación piloto de refrigeración solar en colaboración con la ETSI y con la financiación del 40 por ciento de la CTA. El sistema estuvo listo en 2009, fecha de finalización del proyecto en la que Gas Natural cedió la planta a la Universidad de Sevilla [?]. El objetivo principal de esta infraestructura, que en esas fechas era la primera en Europa con concentradores de Fresnel y una máquina de absorción de doble efecto, la cual permitía un mayor aprovechamiento de la energía solar para obtener frío apto para sistemas de climatización, fue la de disponer de una herramienta de estudio que permitiese establecer los parámetros técnicos, económicos y medioambientales del diseño de este tipo de instalaciones para el sector terciario, mediante un sistema de control y monitorización adecuado. Asimismo, se pretendía disponer de una instalación de referencia en el sector energético para demostrar la viabilidad técnica de estas aplicaciones. De esta forma, uno de los edificios de la ETSI cuenta en su azotea (ver Figura 1.1 derecha) con 352 m2 de concentradores lineales de Fresnel, que aprovechando la radiación solar, calientan un caudal de 12 m3/h de agua hasta una temperatura objetivo de 180 ◦C . Si la temperatura excede de los 190 ◦C todos los espejos son dirigidos hacia abajo por el sistema de control debido a razones de seguridad. El fluido caloportador es enviado a la máquina de absorción de doble efecto que tiene una capacidad nominal de 174 kW con un Coeficiente de Rendimiento (COP) nominal de 1.34 . Con esta PRS se busca cubrir el consumo de la ETSI en calefacción y refrigeración (ver Figura 1.2). Figura 1.2 Esquema general inicial de la PRS de la ETSI de Sevilla (año 2009). Como dato muy interesante, señalar que durante un día de funcionamiento normal, la energía media diaria que es necesario aportar al generador de la máquina de absorción es de 950 kW h . De los cuales, el 25% aproximadamente es aportado por una caldera de Gas Natural (250 kW h ) y el resto es aportado por los captadores solares (700 kW h ). De esta forma, la instalación de captadores solares permite que los 700 kW h diarios no se produzcan en la caldera, evitándose la emisión a la atmosfera de unas 60 toneladas de CO2al año. El coste de los equipos rondó los 725 000 euros incluyendo los materiales y la instalación de éstos, siendo el elemento más costoso, el campo de captadores lineales de Fresnel, que superó los 300 000 euros. En este sentido la Secretaría General de Desarrollo Industrial y Energético de la
1.2 Breve descripción del funcionamiento de la Planta de Refrigeración Solar de la ETSI 3 Junta de Andalucía en ese momento 1 indicó, en rueda de prensa, que este nuevo sistema abría “unas perspectivas enormes” al sector terciario para el uso de este tipo de tecnología que en principio “supone unas inversiones más altas, pero que son amortizadas debido al ahorro que realizan”. En esos años se señalaba, como ha ocurrido posteriormente, que el gasto en equipos se rebajarán en los próximos años ante la fabricación en serie de los dispositivos, ya que el PRS instalado en Sevilla es el primero de su categoría 2 , sólo comparable a la tecnología similar instalada en una planta en Israel y otra en Sabadell (Barcelona). Con posterioridad a la implantación de la PRS de la ETSI, diferentes estudios concluyeron y luego fueron validados 3 , que los captadores solares de Fresnel son una tecnología fiable y segura; y sobretodo, que con condiciones de radiación favorables, parte de los espejos del captador solar se desenfocan del tubo receptor (desde el sistema de control) debido a que la máquina de absorción no es capaz de absorber toda la potencia térmica producida por el campo solar y ello planteó la necesidad de disponer de un sistema de almacenamiento. De esta forma, el esquema de la planta (ver Figura 1.3) paso a incorporar un tanque de acumulación de energía con un peso de más de 8 Tm lleno, con una capacidad de almacenamiento de 291 KWh y una potencia máxima de 150 KW . Figura 1.3 Esquema general actual de la PRS de la ETSI de Sevilla. 1.2 Breve descripción del funcionamiento de la Planta de Refrigeración Solar de la ETSI Esta planta de refrigeración solar funciona a partir de un campo de captadores solares lineales de Fresnel que recoge la radiación del sol con objeto de calentar agua hasta unos 180 ◦C . El agua a esta temperatura se utiliza para accionar una máquina climatizadora que transforma la energía térmica en frío, el cual es apto para la climatización de las dependencias de la ETSI. Este tipo de funcionamiento ocurre cuando se necesita generar frio. Sin embargo, en invierno puede cambiar de funcionamiento para producir calor, lo cual lleva a cabo con un rendimiento del 95%. Como todos los equipos de este tipo, precisa de un sistema de disipación del calor generado en el absorbedor y en el condensador, para lo cual se utiliza un sistema de captación de agua que actúa 1https://www.ambientum.com/ambientum/energia/gas-natural-desarrolla-sevilla-primera-planta-frio-solar-europa.asp 2http://elcorreoweb.es/historico/la-primera-planta-de-refrigeracion-solar-de-europa-esta-en-cartuja-CDEC142374 3 Uno de los más reciente fue presentado por el profesor F. Javier Pino Lucena, en una presentación de la “Plataforma Tecnológica SOLAR CONCENTRA” el 18 de diciembre de 2017 [?].
4Capítulo 1. Introducción como sistema de refrigeración. En concreto, se aprovecha el circuito de agua de captación del río Guadalquivir que se creó para todos los edificios de la Exposición Universal del año 1992 (Expo’92) de la Isla de la Cartuja (Sevilla). Adicionalmente, la máquina de absorción instalada incorpora un quemador de gas natural que entra en funcionamiento como fuente de energía auxiliar, de forma que se garantice la disponibilidad del servicio en momentos de carencia de potencia térmica desde el lado solar. Es decir, cuando la irradiación es insuficiente para accionar la máquina de absorción, la energía proporcionada por el gas natural sirve de apoyo para mantener el proceso en funcionamiento. En la Figura 1.4 puede seguirse de forma más clara como es el funcionamiento general de la PRS de la ETSI (Sevilla). 1.3 Objetivos del Trabajo Fin de Grado El objetivo de este trabajo es muy simple de enunciar: Se pretende llevar a cabo una simulación de las tres principales componentes de la planta de refrigeración solar de la Escuelta Técnica Superior de Ingeniería de la Universidad de Sevilla: Captadores Solares lineales de Fresnel, Acumulador de Energía y Máquina de Absorción de doble efecto. Una vez completadas estas simulaciones, pasar a simular la planta completa. La mayor parte del tiempo necesario para completar este trabajo se encuentra en la programación en Matlab. Indicar que parte de esta programación se ha basado en trabajos previos. Por ello: El principal objetivo que se pretende con este trabajo es que todo el material que de él salga, sobretodo los paquetes de Matlab, sea utilizado en el futuro por cualquier persona. 1.4 Estructura del Trabajo Fin de Grado En lo que sigue, este documento se estructura de la siguiente forma: • En el Capítulo 2 se analizan brevemente los captadores solares parabólicos y se comenta las ventajas y desventajas respecto a los captadores lineales de Fresnel, para a continuación describir el funcionamiento de estos últimos; y plantear las ecuaciones que rigen su funcionamiento. Se particulariza a las especificaciones de aquellos de la ETSI de Sevilla y se modelizan éstos. Una simulación es llevada a cabo donde se analiza el comportamiento de la modelización con respecto a datos reales proporcionados por los sensores de la planta. • La misma estructura del Capítulo 2 es seguida en el Capítulo 3 sobre un acumulador de energía. En este capítulo se lleva a cabo varias simulaciones. La primera, analiza el comportamiento de la masa de la hidroquinona en los diferentes estados dentro del modelo con el fin de ver si sigue un comportamiento lógico. A continuación, se enlazan en serie los captadores solares con el acumulador de energía y se analiza el comportamiento de la temperatura del agua en diferentes puntos de este sistema simplificado. • El mismo tratamiento dado al acumulador de energía es realizado en el Capítulo 4 a la máquina de absorción. Así, se analiza a través de una simulación, el comportamiento individualizado de los componentes principales de ésta y, a continuación, se enlazan en serie los
1.4 Estructura del Trabajo Fin de Grado 5 Figura 1.4 Esquema general comentado de la PRS de la ETSI (Sevilla) [?].
6Capítulo 1. Introducción captadores solares y se analiza el comportamiento de la temperatura del agua en diferentes puntos de este nuevo sistema simplificado. • En los tres capítulos anteriores se ha insistido mucho en comprobar la calidad de la modelización, primero viendo si ésta captaba el comportamiento real del agua en los puntos más importante de los sistemas considerados, y después cuantificando el error cometido utilizando los cuatro indicadores básicos: Error medio, Raíz cuadrada del error cuadrático medio, Error absoluto medio y Error absoluto porcentual medio. Por ello, el sistema formado por Captadores Solares, Acumulador de Energía y Máquina de Absorción es modelizado en el Capítulo 5 . En éste siguiendo la metodología de los capítulos anteriores se incide en llevar a cabo diferentes simulaciones y se analizan los resultados. • Se finaliza el trabajo con un apartado sobre conclusiones y se presenta la bibliografía básica que ha sido usada para su elaboración.
2 Captadores Solares lineales de Fresnel En este capítulo se comienza presentando las características principales de los captadores solares parabólicos, para a continuación, estudiar los captadores solares lineales de Fresnel, en concreto, el que se encuentra en las instalaciones de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería (Sevilla). Para ello, primero se indica su funcionamiento y descripción, y posteriormente se realiza su diseño e implementación. Dentro de este capítulo también se describe el comportamiento de la temperatura del agua dentro de una tubería. Finalmente, se lleva a cabo unas simulaciones y se analiza el comportamiento de las temperaturas generadas dentro y fuera del colector solar y se presentan los resultados obtenidos. Ante de comenzar el desarrollo del tema, señalar que un artículo muy recomendable para comprender la importancia y la evolución histórica de la energía solar es el realizado por el profesor Baharoon y otros [?]. 2.1 Funcionamiento y Descripción Los captadores (concentradores o colectores) solares lineales de tipo Fresnel son sistemas de seguimiento solar en un eje que siguen el mismo funcionamiento que los colectores parabólicos. Un colector parabólico está compuesto por un canal cuyo perfil tiene forma de parábola, y esta geometría permite que la radiación solar que incide paralela al eje focal de la parábola se concentre en una línea focal donde se coloca un tubo receptor que contiene un fluido que se calienta cuando el tubo absorbe la radiación solar (ver Figuras 2.1 y 2.2). Figura 2.1 Geometría de los captadores solares parabólicos. El punto rojo representa el foco de la parábola. Frente al tradicional colector parabólico, surge la opción de los concentradores lineales de Fresnel, que representan una aproximación de un canal parabólico. Este tipo de concentradores 7
8Capítulo 2. Captadores Solares lineales de Fresnel Figura 2.2 Incidencia de los rayos solares en un captador solar parabólico real. pueden considerarse como un particionamiento (aproximación de primer orden, lineal) de un perfil parabólico y los segmentos, por comodidad, son colocados en una superficie plana (ver Figuras 2.3 y 2.4). Figura 2.3 Geometría lineal de los captadores solares de Fresnel. El punto rojo representa el foco donde inciden los rayos solares. Figura 2.4 Incidencia de los rayos solares en un captador solar lineal de Fresnel real. La idea del captador de Fresnel es lograr mantener fija la zona focal del concentrador y, a cambio
2.1 Funcionamiento y Descripción 9 de ello, los delgados segmentos del concentrador redireccionan la radiación solar a la zona focal del sistema. Entre las ventajas de este sistema puede mencionarse que: • Los motores y el sistema mecánico y estructural son más económicos que en el caso de un canal parabólico convencional. Es fácil hacerse una idea de ello sin más que ver las Figuras 2.2 y 2.4. • Si los segmentos (reflectores) son suficientemente delgados, pueden ser aproximados por segmentos planos en lugar de tener una determinada curvatura, esto hace aun más barata su construcción. Dichos reflectores son los que se mueven en función del movimiento solar y la época del año. • El diseño estructural es más económico por estar a nivel del suelo y se aprovecha mejor la superficie, al poder colocarse uno tras otro sin sombreamientos entre varios sistemas. Al estar a nivel del suelo, también resulta más fácil su mantenimiento y limpieza. • Este tipo de colector puede calentar el agua en torno a los 450 ◦C - 500 ◦C . Aunque por motivo de seguridad se fija un umbral de funcionamiento muy por debajo de esas cantidades [?]. Sin embargo, este tipo de sistemas tienen un factor de concentración de la energía solar menor que los captadores parabólicos debido a las sombras entre espejos y a no formar una parábola perfecta. En breve, si se lleva a cabo una comparación entre un concentrador lineal de Fresnel y un concentrador cilindro parabólico, se debe señalar que la forma curva de los espejos de los concentradores parabólicos permiten que su eficiencia alcance hasta un 15% más que los espejos de los concentradores Fresnel. Sin embargo, el uso de este tipo de espejos Fresnel proporcionan un gran ahorro en costes y material. Es decir, debido a la simplicidad de su desarrollo y función hacen que se produzca una reducción en el rendimiento 1 , consiguiendo de esta forma que la estructura sea más ligera y que los espejos, los cimientos y las uniones al circuito hidráulico, en general, sean más sencillas y económicas. Además si se tiene en cuenta que los sistemas Fresnel termosolares no requieren grandes separaciones entre colectores, éstos ocuparán menos espacio y de esta forma se puede minimizar la pérdida de rendimiento con respecto a los captadores parabólicos al poder añadir más colectores en la superficie. Como resumen de lo anterior y completando otro aspectos se muestra la Tabla 2.1 donde se recoge las principales diferencias entre la tecnología de los captadores parabólicos y los captadores lineales de Fresnel [?,?]. Respecto al funcionamiento general de un campo de captadores solares de Fresnel [ ? ], éste puede seguirse fácilmente a partir de la Figura 2.5, donde se observa que: • Los rayos solares inciden sobre los paneles solares, cuyo radio de curvatura (geometría parabólica) provoca que estos rayos sean reflejados (incidan) en su foco (línea focal) donde se encuentra el tubo receptor/absorbedor. • Debido a las diferentes posiciones de los paneles, cada uno de ellos refleja y concentra la luz de diferentes formas y en diferentes cantidades. Por ello es necesario que cada panel tenga un mecanismo de control propio que le permita seguir la trayectoria del sol a lo largo del día de forma independiente unos paneles de otros y, de este modo, pueden reflejar una mayor cantidad de rayos solares sobre el tubo receptor. De esta forma se intenta máximizar el rendimiento del colector solar [?,?]. • Alrededor de dicho tubo absorbedor se encuentra un espejo reflector secundario para asegurarse que la mayor cantidad posible de rayos incidan sobre el mismo. De igual manera que antes, buscando mejorar el rendimiento del captador. 1https://www.laenergíasolar.org/energía-termica-solar/fresnel-termosolar/
10 Capítulo 2. Captadores Solares lineales de Fresnel Tabla 2.1 Diferencia entre la tecnología de los captadores parabólicos y los captadores lineales de Fresnel [?,?]. Componente Tecnología Parabólica Tecnología Lineal Fresnel Espejos Forma de parábola Montada sobre fondo plano (Producción en masa estandarizada) Receptor Se mueve con todo el sistema de Fijado y separado canal alrededor del centro de masa del sistema reflector Estructura base Pesada Ligera Sistema de Tuberías Necesita conexiones flexibles No necesita Instalación On-site Toma largo tiempo Rápida y fácil Cargas de viento en colector Alta Baja Superficie de espejos por receptor Más baja que en Fresnel Más alta que en parabólico Eficiencia óptica Alta Baja Uso del suelo Alta Baja Figura 2.5 Esquema de la incidencia de los rayos solares en un captador lineal de Fresnel. • A continuación, los rayos solares calientan el exterior del tubo absorbedor y se produce una transmisión de calor a lo largo del espesor del mismo, dentro del cual circula un fluido calotransportador, en este caso agua, que es calentado. De esta forma, gracias a esa transferencia de calor y a la longitud del tubo receptor, la temperatura del agua se incrementa durante su viaje a través del tubo, para posteriormente ser el agua caliente dirigida al resto de los componentes de la planta, ayudada por una bomba de inyección qué la hace circular. Con respecto al captador que se encuentra en el techo de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de la Universidad de Sevilla, las especificaciones de dicho captador serán las utilizadas para simular y analizar su funcionamiento. Mirando con detalle las siguientes figuras se puede observar que el campo de captadores solares Fresnel están constituidos por: • Una serie de paneles reflectores de vidrio con un radio de curvatura alto (entre 8,6 y 10,6 m) (ver Figura 2.6), cuyas características principales se recogen en la Tabla 2.2. •Un tubo receptor de cristal y metal situado en paralelo por encima de los paneles y rodeado de un espejo reflector secundario (ver Figura 2.7). Las dimensiones y propiedades del tubo receptor y del reflector secundario se recogen en las Tablas 2.3 y 2.4.
2.1 Funcionamiento y Descripción 11 Tabla 2.2 Características del sistema de captación solar de Fresnel de la ETSI de Sevilla. Concepto Características Extensión de terreno ocupada 480 m2 Superficie reflectora total 352 m2 Orientación planta Este-Oeste (18◦) Número de líneas receptoras 1 Longitud línea receptor 64 m Tipo de receptor De cavidad con reflector secundario y de cubierta de vidrio Altura línea receptor 4 msobre los espejos Anchura receptor 0.3 m Tipo absorbedor Tubo de acero DIN 1.4541 (AISI 321): Acero inoxidable austenítico estabilizado Fluido de trabajo Agua líquida saturada Generación de vapor No Presión de diseño 13 bar Número de filas de receptores por línea de absorbedor 22 filas Longitud de cada módulo receptor 4 m Anchura reflector 0.5 m Número total de reflectores 176 Reflectividad 0.92 Relación de concentración 25 Potencia Térmica Nominal 120 KW Fabricante PSE-MIRROXX (Alemania) Tabla 2.3 Dimensiones y propiedades del tubo receptor. Propiedades Tubo absorbedor Cubierta de vidrio Emisividad 0.14 0.10 Absortividad 0.94 0.06 Transmisividad - 0.96 Conductividad 16.3 W/mK 0.8 W/mK Diámetro exterior 70 mm 125 mm Espesor 2.1 mm 3mm Longitud 64 m64 m Modelo del tubo de absorción SCHOTT PTR ©70 Tabla 2.4 Dimensiones y propiedades del reflector secundario. Propiedades Dimensiones Absortividad 0.1 Emisividad 0.1 Conductividad 20 W/mK Longitud 64 m Diámetro exterior 165 mm Espesor 5 mm
18 Capítulo 2. Captadores Solares lineales de Fresnel Figura 2.14 Interpolación lineal. Los puntos originales se muestran en rojo y los puntos obtenidos por interpolación en azul. Con respecto a la tubería se ha considerado una longitud de 250 metros, un diámetro de 0.2 metros y un perfil con 25 trozos (incx =10). Uniéndose ambos componentes y realizando una simulación se obtienen las Figuras 2.15 y 2.16, las cuales se pasan a comentar: Figura 2.15 Irradiación solar correspondiente al 29 de junio de 2009 en el techo de ETSI (Sevilla). • En la Figura 2.15 se observa el comportamiento de la irradiancia solar a lo largo del dia 29 de junio de 2009. Dicho comportamiento general consiste en un incremento de la irradiancia a lo largo de las horas de la mañana y un posterior descenso debido al recorrido del sol cuando avanza la tarde. También se destacan unos picos de descenso muy pronunciados a ciertas horas del día, provocados seguramente por la aparición de nubes, las cuales ocultan el sol e impiden que sus rayos lleguen a los paneles. • En la Figura 2.16, se puede apreciar el comportamiento de las diferentes temperaturas del agua dentro del modelo simulado desde las 11:30 de la mañana 2 hasta las 18:00 de la tarde. Así, se observa que la temperatura de entrada del agua (línea azul) en los captadores sigue una evolución predeterminada obtenida de los datos reales, y la temperatura de salida del 2Se elige esta hora ya que es el inicio de operación de la máquina de absorción.
2.4 Simulación y Resultados 19 Figura 2.16 Temperatura del agua en diferentes puntos del sistema captador + tubería obtenidas en la simulación. agua (línea roja) de los captadores es mayor, es decir, el agua que ha pasado a través del tubo receptor se ha calentando. Además, la temperatura del agua a la salida de los captadores sigue una evolución coherente con los cambios en la irradiancia solar. Así, al principio la temperatura de salida va creciendo hasta la llegada a las horas centrales, a partir de las cuales empieza a decrecer de forma suave. Los picos de decrecimiento en la irradiancia, se observa también en la temperatura de salida, pero con un menor efecto como cabe esperar. A continuación, el agua calentada que sale de los captadores entra en la tubería y finalmente sale de ésta (linea verde). El comportamiento de la salida del agua de la tubería es como sigue: • Al principio, el agua empiece siendo más fría que a la entrada de los captadores. Esto es debido a que las paredes de la tubería están a muy baja temperatura y en el proceso de transmisión de calor, el agua debe ceder mucha energía para ir poco a poco calentando el perfil de la tubería (Figura 2.16, zona 1). • Al cabo del tiempo, la temperatura de salida del agua de la tubería empieza a ser superior a la temperatura de entrada en los captadores y se mantiene así hasta el final de la simulación. Ello es debido a que el agua caliente ha estado calentando también las paredes de la tubería y la pérdida de calor del agua ya no es tan grande como al principio. Al ser la transmisión de calor del agua inferior, motiva que la temperatura del agua a la salida de la tubería sea menor que la temperatura a la salida de los captadores (Figura 2.16, zona 2). • Hay que tener en cuenta que la temperatura a la salida de dicha tubería presenta un cierto tiempo de retraso con la proporcionada por la salida de los captadores, debido al tiempo que necesita el agua para recorrer la tubería. Ello se puede ver gráficamente observando como los picos en la temperatura de salida del colector se reproduce en los picos de la temperatura de salida de la tubería un poco más tarde (ver Figura 2.17).
20 Capítulo 2. Captadores Solares lineales de Fresnel Es muy importante señalar lo apuntado al final de la Sección 2.3 referente a la pérdida de calor del agua cuando atraviesa la tubería. Sin ser muy preciso, a la vista de la Figura 2.17, se sigue de los picos de las temperaturas de entrada, salida del agua de los captadores y de salida de la tubería, que se pierde alrededor del 50% de la temperatura del agua ganada en los captadores de Fresnel. Figura 2.17 Visualización de la ganacia de temperatura del agua en los captadores y la pérdida de la misma a su paso por la tubería. Por ejemplo, si nos fijamos en los resultados en torno a las 15 horas del día, se ve en los picos de las temperaturas del agua, que gracias a los captadores solares se gana unos cuatro grados, pero en el recorrido por la tubería se pierde aproximadamente dos grados. Volviendo de nuevo a la temperatura de salida proporcionada por la modelización de los captadores solares, es necesario comprobar si el modelo se aproxima suficientemente bien a la realidad y esto es posible verlo puesto que conocemos cual ha sido la temperatura real proporcionada por los sensores de temperatura en los captadores. De esta forma en la Figura 2.18 se ha representado ambas temperaturas, así como el error cometido por la modelización. En dicha figura se observa que el modelo replica bien el comportamiento real. Sin embargo, se observa que siempre proporciona un valor menor al real. Con objeto de cuantificar los errores, denotados por e= (e1,e2,··· ,en)T , donde ei=Mi−Ri siendo Miel valor proporcionado por el modelo y Riel valor real, se han utilizado los indicadores mostrados en la Tabla 2.7. En dicha tabla también se muestran los valores de estos indicadores para la modelización llevada a cabo con los captadores solares. Si se analizan estos indicadores, se puede señalar que el error medio es negativo lo que significa, como se dijo anteriormente, que el modelo tiende a subestimar la temperatura real y en este caso ocurre con todas y cada una de las mediciones puesto que EM y EAM coincide exactamente salvo en el signo. Los indicadores anteriores son indicadores absoluto, lo cual hace que no se puede
2.4 Simulación y Resultados 21 Figura 2.18 Comparativa gráfica entre la temperatura real y la temperatura modelada del agua en la salida de los captadores solares del día 29 de junio de 2009. Tabla 2.7 Indicadores de calidad del error. Errores en la modelización del captador solar del día 29/06/2009. Indicador Ecuación Captador Error Medio (EM)1 n n ∑ i=1 ei−3.73 Raiz Error Cuadrático Medio (RECM)s1 n n ∑ i=1 e2 i3.84 Error Absoluto Medio (EAM)1 n n ∑ i=1 |ei|3.73 Error Absoluto Porcentual Medio (EAPM)(%)100 ·1 n n ∑ i=1 ei Ri 2.36 cuantificar suficientemente bien la bondad de la modelización 3 , por ello resulta más interesante ver el EAPM que nos dice que el modelo se equivoca en cada medición entorno a un 2.36 % , el cual en una primera modelización, como la que se ha realizado en este trabajo, creemos que resulta aceptable. 3 Esto se puede entender mejor con el siguiente ejemplo: Al calcular una distancia, no podemos equivocar en 3 m , pero no es lo mismo ese error en medir la distancia entre dos alumnos que se encuentran en el mismo aula de la ETSI que ese error en medir la distancia entre dos ciudades de Andalucía.
3 Acumulador de Energía En este capítulo se estudian los acumuladores de energía, y en concreto el que se encuentra ubicado en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de la Universidad de Sevilla. Para ello, primero se indica su funcionamiento y descripción, para a continuación realizar su diseño e implementación. Finalmente se lleva a cabo dos simulaciones; en la primera se ve el comportamiento de las temperaturas dentro del acumulador; y en la segunda, se monta el captador solar con el acumulador en serie y se analizan los resultados. 3.1 Funcionamiento Un acumulador de energía es un sistema de almacenamiento en forma de calor latente (ver Figura 3.1). Este tipo de almacenamiento consiste en calentar un determinado material con unas características especiales hasta conseguir que se produzca un cambio de fase (sólido 7→ líquido o líquido 7→ gaseoso). Sin embargo, la mayoría de estos materiales presentan el gran inconveniente de tener un Figura 3.1 Acumulador de Energía de la ETSI de la Universidad de Sevilla. bajo coeficiente de conductividad del calor, por lo que se deben emplear métodos de mejora de la 23
24 Capítulo 3. Acumulador de Energía transmisión energética para así aumentar el rendimiento y la utilidad del sistema de almacenamiento. Estos acumuladores tienen la ventaja de ser una fuente de calor con una gran densidad de almacenamiento que permite suministrar energía a una temperatura constante. A esta energía se la denomina calor latente de fusión (sólido 7→ líquido) o de vaporización (líquido 7→ Gaseoso), según el caso. Este proceso físico se utiliza para almacenar energía en forma de calor hasta que sea necesaria, momento en el cual se producirá el proceso inverso (líquido 7→ sólido o gaseoso 7→ líquido) y se podrá recuperar gran parte de la energía inicial suministrada. Los materiales usados para almacenar energía térmica en forma de calor latente son conocidos como “Phase Change Materials” (abreviadamente PCMs). En concreto, el material usado para almacenar la energía en el acumulador de la ETSI es la hidroquinona y el almacenamiento que tiene lugar es de calor latente en fase sólida 7→ líquida. Dicho tipo de almacenamiento en calor latente es el más desarrollado y aplicado en casos reales. El tanque de almacenamiento de energía es un intercambiador de calor carcasa-tubo que consiste en una serie de tubos por donde circula el fluido caloportador y el PCM se encuentra rellenando el espacio entre los tubos y la carcasa. Durante el proceso que se produce en el acumulador, el PCM absorbe o cede una enorme cantidad de energía calorífica del fluido que le permite, si se supera determinados umbrales, hasta cambiar de fase. Este sistema de almacenamiento térmico dentro de la PRS de la ETSI es necesario para los momentos en que existe un exceso de producción de energía por parte de los captadores solares y la demanda de otros equipos de la planta no requieren toda la energía producida. De esta forma, la energía acumulada puede utilizarse en los momentos que la temperatura de los captadores solares esté por debajo de la necesitada por el resto de equipos de la planta. También se suele usar al principio del día para aprovechar la energía de los captadores para cargar el acumulador y de esta forma tenerla disponible a lo largo del día por si fuese necesario proporcionar energía al resto de la planta. El proceso de fusión que se produce en el acumulador es como sigue: Si nos fijamos en la Figura 3.2, se puede observar un modelo simplificado de un tanque de tubos de un acumulador Figura 3.2 Modelo simplificado de un tanque de tubos de un acumulador de energía. de energía que puede ayudarnos con la explicación. Así, el fluido va atravesando el tubo a una alta temperatura y por conducción transmite el calor al material que se encuentra recubriendo el tubo, inicialmente en estado sólido (Agua 7→ Metal del tubo 7→ PCM – conducción). Este material conforme va aumentando su temperatura forma una película líquida alrededor del sólido, la cual se va expandiendo transmitiendose el calor dentro del material por convección natural (PCM 7→ PCM – convección). El proceso de solidificación, por otra parte, está dominado fundamentalmente por procesos conductivos, salvo por la fase inicial con predominancia de la convección natural. En la Figura 3.3 se observa como tras el paso de un fluido a temperatura superior a la de fusión del material PCM se produce un proceso de cambio de fase de sólido a líquido [ ? ]. Se muestra en
3.2 Descripción 25 diferentes secciones del sistema de tuberías y a diversos instantes de tiempo (1, 2 y 5 horas). La figura muestra cómo la fracción líquida (en color rojo) alrededor del tubo va creciendo en detrimento de la fracción sólida (en color azul) aproximadamente de forma constante a lo largo del tiempo y a lo largo de todas las secciones. Figura 3.3 Secciones transversales de un sistema PCM en diferentes momentos del cambio de fase para diferentes puntos del almacenador. Rojo indica líquido y azul indica sólido. 3.2 Descripción El acumulador de energía de la ETSI es un intercambiador de calor formado por un conjunto de tubos dentro de una carcasa. Este acumulador consta de 3 pasos, de 109 tubos, cada uno de 6 metros de longitud, de manera que el recorrido total de cada uno de los 109 tubos dentro del tanque es de 18 metros. El esquema del acumulador se muestra en la Figura 3.4 y sus características se indican en la Tabla 3.1. Figura 3.4 Esquema del acumulador de la ETSI de Sevilla. Por el interior de los tubos circula el fluido que transporta el calor, en este caso el agua procedente de los captadores de Fresnel, y en el espacio que se encuentra entre los tubos y la carcasa se encuentra el material de cambio de fase, la hidroquinona 1 (ver Figura 3.5) cuyas características 2 se recogen en la Tabla 3.2. 1Dihidroxibenceno, Hidroquinol, Bencenodiol 2http://www.insht.es/InshtWeb/Contenidos/Documentacion/FichasTecnicas/FISQ/Ficheros/101a200/nspn0166.pdf
26 Capítulo 3. Acumulador de Energía Tabla 3.1 Características del acumulador de la ETSI. Características Valores Acumulador Peso en vacío 4100 Kg Peso lleno de agua 8150 Kg Capacidad de almacenamiento 291 KWh Potencia máxima 149.9 KW Salto de temperatura máximo 30 ◦C Carcasa Hidroquinona Temperatura de diseño 200 ◦C Presión de diseño 1 bar Volumen 3300 L Tubos Agua presurizada Temperatura de diseño 200 ◦C Presión de diseño 15 bar Volumen 750 L Figura 3.5 Composición química de la Hidroquinona: C6H6O2 / C6H4(OH)2 . Dihidroxibenceno. Masa molecular: 110.1. Tabla 3.2 Características básicas de la Hidroquinona. Estado Características Sólido Líquido Unidades Densidad 1358 1155 Kg/m3 Calor Específico 2310 2670 J/Kg◦C Temperatura de Fusión 170.3 ◦C Calor latente 230000 J/Kg Temperatura de Ebullición 287.0 ◦C El funcionamiento del acumulador de energía consiste en: • La energía del acumulador proviene del calor del agua que le proporciona los captadores solares. Así, cuando la temperatura del agua dentro de los captadores solares sobrepasa la energía requerida por el resto de componente de la PRS y es superior a la temperatura inicial en la que se encuentra la hidroquinona, parte del caudal o incluso todo el caudal del agua debe ser recirculado hacia el acumulador de energía.
3.3 Diseño e Implementación 27 • En este caso, la temperatura del agua será mayor que la temperatura de la hidroquinona. Por la transferencia de calor, ésta aumentará su temperatura. Si la temperatura de la hidroquinona alcanzase la temperatura de fusión (170.3 ◦C ), el calor procedente del agua será utilizado para el cambio de fase (sólido 7→ líquido). Tanto en un caso como en otro, la hidroquinona almacenará energía a través de la transferencia de calor con el agua. • Cuando se necesita dicha energía acumulada, se hará pasar un caudal de agua a baja temperatura proveniente de los captadores o de otro componente de la planta a través del acumulador. Lo cual provocará una cesión de calor, es decir, el nuevo caudal de agua tendrá una temperatura menor a la de la hidroquinona sólida o líquida y, por lo tanto, el calor se transmitirá hacia el agua. Si la hidroquinona se encuentra en estado líquido, esta transmisión de calor provoca a su vez que disminuya la cantidad de hidroquinona líquida y aumente la sólida debido a la solidificación al disminuir la temperatura. El funcionamiento del acumulador se podrá apreciar con detalle cuando se lleve a cabo una simulación del mismo. 3.3 Diseño e Implementación Para la modelización del acumulador de energía se parte de la hipótesis que el acumulador es un tanque con un único tubo rodeado de hidroquinona, en lugar de muchos tubos pequeños. Cuando se plantean las ecuaciones de transferencia del calor hay que distinguir que el tratamiento difiere según los posibles estados de la hidroquinona: estado sólido, de fusión o líquido 3 . La ecuación (3.1) permite evaluar la cantidad de energía ( Q ) que una determinada cantidad de material ( m ) es capaz de almacenar: Q=ZTm Ti m·Cp·dT +m·am·∆hm+ZTf Tm m·Cp·dT (3.1) En estas ecuaciones se representa: • En el primer término, la energía que es capaz de almacenar en forma de calor sensible desde su temperatura inicial (Ti) hasta que comienza el cambio de fase (Tm). • En segundo lugar, se muestra un término que tiene en cuenta la energía total almacenada en forma de calor latente. Este término tiene en cuenta la cantidad de material, el calor específico del cambio de fase y la fracción del material que ha experimentado la transformación. • Si una vez finalizado el cambio de fase se continúa calentando el material, es necesario utilizar el tercer término de la ecuación. Este término es idéntico al primero solo que se lleva a cabo en distinto estado de la materia. Siguiendo esta ecuación (3.1), para la implementación de los cambios de temperaturas del tanque en Matlab, se distingue según se encuentren en los diferentes tramos: i) estado sólido o líquido; y ii) en fusión o solidificación. De esta forma, las ecuaciones que se modelan son: Estado Sólido o Líquido: En este caso, toda la masa de la hidroquinona se encuentra en estado sólido o en estado líquido, no habiendo intercambio de masas entre los dos estados. ms=M,ml=0,(Estado sólido) ó ms=0,ml=M,(Estado líquido) 3 La temperatura de funcionamiento de la planta se controla de tal forma que nunca será lo suficientemente alta para que la hidroquinona pase a estado gaseoso (vaporización).
4 Máquina de Absorción En este capítulo se realiza un estudio de las máquinas de absorción. En particular, se presenta y analiza la máquina que se encuentra ubicada en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de la Universidad de Sevilla. Para ello, primero se indica su funcionamiento general y se describen sus componentes [ ? , ? ]. A continuación, se realiza su diseño e implementación. Finalmente se lleva a cabo unas simulaciones y se analizan los resultados obtenidos cuando se considera una planta simplificada: captador solar de Fresnel y máquina de absorción. 4.1 Funcionamiento y Descripción Una máquina de absorción es un mecanismo que puede producir frío a partir de una fuente de calor y permite usar la energía solar térmica para refrigerar un determinado espacio. Esto se consigue ya que dentro de la máquina se produce un proceso de absorción de energía, el cuál consiste en poner en contacto un gas con un líquido para que éste disuelva determinadas componentes del gas formando una solución, produciéndose así una transferencia de materia. Las máquinas de absorción más usada hacen uso del bromuro de litio como gas y toman el agua como agentes refrigerantes. Una máquina de absorción se puede clasificar según se considere: Número de efectos: Indica el número de generadores que posee la máquina de absorción •Simple efecto: con un solo generador. •Doble efecto: con dos generadores. •Triple efecto: con tres generadores. Número de etapas: Indica el número de absorbedores que posee la máquina de absorción •Simple etapa: con un absorbedor. •Doble etapa: con dos absorbedores. •Triple etapa: con tres absorbedores. Fuente de calor: Empleada en el funcionamiento de la maquina. • Tipo directo o “llama directa”: la potencia calorífica proviene de la combustión de fuentes de energía fósiles (líquidas o gaseosas). • Tipo indirecto: la potencia calorífica proviene de la transferencia de calor entre dos fluidos a través de un intercambiador. Sistema de condensación: Puede ser de dos tipos •Por agua. 35
36 Capítulo 4. Máquina de Absorción •Por aire. Los componentes de una máquina de absorción “ideal” son los siguientes: generador, condensador, evaporador, absorbedor, válvula de expansión, válvula de estrangulamiento y bomba de disolución. En la Figura 4.1 se muestra un esquema intuitivo de estas componentes así como su misión dentro de la máquina. Figura 4.1 Esquema visual de los componentes de una máquina de absorción ideal. Siguiendo el esquema dado en la figura, se distinguen dos zonas de trabajo, la de alta presión formada por el generador y el condensador, y la de baja presión formada por el evaporador y el absorbedor. Ambas zonas de trabajo están separadas por la válvula de expansión. A su vez se distinguen también dos ciclos: el ciclo del refrigerante y el ciclo de la disolución. A continuación, se detallan ambos ciclos y para ello se hará uso del esquema presentado en la Figura 4.2: Ciclo del refrigerante: En el generador se suministra una fuente de calor Qg a una temperatura Tg , esto provoca que el refrigerante que se encuentra en él, se evapore, se separe de la solución y circule a través de una tubería (punto 1) hasta el condensador. El vapor del refrigerante llega al condensador a temperatura Tg y presión Pc , donde se condensa hasta alcanzar la misma presión Pc y a temperatura de Tc , menor que Tg debido a la cesión de calor Qc , lo que conlleva que el vapor de refrigerante vuelve a estado líquido y circule por otra tubería hasta una válvula de expansión (punto 2). En dicha válvula de expansión, el líquido refrigerante se expansiona a entalpía constante, donde se transforma parcialmente en vapor, alcanzando una presión Pe y temperatura Te (punto 3). A continuación, viaja al evaporador en donde hierve debido a una pequeña inyección de calor Qe en las mismas condiciones que el punto 3, es decir, a presión Pe y temperatura Te . Tras esto el vapor del refrigerante se traslada al absorbedor (punto 4). El absorbedor, recibe el vapor y se produce la absorción del refrigerante con el absorbente a presión Pe y temperatura Ta . Tanto el absorbedor como el condensador transfieren calor Qc al ambiente por lo que Ta=Tc.
4.1 Funcionamiento y Descripción 37 Figura 4.2 Esquema de funcionamiento de una máquina de absorción “ideal”. Ciclo de la disolución: Una vez evaporado el refrigerante en el generador, la disolución se separa y sale del generador a través de una tubería por el punto 7 a presión Pc y temperatura Tg . Luego atraviesa una válvula de estrangulamiento hasta que su presión llega a Pe , con temperatura Tg y llega al absorbedor a través de la tubería por el punto 8. Dentro del absorbedor la disolución se mezcla con el refrigerante proveniente del evaporador. A continuación, la mezcla es bombeada de vuelta al generador (puntos 5 y 6) a temperatura y presión TgyPc, respectivamente. Para la planta de energía solar que se va a modelizar se hace uso de las características de una máquina de absorción de doble efecto BROAD-BZH 15, en concreto la máquina que se muestra en la Figura 4.3. La disolución con la que funciona dicha máquina es LiBr-Agua y los parámetros nominales se recogen en la Tabla 4.1. Figura 4.3 Máquina de Absorción de la ETSI de la Universidad de Sevilla. Máquina de doble efecto con ciclo LiBr/agua, modelo BROAD-BZH15 fabricado en China. Este tipo de máquina de absorción presenta una estructura más compleja que una máquina “ideal” ya que se compone de dos generadores, uno de alta (GA) y otro de baja temperatura (GB), dos recuperadores de calor (RA y RB), un condensador (COND), un subenfriador de líquido (SUB), un evaporador (EVAP), un absorbedor (ABS), una bomba (B) y válvulas de expansión. Todo lo anterior
38 Capítulo 4. Máquina de Absorción Tabla 4.1 Parámetros nominales de la máquina de absorción BROAD-BZH 15. Conceptos Valores Unidades Potencia Frigorífica Nominal 174 KW Coeficiente de Rendimiento (COP) Refrigeración 1.34 – Potencia Calorífica Nominal 135 KW COP Calefacción 0.925 – Temperatura de entrada al evaporador 12 ◦C Temperatura de salida del evaporador 7 ◦C Caudal del evaporador 8.3 L/s Temperatura de entrada al condensador 30 ◦C Temperatura de salida del condensador 37 ◦C Caudal del condensador 10.28 L/s Temperatura del generador de alta (HTG) 145 ◦C Modo de operación Agua sobrecalentada y/o Gas se puede apreciar en la Figura 4.4, donde el modo de distribución del caudal de la disolución Figura 4.4 Esquema de los componentes de una máquina de absorción de doble efecto. procedente del absorbedor es de tipo paralelo, es decir, se suministra el mismo caudal de disolución tanto al generador de alta como al de baja. La razón del uso de este tipo de configuración es debido a que desarrolla un mayor coeficiente de rendimiento 1 (COP), ya que esta distribución proporciona 1 Las máquinas de absorción de simple efecto trabajan con temperaturas en el generador de 60 −90◦C , alcanzando valores típicos de COP en torno a 0.6 frente a las máquinas de doble efecto que requieren temperaturas en el generador de 120 −140◦Cpara alcanzar valores de COP de 1.3.
4.1 Funcionamiento y Descripción 39 mejores condiciones termodinámicas que el flujo en serie. En este tipo de máquina de absorción, al igual que ocurre en la máquina ideal de absorción, se distinguen dos ciclos: ciclo del refrigerante y ciclo de la disolución: Ciclo del refrigerante: En primer lugar, se suministra una fuente de calor Qga al generador de alta (GA) hasta alcanzar una temperatura Tga , tras lo cual el refigerante que se encuentra en él, se evapora, se separa de la disolución y se transmite al generador de baja (GB) a traves de una tubería (punto 1A). Una parte del vapor del refrigerante a temperatura Tga y presión Pga atraviesa el generador de baja (GB), condensándose a temperatura T1CA y presión Tga , viajando al subenfriador (punto 1CA). En el subenfriador se produce una cesión de calor Qsub que disminuye la temperatura del refrigerante hasta T1SA (1SA) y posteriormente se expansiona a entalpía constante en la válvula de expansión (V1), alcanzando la presión Pc , temperatura T2 y conviertiendose a estado líquido (punto 1SB) hasta unirse a la corriente de refrigerante procedente del condensador con las condiciones de presión Pcy temperatura T2. Recordemos que una parte del vapor del refrigerante atravesaba el generador de baja (GB), el resto de vapor se vuelve a separa de la disolución restante a una presión Pc y temperatura T1B (punto 1B). Este vapor restante entra en el condensador (COND) donde disminuye su temperatura a T1SB ya que pierde un calor Qcond volviendo al estado líquido. Finalmente se une al vapor a la salida de la válvula de expansión (V1) en el punto 2. A continuación, el refrigerante líquido se expansiona isoentálpicamente a través de otra válvula de expansión (V2) hasta alcanzar la presión del evaporador Pe y la temperatura T3 (punto 3). Luego es conducido hasta el evaporador. En el evaporador, el refrigerante líquido se evaporada gracias a una inyección de calor Qevap alcanzando una presión y temperatura de PeyT4, respectivamente en el punto 4. Este nuevo vapor de refrigerante es conducido al absorbedor (ABS) donde cede un calor Qga que lo vuelve líquido de nuevo para mezclarse con la disolución existente en él. Ciclo de la disolución: La disolución sale del absorbedor (ABS) a presión Pe y temperatura T5 (punto 5), donde es bombeada por una bomba (B) hasta alcanzar la presión del generador de alta, o sea Pga en el punto 6. A continuación, atraviesa el recuperador de baja (RB) a presión Pga para aumentar su temperatura hasta T7en el punto 7. A partir de aquí la disolución se separa y una corriente se dirige al generador de baja (punto 8) mientras que la otra se dirige al generador de alta (punto 10). La disolución que se dirige al generador de baja (GB) se expansiona isoentálpicamente gracias a la válvula V4, para alcanzar la presión del condensador Pcy temperatura T8(punto 8). Una vez entra en el generador de baja sale de él con una presión Pc y temperatura T9 (punto 9) para unirse a la corriente procedente del generador de alta. La corriente que es conducida al generador de alta (GA) es precalentada en el recuperador de alta (RA) incrementándose la temperatura hasta T11 (punto 11), luego absorbe el calor procedente de la fuente de calor Qga y sale del generador de alta (GA) a una presión Pga y temperatura T12 (punto 12), pasa por el recuperador de alta disminuyendo su temperatura hasta T13 (punto 13) y se expansiona isoentálpicamente en la válvula de expansión V5 llegando a unas condiciones de presión Pc y temperatura T9 (punto 14) para converger con la corriente procedente del generador de baja (GB).
40 Capítulo 4. Máquina de Absorción Una vez unidas ambas corrientes con presión Pc y temperatura T9 (punto 15), se reduce su temperatura hasta T16 (punto 16) debido a que cede su calor en el recuperador de baja (RB) y se expansionan isoentálpicamente en la válvula de expansión V3 retornando al absorbedor a presión Pey temperatura T17 (punto 17). 4.2 Diseño e Implementación La máquina de absorción se va a implementar como un modelo formado por 3 submodelos tipo caja gris 2 : un generador de alta temperatura, un refrigerador y un evaporador, como se muestra en la Figura 4.5. Figura 4.5 Esquema del diseño de implementación de la máquina de absorción. Indicar que, dado que se desconocen parámetros geómetricos y áreas en la máquina de absorción, se han identificado algunos parámetros usando datos reales. En concreto: el coeficiente de pérdidas térmicas al ambiente, el coeficiente de transmisión de calor por el área de transmisión, y la capacidad térmica de cada elemento de la máquina de absorción. Como se observa en la Figura 4.5, para la modelización, hay tres entradas de agua procedentes de diferentes parte de una planta: • El agua procedente de los colectores solares de Fresnel que se encarga de alimentar el generador de alta, dando lugar al comienzo del ciclo de absorción (inicio de operación). En otras palabras, el agua de los colectores es la fuente de alta energía que alimenta al generador (ver Figura 4.1). • El agua del sistema de refrigeración, la cual disipa la potencia térmica producida por el condensador de la máquina. • El agua del sistema de climatización que es enfriada por el evaporador consiguiendo el efecto útil del equipo de absorción. 2 La diferencia entre lo más conocido que es un modelo de caja negra y un modelo de caja gris es que, aunque en ambos se identifican parámetros, el modelo de caja gris está basado en ecuaciones de balance conocidas, mientras que los modelos de caja negra no. Además algunos parámetros son estimados usando datos reales en el modelo tipo caja gris.
4.2 Diseño e Implementación 41 Las hipótesis a tener en cuenta para el desarrollo del modelo son las siguientes: •No existe intercambio de potencia. •Se desprecia la energía cinética y potencial respecto a la energía interna. •Pérdidas de carga en conductos y tuberías despreciables. •El agua es considerada como líquido incompresible caloríficamente perfecto. • Los sistemas de generador de media temperatura, del sistema de refrigeración y del evaporador, son considerados como una masa puntual con una capacidad calorífica constante. En lo que sigue se analiza cada una de las ecuaciones de cada modelo caja gris: 4.2.1 Generador de Alta Temperatura El generador de alta temperatura se modeliza, a partir del primer principio de la termodinámica, con las siguientes ecuaciones: • El modelo de la temperatura de la solución (Agua-Bromuro de Litio). A esta temperatura se la denota por THTG , donde las iniciales se correspoden con High Temperature Generator, y su ecuación diferencial es CHT G ∂THTG ∂t=Qcald +hA ·(Tentagua −THTG)−Qlosses (4.1) donde Qlosses =a1THTG ·(THT G −Ta)+a2T HTG y hA =400 ·q0.8 water ·Tentagua • La temperatura de salida de agua del generador de alta, Toutagua , que vuelve al captador solar se puede calcular sabiendo el calor cedido a la solución según la ecuación diferencial: CTOUT ∂Toutagua ∂t=−hA ·(Tentagua −THTG)−Qlosses −qwater ·Cwρagua ·(Toutagua −Tentagua) (4.2) donde Qlosses =a1TOUT ·Tentagua −Toutagua 2−Ta+a2TOUT y CTOUT =0.4·Cw·ρagua Las variables y parámetros de las ecuaciones (4.1)-(4.2) pueden verse en las Tablas 4.2 y 4.3. 4.2.2 Evaporador El sistema de evaporación se encarga de enfriar el agua que le llega, ya que contiene un fluido refrigerante a baja presión que hierve y por lo tanto extrae calor del agua y la enfría. Su ecuación diferencial de balance (primer principio de la termodinámica) es: Cevap ∂Toutevap ∂t=−Qevap −Qloss −qevap ·Cwρw·(Toutevap −Tentevap)(4.3) donde Qloss =a1evap ·Tentevap −Toutevap 2−Ta+a2evap
42 Capítulo 4. Máquina de Absorción Tabla 4.2 Variables del generador de alta en la máquina de absorción. Notación Significado Variable Unidades THTG Temperatura de la solución Salida ◦C Tentagua Temperatura de entrada del agua Entrada ◦C TaTemperatura ambiente Datos reales ◦C Toutagua Temperatura de salida del agua Salida ◦C qwater Caudal de agua Datos reales L/s Qcald Potencia cedida por la caldera de gas natural Datos reales W hA Coeficiente de transmisión de calor por convección (h) y área del sistema (A) Auxiliar W/◦C CwCalor específico del agua Auxiliar J/Kg◦C ρagua Densidad del agua Auxiliar Kg/m3 Tabla 4.3 Parámetros del generador de alta en la máquina de absorción. Notación Significado Valor Unidades a1THTG Coeficiente de pérdidas 1 para la solución 431.1– a2THTG Coeficiente de pérdidas 2 para la solución −18028.5– a1TOUT Coeficiente de pérdidas 1 para el agua de salida 455 – a2TOUT Coeficiente de pérdidas 2 para el agua de salida −9000 – y Qevap =Cp·Qgenalta =Cp·(hA ·(Tentagua −Tagua)+Qcald). En la modelización, dado que el evaporador está a temperatura bastante baja y bien aislado, se puede considerar que sus pérdidas son nulas o muy pequeñas ( Qloss =0 y de aquí a1evap =a2evap = 0 ). De hecho, al estar a temperatura inferior al ambiente, ganaría temperatura. Por tanto, la ecuación diferencial que se ha considerado es: Cevap ∂Toutevap ∂t=−Qevap −qevap ·Cwρw·(Toutevap −Tentevap).(4.4) Las variables y parámetros de esta ecuación (4.4) pueden verse en la Tabla 4.4. Tabla 4.4 Variables y parámetros del evaporador en la máquina de absorción. Notación Significado Tipo o Valores Unidades Tagua Temperatura del agua en la máquina Variable de entrada ◦C Tentevap Temperatura del agua a la entrada del evaporador Variable de entrada ◦C Toutevap Temperatura del agua a la salida del evaporador Variable de salida ◦C qevap Caudal de agua en el evaporador Datos reales L/s ρwDensidad del agua Variable auxiliar Kg/m3 Cevap Capacidad térmica del agua en el evaporador 1.65 ·108J/◦C CpCoeficiente de pérdidas 1 para la solución 1.34 – 4.2.3 Refrigerador El sistema de refrigeración, está compuesto por varios subsistemas: el condensador, subenfriador y absorbedor, todos en uno. No tenemos datos de estos sistemas intermedios y, por lo tanto, no podemos modelar cada subsistema por separado. Aunque por cada uno de ellos circula el caudal
4.3 Simulación y Resultados 43 de agua de refrigeración. El condensador absorbe calor del generador de alta y el absorbedor del evaporador. Su ecuación de balance (primer principio de la termodinámica) es: Cre f rig ∂Toutre f rig ∂t=−Qre f rig −Qloss −qre f rig ·Cwρw·(Toutre f rig −Tentre f rig)(4.5) donde Qloss =a1re f rig ·Tentere f rig −Toutre f rig 2−Ta+a2re f rig, Cre f rig =0.4·Cw·ρw y Qre f rig =Qevap +Qgenalta = (1+Cp)·(hA ·(Tentagua −Tagua)+ Qcald) Este sistema disipa el calor que se absorbe en el evaporador y en el generador de alta. De aqui que se supone Qloss =0y entonces a1re f rig =a2re f rig =0, y la ecuación a modelizar es: Cre f rig ∂Toutre f rig ∂t=−Qre f rig −qre f rig ·Cwρw·(Toutre f rig −Tentre f rig)(4.6) Las variables de la ecuación pueden verse en la Tabla 4.5. Tabla 4.5 Variables del refrigerador en la máquina de absorción. Notación Significado Variable Unidades Tentre f rig Temperatura del agua a la entrada del refrigerador Entrada ◦C Toutre f rig Temperatura del agua a la salida del refrigerador Salida ◦C qre f rig Caudal de agua en el refrigerador Datos reales L/s Cre f rig Capacidad térmica del refrigerante Auxiliar J/◦C 4.3 Simulación y Resultados En esta sección se llevará a cabo dos simulaciones distintas con la máquina de absorción. En la primera se busca ver el comportamiento de cada componente de la máquina de absorción de forma independiente; y en la segunda se ve el comportamiento de las temperaturas cuando se acopla la máquina de absorción al colector solar modelizado en el Capítulo 2. 4.3.1 Comportamiento individualizado de cada una de las componentes de la Máquina de Absorción En primer lugar, se realiza una simulación del comportamiento de cada una de las diferentes componentes de la máquina de absorción con respecto a la temperatura del agua de entrada, de acuerdo a la ecuación (4.2) para el generador de alta, la ecuación (4.4) para el evaporador y la ecuación (4.6) para el refrigerador. Para la simulación se ha considerado una inyección intermitente del caudal de agua ( qwater ) a partir de la segunda hora de funcionamiento de la máquina de absorción como se puede ver en la Figura 4.6. Además se han utilizado un conjunto de datos reales obtenidos de los sensores de la máquina de absorción de la ETSI que se encuentran recogidos en el fichero “DATOSABSORCION.m”.
5 Planta de Refrigeración Solar Una vez estudiado los captadores solares, el acumulador de energía y la máquina de absorción, en este capítulo, se lleva a cabo un estudio de la planta de refrigeración solar completa, mediante la unión de todos los componentes con tuberías y válvulas. Para ello, primero se indica su funcionamiento y descripción, para a continuación analizar el comportamiento independiente de los dos circuitos principales: captadores-acumulador y captadores-máquina de absorción, en bucle cerrado. Finalmente se lleva a cabo una simulación del circuito completo y se analizan los resultados obtenidos. 5.1 Funcionamiento y descripción El montaje completo de la planta de refrigeración solar se puede aproximar según el esquema mostrado en la Figura 5.1. En dicho montaje se han unido en paralelo los subsistemas acumulador Figura 5.1 Esquema completo de la modelización. de energía y máquina de absorción a los captadores solares. De tal modo que, el funcionamiento aproximado consistirá: • Comenzar calentando el agua haciendo pasar ésta exclusivamente por los captadores solares. • Una vez el agua se encuentre suficientemente caliente, activar el subsistema bucle captadoresacumulador con el objetivo de acumular energía por si fuese necesario usarla en algún momento para proporcionar energía a la máquina de absorción. 51
52 Capítulo 5. Planta de Refrigeración Solar • Con el acumulado cargado de energía, activar el subsistema bucle captadores-máquina de absorción para que ésta absorba el calor del agua y pueda refrigerar las instalaciones de la ETSI. 5.1.1 Comportamiento de las temperaturas del montaje Captador-Acumulador en bucle Como se mencionó anteriormente, cuando el agua esta suficientemente caliente se activa el subsistema captadores-acumulador en bucle. El diseño que se va a simular puede verse en la Figura 5.2. Figura 5.2 Esquema del bucle Captador-Acumulador. Así, se considera que las tuberías 1 y 2 tienen 250 y 100 metros de longitud, respectivamente,y en ambas el agua se encuentra a una temperatura inicial de 155 ◦C . Dentro del acumulador, la temperatura inicial de la hidroquinona y del agua serán ambas de 150 ◦C . Entre los captadores solares y el acumulador se incorpora una válvula de tal forma que si la temperatura del agua proveniente de la tubería 1 es inferior a 140 ◦C no se hace pasar por el acumulador y vuelve el agua a retornar a los captadores solares. En caso de ser superior a 140 ◦C se hace pasar el agua por el acumulador de energía. Para la simulación se consideran los datos reales de irradiancia, temperatura ambiente, caudal, etc, que son tomados del fichero que recoge los datos del día 17 de agosto de 2009. La temperatura de entrada del agua que inicia la simulación es la primera temperatura de entrada dada ese día. Se realiza la simulación y se obtiene la Figura 5.3 que se pasa a analizar. • Así, se observa que la temperatura del agua a la salida de los captadores solares (línea roja) es mayor que su temperatura a la entrada (línea azul) debido a la acción de los rayos del Sol, que calientan el agua, efecto ya analizado en el Capítulo 2. • Una vez fuera de los captadores, el agua pasa a la tubería 1 que llega a la válvula y puesto que la temperatura es superior a los 140 ◦C se deriva al acumulador. Debido a la menor temperatura en las paredes de la tubería, se produce una transmisión de energía del agua a las paredes, lo que se traduce en una menor temperatura del agua a la entrada del acumulador (línea verde), efecto que se estudió en la Sección 2.3. • Dentro del acumulador, el comportamiento es como se explicó en detalle en la Sección 3.4.1, es decir, el agua empieza a calentar la hidroquinona y cede calor (línea morada) por ello se encuentra por debajo de la línea verde que representa la temperatura de entrada del agua en el acumulador. • Fuera del acumulador, la temperatura del agua vuelve a sufrir un descenso debido a su paso por la tubería 2, la cual se encuentra unida a los captadores solares (línea azul). Dentro de esta simulación también se puede distinguir una seríe de tramos donde hay algunas particularidades que se pasa a señalar.
5.1 Funcionamiento y descripción 53 Figura 5.3 Temperatura del agua en diferentes puntos del sistema Captador-Acumulador junto con la temperatura de la hidroquinona dentro del acumulador de energía. Tramo 1: Al comienzo de la simulación y durante algo menos de una hora se observa una inestabilidad en las diferentes temperaturas, debido a que hay algunas zonas con más temperatura que otras y viceversa. Así, cuando el agua empieza a circular por el sistema se produce una mezcla de toda el agua a diferentes temperaturas en cada parte, lo que causa que las temperaturas más altas disminuyan debido a las más bajas y viceversa. Tramo 2 y 4: No presenta ninguna particularidad relevante. Entre ambos tramos hay una única diferencia ya que en el tramo 2, la hidroquinona se encuentra en estado sólido mientras que en el tramo 4 se encuentra en estado líquido. Tramo 3: En este tramo se llega a un punto en el cual la temperatura del agua supera a la temperatura de cambio de fase de la hidroquinona, lo que causa la fusión de la hidroquinona de sólida a líquida a temperatura constante (ver Figura 5.4). Se debe tener en cuenta para mejor interpretar las simulaciones, los retrasos que se producen cuando el agua atraviesa cada una de los diferentes componentes: captador, tubería 1, acumulador y tubería 2. 5.1.2 Comportamiento de las temperaturas del montaje Captador-Máquina de Absorción en bucle Una vez se ha cargado de energía el acumulador, es el turno de activar el subsistema bucle captadormáquina de absorción. Para ello se usan los datos del día 1 29 de junio de 2009, como se hizo en el Capítulo 3 y tomando los datos proporcionados en el fichero “DATOSABSORCION.m”. 1Se elige un día distinto para tener más variedad en los datos reales.
54 Capítulo 5. Planta de Refrigeración Solar Figura 5.4 Zoom de la Figura 5.3 en la zona de fusión de la hidroquinona. Para la simulación se consideran los datos reales de irradiancia, temperatura ambiente, caudal, etc, que son tomados del fichero que recoge los datos del día 29 de junio de 2009. La temperatura de entrada del agua que inicia la simulación es la primera temperatura de entrada dada ese día. Además, se considera que las tuberías 1 y 2 tienen 250 y 100 metros de longitud (aproximadamente), respectivamente, y en ambas el agua se encuentra a una temperatura inicial de 155 ◦C , al igual que se consideró en el apartado anterior. El diseño simplificado que se va a simular puede verse en la Figura 5.5 y un diseño más detallado Figura 5.5 Esquema del bucle Captador-Máquina de Absorción. de como es la unión del captador y la máquina de absorción en la planta de la ETSI se sigue en la Figura 5.6. Se realiza una simulación de un montaje en bucle de los captadores solares con la máquina de
5.1 Funcionamiento y descripción 55 Figura 5.6 Esquema del bucle Captador-Acumulador de la ETSI. absorción, y se tiene la Figura 5.7. De la figura se sigue, de forma similar a lo que ocurría en el bucle captador-acumulador, que: Figura 5.7 Comportamiento de la temperatura del agua en diferentes partes del sistema Captador- Máquina de Absorción en bucle.
56 Capítulo 5. Planta de Refrigeración Solar • La temperatura del agua a la salida de los captadores solares (línea roja) es mayor que su temperatura a la entrada (línea azul) debido a la acción de los rayos del sol, que calientan el agua, efecto ya analizado en el Capítulo 2. • Una vez fuera de los captadores, el agua pasa a la tubería 1 que llega a la válvula. Así debido a la menor temperatura en las paredes de la tubería, se produce una transmisión de energía del agua a las paredes, lo que se traduce en una menor temperatura del agua a la llegada a la válvula (línea verde), efecto que se estudió en la Sección 2.3. Lo anterior se repite a lo largo de toda la simulación. Para lo que sigue se distinguen diferentes tramos: Tramo 1: En este tramo, la máquina de absorción no ha sido activada aún ya que la temperatura del agua en la válvula (línea verde) no es superior los 140 ◦C . Por tanto, desde la válvula se envía el agua directamente a la tubería 2 y entra de nuevo en los captadores solares (línea azul). Tramo 2: La máquina de absorción se activa por primera vez pasadas las 12 cuando la temperatura del agua en la válvula supera los 140 ◦C . Al entrar el agua en la máquina de absorción se refrigera ya que se absorbe parte de su energía. De esta forma la temperatura del agua a la salida de la máquina de absorción (línea morada) será menor que a la entrada (línea verde). De aquí se redirige de nuevo a la entrada de los captadores (línea azul). Como se puede observar en la Figura 5.8, en este tramo hay un intervalo de tiempo, [12.3,12.4] Figura 5.8 Zoom de la zona más interesante del comportamiento de la temperatura del agua en diferentes partes del sistema Captador-Máquina de Absorción en bucle. aproximadamente, donde la temperatura del agua a su llegada a la válvula es inferior a los 140 ◦C y se desactiva la máquina de absorción, desapareciendo por tanto la linea morada, ya que el agua se envia directamente de nuevo a los captadores.
5.2 Código comentado de la planta de refrigeración solar de el ETSI 57 Tramo 3: Durante todo este tramo la máquina de absorción esta activa y como se comento en el anterior tramo, al entrar el agua en la máquina de absorción se refrigera y por ello la temperatura del agua a la salida de la máquina de absorción (línea morada) es menor que a la entrada (línea verde). De aquí se redirige de nuevo a la entrada de los captadores (línea azul). 5.2 Código comentado de la planta de refrigeración solar de el ETSI La implementación completa de la planta se ha llevado a cabo elaborando el siguiente código de Matlab, el cual se muestra comentado: %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Se limpia datos y figuras de la memoria y se despeja la pantalla %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% clear all;clc;close all; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Se cargan las variables del fichero de configuracion %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% configuracion; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Se definen las variables globales %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% global tint; % Tiempo de integracion global Tambiente; % Temperatura ambiente global tiemposimulacion; % Tiempo de la simulacion global tacteficiencias; global horacomienzo; % Hora de comienzo de la simulacion global horarep; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Se introduce el fichero con datos del día considerado para el captador %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% M=load(’F170809.m’);% SI USAS LOS FICHEROS CON F AL PRINCIPIO DEBES CAMBIAR CONFIGURACION % M incrementodetiempo a 60, si no dejarlo en 20 % NOMBRE DEL FICHERO VA EL DIA, CONFIGURAR ABAJO %17 de agosto dia claro ano=2009; mes=08; dia=17; % El vector M tiene la siguiente estructura por columnas % [hora caudal Tentrada TsalidaReal Porc_espejos Irradiancia Tambiente] [filas columnas]=size(M); % Vector con numero de filas y columnas de M %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Hora de comienzo de toma de datos. Se toma la más cercana a las 11:00 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% hora=M(:,1); x=find(abs(hora-horacomienzo)==min(abs(hora-horacomienzo))); hora=hora(x); % Hora de comienzo, 11 (11:00 AM) %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Interpolacion datos de los sensores % Cada vector de datos tiene 240 muestras (1 por minuto) y queremos una % cada 0.25s. Luego hay que interpolar 240 cada 2 datos sensores %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% numeroperiodosint=ceil(incrementodetiempo/tint); % ceil() para redondear el resultado caudal=M(x:filas,2);
58 Capítulo 5. Planta de Refrigeración Solar caudal=interpola(numeroperiodosint,caudal); Tent=M(x:filas,3); Tent=interpola(numeroperiodosint,Tent); Tsreal=M(x:filas,4); Tsreal=interpola(numeroperiodosint,Tsreal); Porcentajeespejos=M(x:filas,5)*0.01; Porcentajeespejos=interpola(numeroperiodosint,Porcentajeespejos); I=M(x:filas,6); I=interpola(numeroperiodosint,I); Tambiente=M(x:filas,7); Tambiente=interpola(numeroperiodosint,Tambiente); %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Calculo del dia juliano si no se coge del fichero %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% diajuliano=Juliano(ano,mes,dia); %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Calculo angulo diario %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% angulodiario=angdiario(diajuliano); %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Inicializacion de todas las variables: hora, eficiencias, factor de sombra % y de las temperaturas de todos los trozos de fluido y metal. %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% Tsal=Tsreal(1); Ts=horasolar(hora,minuto,mes,angulodiario); % Calculo de la hora solar Factorsombra=eficienciageoysombras(angulodiario,Ts); % Eficiencia paneles teniendo en cuenta las sombras Tf=ones(1,74)*Tent(1);% Perfil temperatura fluido captador, inicialmente la temp. de entrada Tm=Tf+7; % Perfil temperatura metal captador, 7 grados más que en fluido %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Circulos necesarios para el funcionamiento del programa. % Calculo del numero de iteraciones, correspondientes a los tiempos de % simulacion e integracion que se han definido en el fichero de % configuracion. Tambien se calcula el tiempo maximo de simulacion. %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% tiempomax=ceil(length(Tent)); Ntotal=floor(tiemposimulacion/tint); if(Ntotal>tiempomax) Ntotal=tiempomax; end tactualizacion=ceil(tacteficiencias/tint); % Numero muestras para actualizan eficiencias Irra=I(1); Tamb=Tambiente(1); Tf(1)=Tent(1); horarep=hora; k=1; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % DEFINICION VARIABLES Y TROZOS TUBERIA %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% Tinicial=120; % Temperatura inicial Longitud1=250; % La longitud de la tuberia 1 (Captador-Acumulador)
5.2 Código comentado de la planta de refrigeración solar de el ETSI 59 trozos1=25; % Numero perfil de la tuberia 1) Tuberia1=Tinicial*ones(1,trozos1); % Perfil tuberia 1 Longitud2=100; % La longitud de la tuberia 2 (Acumulador/Máquina Absorción-Captador) trozos2=10; % Numero perfil de la tuberia 2 Tuberia2=Tinicial*ones(1,trozos2); % Perfil tuberia 2 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % DEFINICION VARIABLES ACUMULADOR %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% Tsalesacum=ones(2,1)*135;% Temp inicial de entrada y salida del acumulador Volumen=3300 % Volumen Hidroquinona (L) Masatotal=3300*1.358; % Masa total de hidroquinona (Kg) en estado sólido % Perfil de dos tramos en el tanque de almacenamiento Masa=[0;Masatotal]; % Masa inicial de hidroquinona [Masaliquido,Msasolido](Kg) Thidro=[160;160]; % Temperatura inicial de la hidroquinona solida y liquida (ºC) Taguacum=[163;163]; % Se inicializan los dos tramos para el agua (ºC) TempMaxUsarAcum=180; % Temp. maxima que debe alcanzar el agua para que se active el % acumulador. Umbral donde se deja de almacenar energia en el % acumulador. Esta temperatura esta por encima de la % temperatura de fusión de la hidroquinona %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % DEFINICION VARIABLES MAQUINA DE ABSORCION %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% MM=load(’DATOSABSORCION.m’); % Se cargan los datos del archivo DATOSABSORCION.m % son datos de funcionamiento de la máquina de absorción perintepabs=2; % Datos originales cada 0.5s y los queremos cada 0.25s tiempototal=length(Tsreal); % Para que los datos reales ya interpolados tengan la % misma dimensión que los datos que en los captadores % Vamos a hacer que el numero de datos de la base de datos % de los captadores sea el mismo que en la base de datos % de la maquina de absorcion towrefr=MM(:,1); % Temp salida agua refrigeracion towrefr=interpola(perintepabs,towrefr); % Temp salida agua refrigeracion interpolada towrefr=towrefr(1:tiempototal); % Temp salida agua refrigeracion, TempMaxUsarMaqAbs=135; % Temp maxima que debe alcanzar el agua para que se active % la maquina de absorcion % towsc=MM(:,2); % Temp salida del agua para los captadores % towsc=interpola(perintepabs,towsc); % % tiwsc=MM(:,6); % Temp entrada del agua proveniente de los captadores % tiwsc=interpola(perintepabs,tiwsc); towevap=MM(:,3); % Temp salida agua evaporador towevap=interpola(perintepabs,towevap); towevap=towevap(1:tiempototal); tHTG=MM(:,4); % Temp solucion (H2O-LiBr) tHTG=interpola(perintepabs,tHTG); tHTG=tHTG(1:tiempototal); tiwref=MM(:,5); % Temp entrada agua refrigeracion tiwref=interpola(perintepabs,tiwref); tiwref=tiwref(1:tiempototal); tiwevap=MM(:,7); % Temp entrada agua evaporador tiwevap=interpola(perintepabs,tiwevap); tiwevap=tiwevap(1:tiempototal); Qcaldera=MM(:,8)*1000; % Calor quemador gas natural (generado alta temp)
66 Capítulo 5. Planta de Refrigeración Solar Figura 5.11 Ampliación de la simulación de la planta completa con datos de la máquina de absorción del 17 de agosto de 2009 en el tramo 3. los 135 ◦C y el agua dejará de pasar por la máquina de absorción. Ello se sigue de forma clara, si se observa el comportamiento de la irradiancia solar, el cual empieza a caer drásticamente al final de la tarde y por tanto, el agua no será calentada dentro de los colectores solares. Llegado este punto, habría que apagar la bomba que pone en funcionamiento los colectores solares hasta el día siguiente.
Conclusiones En la modelización de tres de las principales componentes de la Planta de Refrigeración Solar de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de la Universidad de Sevilla: Captador Solar de Fresnel, Acumulador de Energía y Máquina de Absorción, realizada en este trabajo de finalización del grado en Electrónica, Robótica y Mecatrónica, se puede concluir que: • La modelización de la temperatura de salida del agua de los captadores solares de Fresnel, réplica bien la dinámica de la misma pero tiende a proporcionar un valor menor al obtenido por los sensores de temperatura instalados en la planta. Probablemente se deba a que en la formulación se ha dado un mayor peso a las pérdidas que se producen dentro del colector. Por otro lado, no sería lógico, pero se debe analizar si la medida que proporciona el sensor se aproxima a la real. • El modelo que describe la temperatura del agua dentro de la tubería pone de manifiesto la gran cantidad de energía calorífica que se pierde por estos conductos, lo que trae como consecuencia una disminución bastante grande del rendimiento de los captadores solares. Así se ha modelado en una tubería de 250 metros que se pierde aproximadamente un 50% de la temperatura ganada con el colector. • La modelización llevada a cabo con el acumulador de energía a pesar de las simplificaciones llevadas en el mismo (un único tubo, perfil de dos tramos, etc.) refleja muy bien la dinámica de funcionamiento del mismo. • Respecto a los modelos desarrollados en la máquina de absorción, se observa que a diferencia del modelo del captador solar, no existe un error sistemático. La modelización de la temperatura del agua, si sigue la dinámica real dentro de la máquina y los indicadores de calidad no se alejan más alla de un 4%. La modelización de la temperatura del agua en el generador de alta es la que tiene un mejor error absoluto porcentual medio (1.79%) y el peor se presenta en el evaporador con un 3.85%. Respecto a posibles trabajos futuros, se podría considerar: • Respecto a la modelización en los captadores solares, modificar la misma en la dirección de evitar el error sistemático que parece proporciona el modelo desarrollado en este trabajo. • Al igual que se ha analizado la temperatura del agua a la salida de los captadores proporcionada por el modelo así como con la obtenida por los sensores de temperatura, sería conveniente llevar a cabo un estudio similar con los datos proporcionado por el modelo del acumulador de energía y de la máquina de absorción. • Teniendo como guía lo presentado en este trabajo, seguir en la misma línea mejorando todo y cada uno de los diferentes aspectos analizados en el mismo. 67
Índice de Figuras 1.1 Fachada del edificio principal de la ETSI de Sevilla (izquierda). Situación de los colectores solares en la azotea de uno de los edificios de la ETSI (derecha) 1 1.2 Esquema general inicial de la PRS de la ETSI de Sevilla (año 2009) 2 1.3 Esquema general actual de la PRS de la ETSI de Sevilla 3 1.4 Esquema general comentado de la PRS de la ETSI (Sevilla) [?] 5 2.1 Geometría de los captadores solares parabólicos. El punto rojo representa el foco de la parábola 7 2.2 Incidencia de los rayos solares en un captador solar parabólico real 8 2.3 Geometría lineal de los captadores solares de Fresnel. El punto rojo representa el foco donde inciden los rayos solares 8 2.4 Incidencia de los rayos solares en un captador solar lineal de Fresnel real 8 2.5 Esquema de la incidencia de los rayos solares en un captador lineal de Fresnel 10 2.6 Estructura y captadores solares de Fresnel de ETSI. Nótese que no hay ninguna estructura más alta que pueda dar sombra a los espejos 12 2.7 Tubo receptor/absorbedor y espejos secundarios 12 2.8 Mecanismos de arrastre y control para el seguimiento solar de los concentradores. En este caso, se encuentra en vertical y no proyecta la luz solar al tubo absorbedor, es decir, esta en modo de seguridad 13 2.9 Sensor de luz (izquierda) y sensor de temperatura (derecha) 13 2.10 Interpretación gráfica de las ecuaciones (2.1)-(2.3). En rojo y azul se muestra el desplazamiento del fluido dentro del tubo receptor 14 2.11 Imagen de distintas tuberías 16 2.12 Representación gráfica lineal del comportamiento de la temperatura de salida del agua de una tubería en función de la longitud de la misma 17 2.13 Montaje inicial: Captadores solares de Fresnel-Tubería 17 2.14 Interpolación lineal. Los puntos originales se muestran en rojo y los puntos obtenidos por interpolación en azul 18 2.15 Irradiación solar correspondiente al 29 de junio de 2009 en el techo de ETSI (Sevilla) 18 2.16 Temperatura del agua en diferentes puntos del sistema captador + tubería obtenidas en la simulación 19 2.17 Visualización de la ganacia de temperatura del agua en los captadores y la pérdida de la misma a su paso por la tubería 20 2.18 Comparativa gráfica entre la temperatura real y la temperatura modelada del agua en la salida de los captadores solares del día 29 de junio de 2009 21 69
70 Índice de Figuras 3.1 Acumulador de Energía de la ETSI de la Universidad de Sevilla 23 3.2 Modelo simplificado de un tanque de tubos de un acumulador de energía 24 3.3 Secciones transversales de un sistema PCM en diferentes momentos del cambio de fase para diferentes puntos del almacenador. Rojo indica líquido y azul indica sólido 25 3.4 Esquema del acumulador de la ETSI de Sevilla 25 3.5 Composición química de la Hidroquinona: C6H6O2/C6H4(OH)2. Dihidroxibenceno. Masa molecular: 110.126 3.6 Comportamiento de la temperatura de la hidroquinona y la temperatura de entrada del agua en el acumulador de energía 30 3.7 Comportamiento de las masas de la hidroquinona en sus diferentes estados dentro del acumulador de energía 30 3.8 Esquema del bucle Captador-Acumulador en abierto. 31 3.9 Temperaturas obtenidas con la simulación del bloque captador + acumulador con datos del dia 17 de agosto de 2009 32 3.10 Comparativa gráfica entre la temperatura real y la temperatura modelada del agua en la salida de los captadores solares del día 17 de agosto de 2009 33 4.1 Esquema visual de los componentes de una máquina de absorción ideal 36 4.2 Esquema de funcionamiento de una máquina de absorción “ideal” 37 4.3 Máquina de Absorción de la ETSI de la Universidad de Sevilla. Máquina de doble efecto con ciclo LiBr/agua, modelo BROAD-BZH15 fabricado en China 37 4.4 Esquema de los componentes de una máquina de absorción de doble efecto 38 4.5 Esquema del diseño de implementación de la máquina de absorción 40 4.6 Inyección de agua con diferentes caudales en el Generador de Alta 44 4.7 Temperaturas dentro del Generador de Alta obtenida de una simulación 44 4.8 Temperaturas real y modelada del HTG dentro del Generador de Alta. Gráfica de los errores 45 4.9 Temperaturas real y modelada del agua en la salida del Generador de Alta. Gráfica de los errores 46 4.10 Temperaturas real y modelada del agua en el Evaporador. Gráfica de los errores 46 4.11 Temperaturas real y modelada del agua en el Refrigerador. Gráfica de los errores 47 4.12 Esquema del Captador-Máquina de Absorción en abierto 48 4.13 Comportamiento de la temperatura del agua en diferentes partes del sistema Captador- Máquina de Absorción en abierto 48 5.1 Esquema completo de la modelización 51 5.2 Esquema del bucle Captador-Acumulador 52 5.3 Temperatura del agua en diferentes puntos del sistema Captador-Acumulador junto con la temperatura de la hidroquinona dentro del acumulador de energía 53 5.4 Zoom de la Figura 5.3 en la zona de fusión de la hidroquinona 54 5.5 Esquema del bucle Captador-Máquina de Absorción 54 5.6 Esquema del bucle Captador-Acumulador de la ETSI 55 5.7 Comportamiento de la temperatura del agua en diferentes partes del sistema Captador- Máquina de Absorción en bucle 55 5.8 Zoom de la zona más interesante del comportamiento de la temperatura del agua en diferentes partes del sistema Captador-Máquina de Absorción en bucle 56 5.9 Irradiancía del día 17 de agosto de 2009 64 5.10 Simulación de la planta completa con datos de la máquina de absorción del 17 de agosto de 2009 65 5.11 Ampliación de la simulación de la planta completa con datos de la máquina de absorción del 17 de agosto de 2009 en el tramo 3 66
Índice de Tablas 2.1 Diferencia entre la tecnología de los captadores parabólicos y los captadores lineales de Fresnel [?,?] 10 2.2 Características del sistema de captación solar de Fresnel de la ETSI de Sevilla 11 2.3 Dimensiones y propiedades del tubo receptor 11 2.4 Dimensiones y propiedades del reflector secundario 11 2.5 Variables de la modelización del colector solar. El asterisco significa que estos valores se siguen de un conjunto de funciones implementadas en Matlab 14 2.6 Parámetros de la modelización del colector solar. El asterisco significa que estos valores se siguen de un conjunto de funciones implementadas en Matlab 15 2.7 Indicadores de calidad del error. Errores en la modelización del captador solar del día 29/06/2009 21 3.1 Características del acumulador de la ETSI 26 3.2 Características básicas de la Hidroquinona 26 3.3 Variables de entrada y salida en el acumulador de energía 28 3.4 Parámetros en el acumulador de energía 29 3.5 Indicadores de calidad del error en dos días diferentes 33 4.1 Parámetros nominales de la máquina de absorción BROAD-BZH 15 38 4.2 Variables del generador de alta en la máquina de absorción 42 4.3 Parámetros del generador de alta en la máquina de absorción 42 4.4 Variables y parámetros del evaporador en la máquina de absorción 42 4.5 Variables del refrigerador en la máquina de absorción 43 4.6 Errores en la modelización de los componentes de la máquina de absorción 47 5.1 Valores de inicio y de funcionamiento del programa de ejecución de la planta completa 63 71