ES2575705T3

ES2575705T3 - Sistema de concentración solar

Info

Publication number: ES2575705T3
Application number: ES12755903.7T
Authority: ES
Inventors: Arturo De Risi; Marco MILANESE; Gianpiero Colangelo; Domenico Laforgia
Original assignee: Universita del Salento
Current assignee: Universita del Salento
Priority date: 2011-07-11
Filing date: 2012-07-10
Publication date: 2016-06-30
Anticipated expiration: 2032-07-10
Also published as: JP2014525025A; EA201301330A1; US20140130791A1; WO2013008181A2; EP2557373A1; EP2732218A2; BR112014000605A2; WO2013008181A3; EP2732218B1

Abstract

Sistema de concentración solar que comprende un espejo concentrador solar (1) con un elemento receptor (2) en su posición focal, caracterizado por que el fluido de transferencia de calor que fluye por el interior de dicho elemento receptor (2) está compuesto por nanofluido a base de gas (3).

Description

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DESCRIPCION

Sistema de concentracion solar

[0001] El objeto de la presente invencion es un tipo particular de concentrador solar termodinamico basado en el uso de nanofluidos a base de gas y, particularmente, desarrollado para aplicaciones de alta temperatura.

[0002] Uno de los principales problemas en el uso de sistemas solares de alta temperatura es individualizar los fluidos termo-vectoriales facilmente manipulables que garantizan la posibilidad de transportar grandes flujos termicos. En el estado actual de la tecnica, se utilizan al menos dos tipos diferentes de fluidos termo-vectoriales; los aceites de transmision de calor y las mezclas de sales fundidas. El aceite de transmision de calor es uno de los primeros fluidos utilizados en este campo y es principalmente desventajoso debido a su naturaleza ffsica-qufmica; que no puede exceder temperaturas de 390°, por encima de las que comienza a perder sus caracteristicas peculiares. Un aspecto de este tipo influencia negativamente sus actuaciones en la planta solar termodinamica. Por otra parte, los aceites de transmision de calor son altamente toxicos y contaminantes si se dispersan en el medio ambiente.

[0003] A continuacion, se han utilizado otros tipos de fluidos, como por ejemplo mezclas de sales fundidas, con las que es posible alcanzar temperaturas de fluido termo-vectorial de aproximadamente 550 °C, pero que resultan en complicaciones desventajosas de la planta. Los principales problemas relacionados con el uso de sales fundidas en las plantas solares termodinamicas estan ligados a la necesidad de mantener las mismas constantemente a una temperatura superior a 250 °C con el fin de no generar problemas de solidificacion de las mismas dentro de la planta resultando de este modo en bloques inevitables de funcionamiento y altos costes de mantenimiento para restablecer las condiciones operativas. A fin de mantener el nivel minimo de temperatura anteriormente descrito, y para permitir que los transitorios termicos sean sobrepasados, aguas abajo de los concentradores solares, la planta consiste normalmente en dos sistemas de acumulacion termica, un denominado pozo caliente y frio, generalmente conformados de grandes reservorios termicos dimensionados. Dichos sistemas de acumulacion de calor implican altos costes de realizacion y de mantenimiento, garantizando incluso una produccion de energia electrica aproximadamente constante en 24 horas.

[0004] Por lo tanto, en el estado actual de la tecnica resulta bastante claro tanto la necesidad de individualizar un fluido termo-vectorial que resuelve los inconvenientes descritos anteriormente, como el estudio simultaneo de un concentrador provisto de un "elemento receptor" que permite utilizar el nuevo fluido termo-vectorial individualizado.

[0005] En esta perspectiva, una categoria de fluidos muy convenientes tanto para las caracteristicas termicas como para la simplicidad en la manipulacion de las plantas solares termodinamicas se representa por los nanofluidos. La idea de aumentar el intercambio termico en los fluidos mediante la suspension de particulas de material conductor termico elevado fue propuesta por Maxwell en "A Treatise on Electricity and Magnetism" en 1881. El uso de nanoperlas se divulga en el documento US 2007 084460.

[0006] De todos modos, los nanofluidos son relativamente nuevos. Los mismos representan una categoria de nuevos fluidos de intercambio termico, obtenidos por dispersion dentro de particulas solidas de fluido de base con conductividad termica mas alta que el fluido de base y con dimensiones inferiores a 50 nm. Experimentalmente, se observa que el aumento de la conductividad termica del nanofluido es mas alta que la que se obtendria por mediante la simple ponderacion media de las conductividades individuales; por otra parte las nanoparticulas determinan un aumento en el coeficiente de intercambio termico por conveccion de superficie-nanofluido con respecto al caso de fluido de superficie-base. Con el fin de superar las limitaciones tecnologicas mencionadas anteriormente acerca de los fluidos de transferencia de calor tradicionales (aceite sintetico o sal fundida), se han realizado algunos experimentos en todo el mundo utilizando aire como el fluido de trabajo de la planta; sin embargo, estos experimentos han revelado problemas considerables de caracter tecnologico, principalmente ligados a la combinacion de altas presiones y temperaturas necesarias para la planta de operacion. Con respecto a las primeras experiencias con respecto a colectores solares basados en aire como fluido de transferencia de calor, las nanoparticulas permiten aumentar la tasa de capacidad de calor del fluido de transferencia de calor, lo que reduce las presiones de trabajo y resuelve diversos problemas tecnicos.

[0007] Gracias a las dimensiones reducidas, las nanoparticulas permanecen en suspension, incluso a velocidades de flujo muy bajas evitando de este modo los depositos, a diferencia de lo que sucederia con particulas de mayor diametro. Ademas, gracias al diametro muy bajo, la superficie de intercambio de las nanoparticulas es aproximadamente 1000 veces mas grande que la que se obtendria con particulas micrometricas. La gran superficie de intercambio y la baja masa son dos caracteristicas fundamentales que hacen que el uso de nanoparticulas sea particularmente indicado para proporcionar suspensiones aptas para la transferencia de calor.

[0008] Con el fin de obtener una mejora de las propiedades termicas del fluido, las particulas tanto de naturaleza metalica como no metalica se pueden utilizar en concentraciones variables. Los estudios acerca de los nanofluidos demuestran que es posible utilizar bajas concentraciones de nanoparticulas para mejorar significativamente las propiedades termicas del fluido de base.

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[0009] Otra ventaja de los nanofluidos en general tiene que ver con aumento del coeficiente de absorcion optica con respecto al fluido de base. La absorcion es una propiedad optica que se realiza cuando, tras poner una porcion de la sustancia en contacto con radiacion electromagnetica, es capaz de absorber la energia de la radiacion de la misma. Una absorcion de este tipo es una funcion no solo de la naturaleza de la sustancia, sino tambien de la radiacion y, en particular, de su longitud de onda. Los coeficientes de absorcion de los nanofluidos resultan elevados, sobre todo en la region visible.

[0010] El uso de nanofluidos a base de gas puede producir un aumento significativo en el rendimiento de los sistemas solares termodinamicos bajo el efecto de la absorcion directa de la radiacion solar en el interior del receptor. Por otra parte, el uso de nanofluidos a base de gas puede facilitar mas el control de las plantas solares termodinamicas, ya que no hay necesidad de grandes sistemas de acumulacion termica, que hoy son indispensables en las plantas que utilizan sales fundidas como fluido termo-vectorial.

[0011] En la presente invencion se propone una solucion alternativa al uso de fluidos de transferencia de calor tradicionales (sales fundidas, aceites sinteticos y similares) o nanofluidos a base de liquido, mediante el uso de un receptor solar transparente en el que una nanofluido a base de gas puede absorber directamente la radiacion solar, mejorando el rendimiento termodinamico del sistema solar.

[0012] Los problemas anteriores se resuelven mediante el sistema de concentracion solar de la reivindicacion 1.

[0013] La presente descripcion se refiere a las siguientes tablas de 1/3 a 3/3, que muestran una realizacion preferida y absolutamente no limitativa de la presente invencion. En particular:

• la Figura 1 muestra un esquema del mecanismo del sistema para la recepcion de la radiacion solar, que representa los elementos fundamentales del sistema de la concentracion;

• la Figura 2 muestra una vista panoramica axonometrica del concentrador solar y del tubo receptor;

• la Figura 3 muestra una vista detallada de una realizacion preferida del tubo receptor, con la que se proporciona el concentrador solar;

• la Figura 4 muestra una vista detallada de una segunda realizacion preferida del tubo receptor con el que se proporciona el concentrador solar;

• la Figura 5 muestra una vista detallada de una tercera realizacion del tubo receptor con el que se proporciona el concentrador solar;

• la Figura 6 muestra un plano en planta de la planta termodinamica asociada al sistema de receptores solares;

• la Figura 7 muestra una esquematizacion de una planta solar termodinamica de altas temperaturas de tipo torre solar.

[0014] Como se muestra en los dibujos adjuntos 1 y 2, la presente invencion proporciona disponer en la posicion focal del espejo concentrador solar 1 un nuevo diseno de receptor 2, dentro del que el nanofluido a base de gas 3 fluye, que se calienta en si tras la absorcion directa de la radiacion solar concentrada 4 procedente del sol 17.

[0015] Nanofluido indica cualquier fluido, dentro del que se dispersan particulas nanometricas, que son capaces de mejorar la conveccion conductora, y la capacidad de intercambio termico radiactiva del fluido de base. En particular, los nanofluidos se componen de un fluido de base al que se anaden polvos nanometricos de oxidos metalicos (CuO, Fe2O3, TiO2, ZnO, moO3, etc...) u otros materiales con el fin de optimizar la propiedades termicas del fluido de transferencia de calor. Como se ha mencionado anteriormente, en la invencion propuesta el fluido de transferencia de calor puede ser una mezcla de un gas con particulas sub-micrometricas absorbentes (CuO, Fe2O3, TiO2, ZnO, moO3 u otros materiales como, por ejemplo, metales). El nanofluido a base de gas podria, de hecho, ser una mezcla que consiste en un fluido de base (aire, nitrogeno u otro gas) y nanoparticulas dispersas en el mismo.

[0016] En la Figura 3, se muestra una primera realizacion preferida absolutamente no limitativa del cuerpo receptor 2, que se compone de una pluralidad de conductos cilindricos acristalados, concentricos entre si. En un ejemplo, la configuracion con dos conductos, comenzando desde el conducto mas interior, 5 indica el atravesado por el nanofluido a base de gas 3 como fluido termo-vectorial, 6 indica el conducto exterior y entre el conducto 5 y el conducto 6 se interpone un material transparente, que aisla la luz solar (por ejemplo, aire, argon, aerogel etc...) o se realiza el vacio. Esto tiene por objeto aislar termicamente el receptor 2, debido a las altas temperaturas a las que se ve sometido el fluido en su interior. El mismo resultado se puede obtener alternativamente utilizando tres o mas conductos concentricos como se muestra en la Figura 4.

[0017] La Figura 5 muestra, en cambio, una realizacion alternativa del receptor 2, que proporciona el uso de un conducto 3 (dentro del que fluye el nanofluido) aislado termicamente por medio de un revestimiento aislante 8 y provisto de una ventana optica transparente 9.

[0018] La forma y el material para realizar el receptor con tubos concentricos 5, 6 y 7 o con la ventana optica 9 pueden ser diferentes siempre que el principio de absorcion optica de la radiacion solar por el nanofluido a base de gas se mantenga. Por lo tanto, el receptor solar 2 puede tener diferentes configuraciones geometricas (cilindrica,

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elipsoidal, rectangular, poligonal, etc...) y diferentes geometrias de acceso optico, que estan estrictamente vinculadas al tipo de concentrador solar.

[0019] Como se ha indicado anteriormente, el uso de nanofluidos a base de gas como fluido termo-vectorial en el campo de plantas solares termodinamica de altas temperaturas permite eliminar todas las complejidades de plantas que se generan aguas abajo de los sistemas de concentracion de energia solar actuales que utilizan sales en vez de fundidos como el fluido termo-vectorial. En los sistemas conocidos en el estado de la tecnica el sistema tiene, de hecho, que estar provisto de grandes reservorios de acumulacion termica para garantizar que la mezcla de sales fundidas no pase por debajo de los umbrales de temperatura prestablecidos. Por otra parte, en el caso del nanofluido a base de gas, las simulaciones han demostrado que la radiacion estimada con respecto a las eficiencias de conversion de energia termica podria ser superior al 80 % a temperaturas superiores a 700 K.

[0020] Como se muestra en la Figura 6, la disposicion de funcionamiento de un sistema solar termodinamico que utiliza nanofluidos como fluido termo-vectorial es similar a la de un sistema tradicional que se basa en el uso de sales fundidas, con la unica diferencia de que las acumulaciones termicas en su interior pueden tener dimensiones muy contenidas, ya que no tienen que garantizar una temperatura de funcionamiento minima en el sistema igual a 250 °C. En esta perspectiva, la acumulacion de calor solo sirve para superar los transitorios termicos vinculados a repentinos aumentos o reducciones de la radiacion solar incidente en el sistema. De acuerdo con el esquema simplificado que se muestra en la Figura 5, el campo de los receptores solares 10 recoge la radiacion solar y la concentra en el sistema con tubos de recepcion 11 dentro de los que se hace fluir el nanofluido 3 como el fluido termo-vectorial. En el interior del intercambiador de calor 12 (que sustituye las acumulaciones termicas proporcionadas en los sistemas antiguos conocidos) el fluido termo-vectorial proporciona calor a un segundo fluido, que se puede utilizar en un ciclo termodinamico sin esquematizar 13 (por ejemplo un ciclo de Rankine) seleccionado con la finalidad de la produccion final de energia electrica.

[0021] El mismo tipo de planta se puede garantizar en caso de que el sistema de recepcion de la radiacion solar sea de tipo torre solar, como se muestra esquematicamente en la Figura 7. Las ventajas de la utilizacion de nanofluidos a base de gas como fluido termo-vectorial permanecerian sin cambios, incluso si se cambian los elementos que constituyen el sistema de concentracion. Las plantas de torre solares proporcionan generalmente el uso de una pluralidad de reflectores ligeramente concavos 14 (dichos heliostatos) dispuestos alrededor de una torre 15, que se encuentra en el medio de la planta, en cuya parte superior se dispone el elemento receptor 16 de la radiacion solar. Por lo general, los heliostatos 14 se mueven en forma coordinada con el fin de reflejar la radiacion solar siempre hacia la parte superior de la torre durante el dia. Como se muestra en la representacion esquematica del funcionamiento de la Figura 7, la radiacion solar 4 incide sobre cada uno de los heliostatos 4 dispuestos en el suelo y se refleja posteriormente hacia la parte superior de la torre 15, donde se dispone un dispositivo receptor 16 de radiacion solar, en cuyo interior se proporciona un paso del fluido termo-vectorial constituido por el nanofluido a base de gas. La temperatura del nanofluido en este caso puede ser superior a 800 °C. La energia termica capturada por el nanofluido como termo-vector se transfiere despues a un ciclo termodinamico para la produccion final de energia electrica de manera similar al esquema termodinamico que se muestra en la Figura 6.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Sistema de concentracion solar que comprende un espejo concentrador solar (1) con un elemento receptor (2) en su posicion focal, caracterizado por que el fluido de transferencia de calor que fluye por el interior de dicho

5 elemento receptor (2) esta compuesto por nanofluido a base de gas (3).
2. Sistema de concentracion solar de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado por que dicho fluido de transferencia de calor (3) puede ser una mezcla de gas que consiste en un fluido de base, en particular, aire o nitrogeno y nanoparticulas dispersas en su interior.

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3. Sistema de concentracion solar de acuerdo con la reivindicacion 1 y 2, caracterizado por que dicho elemento receptor (2) esta compuesto por una pluralidad de conductos cilindricos acristalados, concentricos entre si (5, 6, 7), entre los que se interpone un material aislante transparente o se realiza el vacio.

15 4. Sistema de concentracion solar de acuerdo con la reivindicacion 1 a 3, caracterizado por que dicho elemento

receptor (2) esta provisto de una ventana optica transparente (9) para la absorcion de la radiacion solar directa (4) por parte del nanofluido (3).
5. Sistema de concentracion solar de acuerdo con la reivindicacion 1 y 4, caracterizado por que el elemento 20 receptor (2) esta termicamente aislado por medio de una capa de material aislante (8).
6. Planta solar termodinamica que utiliza el sistema de concentracion solar de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 5.

25 7. Planta solar termodinamica de tipo torre solar que utiliza el sistema de concentracion solar de acuerdo con una

cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 5.