Estudio termodinámico de un sistema compuesto por un concentrador solar acoplado a una microturbina de gas. Aplicabilidad y funcionalidad.

hwddj Equation Chapter 1 Section 1 Proyecto Fin de Carrera Ingeniería de la Energía Estudio termodinámico de un sistema compuesto por un concentrador solar acoplado a una microturbina de gas. Aplicabilidad y funcionalidad. Autor: Francisco José Rodríguez Tamayo Tutor: María de Lourdes García Rodríguez David Sánchez Martínez Dpto. Termotecnia Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, junio 2019 iii Proyecto Fin de Carrera Ingeniería de la Energía Estudio termodinámico de un sistema compuesto por un concentrador solar acoplado a una microturbina de gas. Aplicabilidad y funcionalidad. Autor: Francisco José Rodríguez Tamayo Tutores: María de Lourdes García Rodríguez, Catedrática de Máquinas y Motores Térmicos David Sánchez Martínez, Catedrático de Máquinas y Motores Térmicos Proyecto Fin de Carrera: Estudio termodinámico de un sistema compuesto por un concentrador solar acoplado a una microturbina de gas. Aplicabilidad y funcionalidad. Autor: Francisco José Rodríguez Tamayo Tutores: María de Lourdes García Rodríguez David Sánchez Martínez El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, junio 2019 El Secretario del Tribunal v A todos los tripulantes de este barco vii Agradecimientos A todas las personas que me han acompañado en este bonito camino. A los profesores que me han hecho crecer tanto en lo personal como en lo profesional, gracias por su empeño, vocación y dedicación. A mis compañeros, por haberme hecho conocer a un Kiko diferente del que salió de Valencina. A Teresa, Juanje, Consuelo, Ana Luisa, Ana tarifa, Guillermo y Álvaro. A todas las personas que compartieron mi experiencia de Erasmus. A María, Ana, Mili, Stefano, Matteo y Riccardo. A mis compañeros de AIESEC, Zalgo, AIC y a los que formaron parte de SEMEC, en especial: A Alejandro Jurado, por ser continuo apoyo y fuente de inspiración. A José reguera, por aportar lucidez en la oscuridad. A Raúl Recio, por todos los momentos vividos y por enriquecer la rutina. A Javier Rodríguez, por su experiencia y amistad. A Juan Mudarra, por ser un gran compañero y aportar esa serenidad necesaria. A Fernando Rabadán, por valorarme y hacerme mejor como persona. A Carmen de los Bueis, por aportar esa ilusión y ganas de aprender tan necesaria para el día a día. A Pepe Pizarro por no dejar nunca de crecer y ayudarme a hacer realidad mis sueños. A Pietro Fasciolo per essere sempre luce. A todos mis amigos que me han acompañado durante los buenos y malos momentos. Es importante no olvidar nunca de dónde vienes. En especial para Ángel Carballo por su continua motivación y valentía. A Javi, Carlos, Bruno, Juan, Alberto, Alejandro, Juanra, Julián, Miguel, Sofia, Arantxa, Justo, Pilar y Nacho. A mi familia, la Sevillana y la Gaditana. A mi abuelo Paco y mis abuelas Isabel y Teresa, gracias por hacerlo posible con vuestra dedicación y cariño. En especial a mis 4 pilares fundamentales, el motivo por que el nunca dejaré de reinventarme y crecer. A Teresa Rodríguez, por todos los momentos vividos y países compartidos, por su determinación y aktitud. A Miriam Rodríguez, por ser corazón y alegría. A María del Mar Tamayo, por cada día y cada mañana. Sobre todo, por lo días de distancia, por habernos hecho fuertes en ellos, gracias por tu amor incondicional. Por último, gracias a la persona que me hizo embarcarme en esta aventura. Gracias, profesor, gracias, ingeniero, por hacer que nunca deje de creer en mí y por enseñarme la importancia de esforzarme para hacerlo realidad. Gracias Papá, por tu ejemplo, por tus consejos y por tu manquepierda. Francisco José Rodríguez Tamayo Ingeniero de la Energía Sevilla, 2019 ix Resumen En este proyecto se trata el estudio termodinámico de un sistema de captación solar asociado a una microturbina de gas y su posible acoplamiento a un sistema de ósmosis inversa para depurar agua. Para el desarrollo del proyecto se ha realizado un modelo matemático con la herramienta Excel, la cual ha ido optimizando los procesos en función de la demanda requerida. Se han desarrollados diversos diseños tanto del disco, como de la radiación solar incidente, como variaciones del ciclo Brayton. Para una radiación de 780W/m^2, un diámetro de disco de 7m, una temperatura de entrada a la turbina de 900ºC y una relación de compresión de 3, se han obtenido rendimientos solar-eléctrico del 19% y 5.88kW eléctricos generados. Además, se ha estudiado la posibilidad de utilizar esta potencia eléctrica para potabilizar agua a través de la ósmosis inversa, obteniendo un precio de 3 a 3.5€ por metro cúbico, lo que la hace competitiva para zonas aisladas con recurso hídrico cercano. Tabla 3.20 Outputs, disminución de temperatura de entrada compresor, caudal de agua necesario 48 Tabla 3.21 Inputs comparación ciclos, planteamiento 1 49 Tabla 3.22 Resultado, ciclo Brayton Simple regenerativo 49 Tabla 3.23 Resultado, ciclo Brayton Inverso regenerativo 50 Tabla 3.24 Comparación resultados ciclo, potencia salida fijada 50 Tabla 3.25 Inputs comparación ciclos, planteamiento 2 52 Tabla 3.26 Comparación resultados ciclos, 7 m diámetro disco captador 52 Tabla 3.27 Comparación resultados ciclos, 9 m diámetro disco captador 53 Tabla 3.28 Inputs, comparación ciclos, elevando eficiencia regenerador 54 Tabla 3.29 Comparación resultados ciclos, eficiencia regenerador 0.9 54 3 3 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1 Captador Stirling 8 Figura 1.2 Esquema OMSoP 8 Figura 1.3 Mercados potenciales para la tecnología de concentración solar 9 Figura 2.1 Esquema sistema completo 11 Figura 2.2 Geometría captador 12 Figura 2.3 Proyección plano focal 12 Figura 2.4 Distribución Gaussiana 14 Figura 2.5 Representación balance energético absorbedor 16 Figura 2.6 Representación del cristal 16 Figura 2.7 Diagrama Sankey, absorbedor sin aislante térmico 18 Figura 2.8 Variación potencia solar y pérdidas convectivas con respecto a la irradiación solar 21 Figuras 2.9A Posibles propiedades a calcular con Refprop 21 Figura 2.9B Posibles propiedades a calcular con Refprop 22 Figuras 2.10A Comparación modelo inicial y modelo a partir de datos Refprop 24 Figuras 2.10B Comparación modelo inicial y modelo a partir de datos Refprop 25 Figuras 2.10C Comparación modelo inicial y modelo a partir de datos Refprop 25 Figura 3.1 Ejemplo microturbina de Gas 26 Figura 3.2 Esquema ciclo completo 26 Figura 3.3 Diagrama de Balje 27 Figura 3.4 Representación ciclo Brayton Simple Regenerativo 30 Figura 3.5 Diagrama de Balje, compresor, línea de Cordier 31 Figura 3.6 Diagrama de Balje, compresor, Ns, Ds determinadas 32 Figura3.7 Intercambiador contracorriente 33 Figura 3.8 Diagrama de Balje, turbina, línea de Cordier 34 Figura 3.9 Digrama de Balje, turbina, Ns, Ds determinados 35 Figura 3.10 Diagrama H-S Brayton simple regenerativo 35 Figura 3.11 Esquema ciclo Brayton Inverso, diferenciando puntos 39 Figura 3.12 Balance calor aportado en recuperador 40 Figura 3.13 Diagrama de Balje, turbina, Ns, Ds determinadas, ciclo Brayton inverso 41 Figura 3.14 Diagrama de Balje, compresor, Ns, Ds, determiandas,ciclo Brayton inverso 43 Figura 3.15 Diagrama H-S Brayton inverso regenerativo. 44 Índice de Figuras Figura 3.16A Influencia mejora recuperador para una masa fijada en 0.056kg/s 47 Figura 3.16B Influencia mejora recuperador para una masa fijada en 0.092kg/s 47 Figura 3.17 Comparación, diagrama H-S ciclo Brayton simple e inverso 49 Figura 3.18 Diagrama Sankey Ciclo Brayton Simple regenerativo 55 Figura 3.19 Diagrama Sankey Ciclo Brayton Inverso regenerativo 55 Figura 4.1 Mapa mundial sobre la necesidad de agua en zonas del planeta 56 Figura 4.2 Mapa mundial con la radiación horizontal incidente por zonas. 56 Figura 4.3 Proceso de ósmosis 57 Figura 4.4 Proceso de ósmosis inversa 57 Figura 4.5 Esquema completo sistema 58 5 5 Glosario α Absortividad Θ Ángulo de borde A Área Δ Variación de temperatura con respecto a la fijada a la entrada de la turbina Cp Calor específico aire M Caudal másico Kint Coeficiente de película interior Kext Coeficiente de película exterior Krec Perdida carga recuperador. Σ Constante de Stefan Boltzman μ Desviación estándar Índice de Figuras D Diámetro Ds Diámetro angular específico. F Distancia focal 𝜀 Eficiencia Ε Emisividad H Entalpía G Flujo másico superficial 𝛾 Coeficiente de dilatación adiabática I Irradiancia NTU Número de unidades de transferencia Ns Velocidad angular específica N Velocidad angular RC Relación de compresión RE Relación de expansión Ro Densidad Pc Pérdidas convectivas Pr Pérdida radiante W Potencia Q Potencia térmica r Radio Λ Reflectividad η Rendimiento T Temperatura τ Transmisividad U Coeficiente de trasmisión global 7 7 1 INTRODUCCIÓN ste trabajo fin de grado versa sobre la incipiente necesidad de transformación del modelo energético de la sociedad. Desde hace ya años se ha ido haciendo palpable esta necesidad de cambio. El hecho de continuar con este ritmo de consumo, transporte y crecimiento económico conllevaría consecuencias nefastas para nuestra sociedad en general y para nuestro modelo de vida en particular. Ante esta situación, se plantean diversas soluciones, las cuales deben de ser llevadas en conjunto por las diferentes instituciones participes. Para ello, las universidades, gobiernos y ciudadanos deben de cooperar para alcanzarlos. Hacen faltan medidas críticas, creativas y que amplíen horizontes, es por ello por lo que se hace de vital importancia la participación del mayor número de personas. En este sentido, se estudia la tecnología como piedra angular de estas medidas, como forma de conectar y facilitar la vida de las personas. En concreto, se estudia la potencialidad del desarrollo de las tecnologías energéticas. Yendo más en profundidad, se analiza la idea de aprovechar los recursos existentes en el planeta y que no supongan el aumento del calentamiento global hasta límites insostenibles. En esta vía de desarrollo sostenible y tecnologías energéticas se inscribe el tema de la energía solar. La energía solar puede satisfacer numerosas necesidades. Producir electricidad, agua caliente sanitaria, desalación, etc. Numerosas aplicaciones que han sido estudiadas, desarrolladas y comercializadas en las últimas décadas. En este sentido, cada vez más, el mercado energético se está abriendo a este tipo de tecnologías renovables. Dicha apertura es la consecuencia de su competitividad económica con otro tipo de tecnologías y la apuesta que desde las instituciones gubernamentales se está haciendo hacia esta transición energética. Desde el punto de vista técnico, la energía solar se divide en dos grandes grupos, la fotovoltaica y la de concentración solar. En este proyecto se comentará el tema de la energía solar térmica de concentración. Más en concreto, se tratará su posible integración con una microturbina de gas y el aprovechamiento de los excedentes de dicho proceso. Buscando siempre la optimización, el ahorro y la eficiencia del proceso. En conclusión, se puede decir que el motivo de este trabajo fin de grado es entender mejor estas tecnologías y su aplicabilidad. Dentro de la energía solar de concentración, los sistemas más desarrollados son: cilindro parabólico, Fresnel, concentrador de torre y Disco Parabólico (Stirling). El estudio de este proyecto se centra en este último sistema. Esta tecnología consiste en aprovechar la energía térmica proveniente del sol, a partir de un disco parabólico que concentra en un punto, el cual aumenta mucho su temperatura. Esto último hace que sea un proceso eficiente, si bien es cierto que esta no es la única ventaja que presenta este tipo de sistema ya que también destaca por su modularidad y su uso como tecnología aislada, debido al hecho de que no precisa del uso de agua o la necesidad de estar conectado a la red. E «La ciencia no es sino una perversión de sí misma, a menos que tenga como objetivo final el mejoramiento de la humanidad». - Nikola Tesla Introducción Como se puede comprobar en fig1.1. La estructura solar lleva acoplada un motor térmico. En el caso de dicha imagen, es un motor Stirling que presenta la ventaja de su rendimiento (30%, cercano al rendimiento de Carnot), como se ha comentado anteriormente. Sin embargo, y debido a la escasa apuesta que se ha llevado a cabo, es una tecnología poco madura y que precisa de mucho mantenimiento, lo que eleva su coste de operación. Fig. 1.1 Captador Stirling En este contexto, se plantea el estudio del acoplamiento de una microturbina de gas, la cual potencialmente podría paliar las desventajas existentes en el motor Stirling. Dicha idea es obtenida a partir del proyecto OMSoP, en el cual participan diversas universidades y empresas del panorama energético, entre ellas la Universidad de Sevilla. Fig. 1.2 Esquema OMSoP 9 9 El principal objetivo de este proyecto es encontrar soluciones técnicas que hagan desarrollar el estado del arte en el que se encuentra dicha tecnología. Para mejorar la realización y disminuir los costes del conjunto microturbina-concentrador solar se hacen necesarias este tipo de proyectos de innovación. En cuanto a la aplicabilidad de esta tecnología se busca sobre todo potenciar su ventaja como sistema para zonas aisladas. Fig. 1.3 Mercados potenciales para la tecnología de concentración solar. Como se puede comprobar es un mercado amplio y diverso, lo cual indica que se deberán buscar diferentes soluciones en función de las diferentes situaciones y condiciones en las que se sitúe el sistema. Es este momento en el que entra el tema del aprovechamiento energético y diversas vías en las que se puede complementar el conjunto Disco-Microturbina. Algunas, ya estudiadas como la destilación (trabajo fin de grado de Miguel Rollán) y otras nuevas como lo son la ósmosis inversa o nanofiltración para depuración de agua o el acoplamiento de un sistema orgánico mediante un ciclo Rankine. Todo ello en función de su cercanía o lejanía al mar, de su irradiación media o del uso doméstico o industrial que se le quiere dar. Introducción 11 2 CAPTADOR SOLAR-ABSORBEDOR E realiza un modelo matemático para explicar la parte técnica y termodinámica del proyecto. Para la correcta parametrización y optimización del sistema disco-microturbina, éste se divide en 4 partes. Dichas partes son el concentrador, el receptor, la microturbina y la parte de aplicación de la potencia eléctrica producida (nanofiltración, ósmosis inversa). Fig. 2.1. Esquema sistema completo 2.1 Concentrador Para el primer apartado se tomará como punto de partida (input) la irradiancia solar directa, I. Dicha radiación llegará a la superficie reflectora del receptor y se verá reflejada en la cavidad del absorbedor. Por tanto, esta primera parte del modelo tendrá como salida (output) la potencia y eficiencia óptica del concentrador. Para su correcto estudio se tendrá en cuenta tanto la parte geométrica como la termodinámica. Se realizará una simulación a partir de unos datos predeterminados estándar. S Texto elaborado por Francisco J. Rodríguez Tamayo, estudiante de Ingeniería de la Energía de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de la Universidad de Sevilla Captador solar-absorbedor 18 2.2.3 Absorbedor El absorbedor se supone un cuerpo negro de emisividad uno. El aumento de temperatura del caudal de aire se debe a la trasmisión de calor por convección interna. Ec2.6 2.2.4 Resultados Se han valorado dos opciones con y sin aislante interior; los resultados son los siguientes: 2.2.4.1 Sin aislante Fig. 2.7 Diagrama de Sankey Con este diagrama de Sankey comprobamos el rendimiento que tiene el conjunto concentrador-absorbedor. A destacar las pérdidas debidas a la radiación, sobre todo. En este primer modelo hay muchas pérdidas en el cristal, esto es debido a que no se ha tenido en cuenta el aislante interior que tiene el cristal que impide que haya pérdidas hacia el exterior de la cavidad, es decir todas las pérdidas se pueden reducir a las radiantes y las convectivas externas. Eficiencia 𝜂 Concentrador Incidencia Plano focal Cavidad Térmica Convectiva Cristal TOTAL 0,95 0,80 1 0,99 0,97 0,35 0,26 19 19 Estudio termodinámico de un sistema compuesto por un concentrador solar acoplado a una microturbina de gas. Aplicabilidad y funcionalidad. Tabla 2.5 Outputs del conjunto captador-absorbedor En cuanto a la potencia se obtiene lo siguiente: Tabla 2.6 Outputs, Potencia absorbedor sin aislante térmico interior La potencia térmica transferida al aire que entrará en la microturbina de gas supone un 25% de lo que incide en el concentrador solar. 2.2.4.2 Con aislante interior Propuesta: hacer lo mismo con un aislante interior. Todas las pérdidas convectivas internas irían a parar a el aire. Entonces las pérdidas se reducirían a pérdidas radiantes y pérdidas convectivas externas, PR y PC. Ec2.7 Ec2.8 Donde todos los parámetros están previamente definidos, excepto Arev que es el área del receptor. Con esto obtenemos los siguientes parámetros, mucho más cercanos a los planteados con los otros modelos: Inputs I(W/m2) D (m) ϴs (rad) Radio Receptor(m) T4=Ts (K) AIRE SALIDA 780 7 0,007 0,082 1073 Outputs m (kg/s) Tg (K) Potencia solar (W) Potencia UTIL (W) Eficiencia TOTAL 0,035 1058 30017 24097 0,80 Tabla 2.7 Resultados con aislante interior Se ha conseguido un modelo para el conjunto disco-absorbedor en el que a partir de unos datos de entrada como lo son la irradiancia, geometría del disco, geometría del receptor y temperatura de salida del aire, se obtiene la cantidad de aire de entrada, la temperatura del cristal, la potencia que llega al concentrador, la que se transmite al aire y la eficiencia del proceso. Por lo que se concluye que se ha conseguido lo que se planteaba para esta primera parte del trabajo. Potencia solar (W) Potencia útil (W) 108065 27844 Captador solar-absorbedor 20 2.2.4.2.1 Variación en la irradiación Finalmente, se han realizado unos pequeños ajustes para obtener los datos más reales posibles. Se han tomado los datos de la tabla 2.4 para obtener los datos más cercanos a la realidad del silicio. Además, se ha variado la radiación solar para ver cómo influye en la eficiencia tanto del concentrador como la del absorbedor. Los resultados son los de la tabla 2.8. En dicha tabla se puede comprobar que para unos valores fijos de la geometría del captador y del receptor se obtiene un rendimiento constante en el captador. La irradiación solar, en cambio, sí tiene un efecto notable positivo en la eficiencia del captador. Si las pérdidas por radiación aumentan con la irradiación solar, ¿por qué mejora la eficiencia a medida que aumenta este parámetro? Esto es debido a que un aumento de la irradiación también conlleva un aumento de la potencia solar y, en este caso, este segundo factor prevalece frente al primero, por lo que, a mayor irradiación, mejor eficiencia. Dicho suceso se puede ver en la Fig. 2.8. Irradiación (W/m^2) Eficiencia concentrador Eficiencia Absorbedor EfIciencia Total % 600,00 0,91 0,73 0,66 625,00 0,91 0,73 0,66 650,00 0,91 0,74 0,67 675,00 0,91 0,74 0,67 700,00 0,91 0,75 0,68 725,00 0,91 0,75 0,68 750,00 0,91 0,75 0,68 775,00 0,91 0,76 0,69 800,00 0,91 0,76 0,69 825,00 0,91 0,76 0,69 850,00 0,91 0,77 0,70 875,00 0,91 0,77 0,70 900,00 0,91 0,77 0,70 925,00 0,91 0,77 0,70 950,00 0,91 0,78 0,71 975,00 0,91 0,78 0,71 1000,00 0,91 0,78 0,71 1025,00 0,91 0,78 0,71 1050,00 0,91 0,79 0,71 1075,00 0,91 0,79 0,71 1100,00 0,91 0,79 0,72 1125,00 0,91 0,79 0,72 1150,00 0,91 0,79 0,72 1175,00 0,91 0,79 0,72 1200,00 0,91 0,80 0,72 Tabla 2.8 Eficiencia en función de la radiación solar 21 21 Estudio termodinámico de un sistema compuesto por un concentrador solar acoplado a una microturbina de gas. Aplicabilidad y funcionalidad. Fig. 2.8 Potencias con respecto a la irradiación solar Cabe destacar, en este punto que las pérdidas convectivas permanecen constantes. Esto no es real ya que la variación del caudal de aire que se produce debido a la variación de la radiación solar y el posterior ajuste de la temperatura de entrada a la turbina constante conllevaría que el coeficiente de película interior varíe. Podría ser una mejora posible del modelo realizado. 2.2.4.2.2 Ajuste cp Otra mejora posible es no realizar la hipótesis de gases ideales para aire seco o húmedo. Dicha mejora se ha probado con el programa REFPROP con el siguiente procedimiento: Se busca obtener la función Cpm, utilizando el formulario de termodinámica y las tablas de propiedades de REFPROP con las especificaciones mostradas a continuación. Se suponen condiciones estándar de gas ideal a presión atmosférica. Se obtiene con REPROP coeficiente del virial y su derivada para luego parametrizar y obtener la función de Cpm requerida. Conviene mostrar las posibles propiedades calculadas con el REFPROP, las siguientes serán las necesarias: Fig. 2.9A Propiedades Refprop 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 600 625 650 675 700 725 750 775 800 825 850 875 900 925 950 975 1000 1025 1050 1075 1100 1125 1150 1175 1200 POTENCIA (W) IRRADIACIÓN SOLAR (W/M^2) Potencia solar (W) Perdidas radiactivas Captador solar-absorbedor 22 Fig. 2.9B Propiedades Refprop Esto se muestra para ver la potencialidad de dicho proyecto y como se podrían parametrizar las propiedades del aire seco a partir de los datos obtenidos en REFPROP. En este caso, se establece presión constante 0.1 kPa y se varía la temperatura desde 280 K a 1400K para tener un rango alto de temperatura de operación. 23 23 Estudio termodinámico de un sistema compuesto por un concentrador solar acoplado a una microturbina de gas. Aplicabilidad y funcionalidad. Se establece Cpm como: 𝐶𝑝𝑚=(𝐻𝑚2−𝐻𝑚1) (𝑇2−𝑇1) 𝑬𝒄𝟐.𝟗 Para el cálculo de la variación de entalpía se hace uso del formulario de termodinámica. Ec2.10 Se supone una T2 de salida, en este caso la calculada, 1173 K. Se calcula Cpm y se hace una iteración para obtener la temperatura de salida utilizada finalmente. Con esta correción se han obtenido los siguientes datos de eficiencia con respecto a irradiación solar: Radiación (W/m^2) Eficiencia concentrador Eficiencia Absorbedor EfIciencia Total % 600,00 0,91 0,74 0,67 625,00 0,91 0,75 0,68 650,00 0,91 0,75 0,68 675,00 0,91 0,75 0,68 700,00 0,91 0,76 0,69 725,00 0,91 0,76 0,69 750,00 0,91 0,77 0,69 775,00 0,91 0,77 0,70 800,00 0,91 0,77 0,70 825,00 0,91 0,77 0,70 850,00 0,91 0,78 0,71 875,00 0,91 0,78 0,71 900,00 0,91 0,78 0,71 925,00 0,91 0,78 0,71 950,00 0,91 0,79 0,71 975,00 0,91 0,79 0,72 1000,00 0,91 0,79 0,72 1025,00 0,91 0,79 0,72 1050,00 0,91 0,79 0,72 1075,00 0,91 0,80 0,72 1100,00 0,91 0,80 0,72 1125,00 0,91 0,80 0,72 1150,00 0,91 0,80 0,73 1175,00 0,91 0,80 0,73 1200,00 0,91 0,80 0,73 Tabla 2.9 Eficiencia en función de radiación solar (Cp ajustada con Refprop) Se llega a un 70 % de eficiencia total para la irradiación tomado de 780 W/m^2. Estos datos cuentan con una mayor precisión ya que tienen en cuenta la evolución de Cpm. Si comparamos los dos modelos, nos queda lo siguiente: Captador solar-absorbedor 24 Fig. 2.10.A Comparación de modelos Los datos utilizados parten del programa REFPROP el cual es referencia en el panorama termodinámico por lo que el modelo ha mejorado. Otra posible mejora sería parametrizar el aire húmedo. El resultado final es el siguiente, para la comparación del primer modelo con respecto al segundo: Fig. 2.10.B Eficiencia modelos Se obtiene una pequeña diferencia en ambos modelos. 0,9 0,95 1 1,05 1,1 1,15 1,2 1,25 270 320 370 420 470 520 570 620 670 720 770 820 870 920 970 1020 1070 1120 1170 1220 1270 1320 1370 Comparación modelos (Cp vs Temperatura) Modelo 2 Modelo 1 0,62 0,64 0,66 0,68 0,70 0,72 0,74 600,00 625,00 650,00 675,00 700,00 725,00 750,00 775,00 800,00 825,00 850,00 875,00 900,00 925,00 950,00 975,00 1000,00 1025,00 1050,00 1075,00 1100,00 1125,00 1150,00 1175,00 1200,00 Comparación eficiencia modelos EfIciencia Total M1 EfIciencia Total M2 25 25 Estudio termodinámico de un sistema compuesto por un concentrador solar acoplado a una microturbina de gas. Aplicabilidad y funcionalidad. En caso de la potencia se obtiene lo siguiente: Fig. 2.10.C Potencia modelos En este caso se ve una diferencia mucho menos notoria para ambos modelos con lo que se concluye que sólo tendrá sentido si se está realizando un trabajo en el que se necesite mucha precisión. En conclusión, el aporte térmico realizado del conjunto captador-absorbedor con las características planteadas (Tabla 2.9) es el siguiente: Qrv (kW) 20,58 Tabla 2.10 Output, potencia térmica transferida a la microturbina 2.2.4.2.3 Variación en el diámetro Se varía el diámetro del disco manteniendo constante la proporción disco/absorbedor. Se comprueba que para dicha proporción la eficiencia permanece constante. Conforme se va aumentando el diámetro del disco se obtiene mayor potencia térmica en el receptor. Dichos datos se resumen en la tabla 2.11. D (disco) (m) d (absorbedor) (m) 𝜀 captador 𝜀 absorbedor 𝜀 TOTAL Qrv (kW) 5 0,055 0,89 0,77 0,685 10427 7 0,077 0,89 0,77 0,685 20438 9 0,099 0,89 0,77 0,685 33785 11 0,121 0,89 0,77 0,685 50469 13 0,143 0,89 0,77 0,685 70490 15 0,165 0,89 0,77 0,685 93848 Tabla 2.11 Variación en función del diámetro del disco, outputs eficiencia y potencia térmica 15000 17000 19000 21000 23000 25000 27000 29000 31000 33000 600 625 650 675 700 725 750 775 800 825 850 875 900 925 950 975 1000 1025 1050 1075 1100 1125 1150 1175 1200 Comparación Potencia Útil modelos Potencia Uti Modelo 1 (W) Potencia Util Miodelo 2 (W) Microturbina de gas 26 3 MICROTURBINA DE GAS Fig. 3.1 Microturbina de gas En la microturbina es donde la potencia térmica aportada al aire en el captador solar se transforma en potencia mecánica y posteriormente en eléctrica. En ella se sigue, en principio, un ciclo Brayton simple regenerativo. Los elementos que componen la microturbina son un compresor, un intercambiador (recuperador de calor), un receptor de aire y la turbina. Fig. 3.2 Esquema del ciclo Brayton Simple 27 27 Estudio termodinámico de un sistema compuesto por un concentrador solar acoplado a una microturbina de gas. Aplicabilidad y funcionalidad. Tanto el compresor como la turbina son centrífugos, debido a que el caudal volumétrico de aire circulante por el motor es muy bajo. Además, ambos componentes están unidos por un mismo eje, girando a la misma velocidad. Se estudia el diseño en un solo eje debido a las limitaciones geométricas y a la dificultad que supondría un montaje en dos ejes. El generador eléctrico transforma dicha energía mecánica en eléctrica. En cuanto al receptor solar, sería posible añadirle en serie una cámara de combustión, para permitir hibridación con combustible, lo cual conlleva una mayor flexibilidad y un rango de operación mayor, ya que no depende exclusivamente del aporte solar. Sin embargo, en este modelo sólo se tendrá en cuanta el aporte proveniente de la radiación solar. El modelo se basa en una serie de balances de masa de energía y de materia de los distintos componentes. En cuanto al aire se toman valores obtenidos del programa REFPROP en función de la temperatura y de la composición del aire. Todo ello buscando un mayor detalle y validez de los resultados obtenidos. Se ha calculado el valor de su calor específico (Cp) con respecto a la temperatura y las ecuaciones de estado truncadas hasta el segundo coeficiente del virial (𝛽). Se valora la posibilidad de hacer el estudio y la comparación del comportamiento del aire seco y del aire húmedo. Por otro lado, se realizará la comparación entre el ciclo Brayton simple regenerativo y el ciclo Brayton inverso. La forma de proceder en ambos casos será la misma, fijada la potencia específica en 5 kW, la temperatura de entrada de la turbina en 900ºC y la relación de compresión en 3. Se estiman rendimientos que luego serán corregidos en el diagrama de Balje tanto en el compresor (Fig3.6), como en la turbina (Fig3.8), siempre buscando su cercanía a la línea de Cordier, es decir, su optimización. 3.1 Compresor Se elige un compresor centrífugo debido al bajo caudal másico del aire. Fig. 3.3 Diagrama de Balje En el compresor es donde ocurre la compresión del aire proveniente del exterior, dicha compresión no es isentrópica y sigue la relación de compresión siguiente: Microturbina de gas 34 3.5.1.3 Receptor solar Previamente expresada en el apartado 3.3. 3.5.1.4 Turbina En el caso de la microturbina se actúa igual que en el caso del compresor. Se usa el diagrama de Balje para establecer el rendimiento óptimo de la máquina. m/ro (m^3/s) Ah (kJ/kg) 0.113 313.985 Tabla 3.5 Parámetros a buscar diagrama de Balje, turbina Fig. 3.8 Diagrama de Balje, turbina, Linea de Cordier Al igual que en el caso del compresor, se buscará la cercanía con la línea de Cordier. Se utilizan los mismos parámetros Ws y Ds pero ajustados para la turbina. 𝐴ℎ𝑡=𝐶𝑝5×𝑇5×(1−𝑅𝑒𝛾−1 𝛾) Ec3.21 Teniendo como resultado: Ns N(rpm) 0.28 112506 Tabla 3.6 Outputs, velocidad angular y específica, turbina, ciclo Brayton Simple Se comprueba que para alcanzar un régimen de giro menor de 120000 rpm hay que llegar a una velocidad angular específica bastante baja. Esto conllevará una disminución del rendimiento y un sobredimensionado de la turbina. 35 35 Estudio termodinámico de un sistema compuesto por un concentrador solar acoplado a una microturbina de gas. Aplicabilidad y funcionalidad. Fig. 3.9 Diagrama de Balje, turbina, Ns, Ds determinadas Se obtiene un rendimiento del 80%, como se comentó anteriormente, un poco bajo. Para el cálculo del diámetro se procede de la misma forma que con el compresor. Sabiendo que Ds=6 (como se comprueba en el gráfico) se obtiene: D (cm) Wt (kW) 𝜂t 6.56 14.88 0.8 Tabla 3.7 Outputs. turbina, ciclo Brayton Simple Microturbina de gas 36 3.5.1.5 Resultados del ciclo Con este diseño, se obtendrían las siguientes propiedades en los distintos puntos: Punto P (kPa) T (ºC) h (kJ/kg) CP (kJ/kg*K)) gamma S(kJ/kg*K) Densidad 1 101,30 25,00 424,44 1,01 1,40 3,88 1,18 2s 303,90 135,09 535,40 1,01 1,40 3,88 2,59 2 303,90 154,33 554,98 1,02 1,40 3,93 2,47 3 297,82 539.29 962,15 1,10 1,35 4,61 1,28 4 297,82 205,78 1,18 1,52 2,28 12,38 5 297,82 900,00 1372,87 1,17 1,33 5,03 0,88 6s 103,37 626,38 1058,88 1.13 1,31 5,03 0,40 6 103,37 653,74 1090,28 1,13 1,34 5,06 0,39 7 101,30 278,74 683,10 1,01 1,38 4,51 0,64 Tabla 3.8 Resultados del Ciclo Brayton Simple Estos datos se han calculado a partir de la macro Refprop, previamente usada en clase. La cual ha facilitado el resultado final y hace posible su utilización para próximos cálculos con diferentes condiciones. El rendimiento obtenido es del 90%, bastante bueno. 3.5.1.5.1 Flujo másico óptimo funcionamiento Se hace evidente que la restricción de entrada a la turbina no se consigue para la masa ajustada para el compresor. Por lo que habrá que buscarla cambiando algunos parámetros del diseño para que la temperatura de entrada a la turbina sea de 900ºC. Para ello se establece una nueva variable, ΔTet. Δ=T5(fijada)−T5. Ec3.22 En este caso la T5 está fijada en 900ºC, se buscará que esta nueva variable sea 0. A partir de la herramienta solver y variando m(kg/s) se obtendrá un punto óptimo de funcionamiento para la turbina. Se comprueba que el óptimo funcionamiento de la turbina se encuentra en 0.05kg/s. Se buscará una solución de compromiso entre ambas. Se busca como actuaría el compresor para dicho nuevo caudal másico, se obtiene lo siguiente: En este caso, dicha reducción del caudal másico no casaría con la restricción de 120000rpm como ya se calculó en la tabla 3.4. Por lo que habrá que reestablecer algunos parámetros constantes. La Ns podría ser una gran opción. Se vuelve a utilizar el solver para encontrar esta solución de compromiso. Se encuentra en Ns=0.42. Se recalculan todos los demás parámetros a partir del diagrama de Balje: 37 37 Estudio termodinámico de un sistema compuesto por un concentrador solar acoplado a una microturbina de gas. Aplicabilidad y funcionalidad. Fig. 3.6 (corregido) Diagrama de Balje, Compresor El compresor aumentaría hasta 6.9 cm y su rendimiento disminuiría hasta 0.8. Se recalcula la tabla 3.8 y se obtiene lo siguiente: Punto P (kPa) T (ºC) h (kJ/kg) CP (kJ/kg*K)) Gamma S(kJ/kg*K) Densidad 1 101,30 25,00 424,44 1,01 1,40 3,88 1,18 2s 303,90 135,09 535,40 1,40 3,88 2,59 2 303,90 162,33 563,14 1,02 1,39 3,95 2,43 3 297,82 541,16 964,22 1,10 1,35 4,61 1,27 4 297,82 411,56 1,01 1,41 3,53 3,63 5 297,82 900,00 1372,87 1,17 1,33 5,03 0,88 6s 103,37 626,38 1058,88 1,31 5,03 0,40 6 103,37 653,74 1090,28 1,13 1,34 5,06 0,39 7 101,30 284,59 689,20 1,01 1,38 4,52 0,63 Tabla 3.8 (corregida) Resultados del ciclo Microturbina de gas 38 Fig. 3.10 Diagrama H-S ciclo Brayton simple regenerativo Se representa en verde el proceso ideal (isentrópico) y se compara con el real (azul). La temperatura de salida del proceso es alta, se podría aprovechar para algún proceso. 3.5.1.5.2 Temperatura de entrada a la turbina 800ºC Se realiza el cálculo y se obtiene lo siguiente: • Por un lado, se obtiene un trabajo específico menor como el ya obtenido para 900ºC. Esto es debido a que el salto entálpico en la turbina sufre un decrecimiento. La potencia útil se puede obtener en el caso en que se realice un incremento del gasto másico (por lo tanto, un incremento del diámetro del disco) o un aporte térmico externo en la cámara de combustión ya que Δt (Ec3.22) es mayor de cero. • Por el otro lado, se tiene que la temperatura de salida del aire es menor. Esto no es debido a una mejora del rendimiento sino a que la temperatura de entrada a la turbina decrece. De hecho, el rendimiento del ciclo empeora. Fig. 3.10 Comparación temperatura entrada turbina, Diagrama H-S 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 3,5 3,7 3,9 4,1 4,3 4,5 4,7 4,9 5,1 5,3 DIAGRAMA H-S Temperatura900 temperatura 800 39 39 Estudio termodinámico de un sistema compuesto por un concentrador solar acoplado a una microturbina de gas. Aplicabilidad y funcionalidad. 3.5.2 Ciclo Brayton Inverso regenerativo Se estudia la posibilidad de realizar un ciclo Brayton inverso buscando la posibilidad de alguna mejora en el funcionamiento del conjunto. Dicho ciclo podría suponer alguna ventaja dada las condiciones que tenemos de calor aportado y la posibilidad de refrigerar la salida de la turbina. Cuanto más se refrigere la salida de la turbina, el compresor consumirá menos y el proceso será más eficiente. Para la realización de dicho apartado se establece el diagrama y se divide en los siguientes puntos: Fig. 3.11Esquema punto por punto ciclo Brayton Inverso El proceso consiste en un calentamiento inicial con los gases de salida de la turbina, por ello el ciclo también se considera regenerativo. A posteriori, también se produce un calentamiento en el receptor solar. En dicho receptor, todo el calor aportado proviene del conjunto concentrador-absorbedor. A continuación, se tiene la turbina en la cual se subexpande hasta presiones menores que la atmosférica. La relación de expansión se supone igual que en el caso anterior del ciclo Brayon Simple. Entre el punto 3 y 4 se realiza el enfriamiento del aire hasta la entrada del compresor. Por último, se tiene el compresor, el cuál mantiene la presión atmosférica a la salida. En la imagen se puede comprobar el intercambiador que enfriaría la salida de la turbina, cuanto más se enfríe, mejor será la eficiencia del proceso, como se comentó previamente. Por ello, se estudiará la posibilidad de enfriar un poco más la salida de la turbina con agua. 0 1 2 3 4 5 Microturbina de gas 40 3.5.2.1 Regenerador Se busca con Solver (herramienta de Excel) que el precalentamiento del aire exterior sea el suficiente para poder llegar a la temperatura de entrada a la turbina deseada (900ºC). También se tiene en cuenta el aporte térmico del receptor solar. OPCIÓN 1 Fluido Aire Aire cp (Kj/kg) 1,13 1,01 masa (kg/S) 0,06 0,06 c (Kj/s*k) 0,064 0,057 Cr 1,119 NTu 5,44 AU(kW/m^2) 0,35 Qrec(Kw) 33,83 Tabla 3.9 Estudio de Δ para que converja el modelo Se busca con la función Solver de Excel, un flujo másico de aire para el cual el calor aportado por el aire coincida con el que debería ser para que se alcance los 900ºC a la entrada de la turbina. La masa para la que convergen ambos efectos: , Fig. 3.12 Balance térmico en regenerador y receptor solar. Fijadas T0 y T2, es establece todo lo demás a partir de estos dos factores. En este caso ma=0.06kg/s. Se introduce el parámetro Δ que indicará la resta entre ambos aportes térmicos, será de vital importancia para la optimización del proceso. Se buscará que su valor sea 0, lo que supondrá que ambos aportes térmicos converjan y que el ciclo no necesite ningún aporte extra de calor. 3.5.2.2 Receptor solar En el receptor solar todo el aporte de calor proviene del conjunto captador-absorbedor de la tabla 2.10. El balance de energía es el siguiente: 𝑚×ℎ1+𝑄𝑐𝑣=𝑚×ℎ2 Ec3.22 h1-h0 589,69 Qrec/maire 589,69 Δ 0,00 Qrec/ma Qcv/ma T2 T1 T0 41 41 Estudio termodinámico de un sistema compuesto por un concentrador solar acoplado a una microturbina de gas. Aplicabilidad y funcionalidad. 3.5.2.3 Turbina Partiendo del caudal volumétrico y el salto entálpico, se calcula a partir de la ecuación 3.17 el valor de Ns. m/ro (m^3/S) Ah (kJ/kg) 0,258 313,90 Tabla 3.10 Parámetros a buscar, diagrama de Balje, turbina, ciclo Brayton Inverso Para ello se varía su valor hasta alcanzar una velocidad angular acorde a los límites previamente establecidos para el correcto funcionamiento de la máquina. Si fijamos en 0.6 Ns, nos encontramos con que hay que modificar el flujo másico para poder cumplir con la restricción de 120000 rpm. Se utiliza la herramienta Solver y se encuentra que sólo es posible para un flujo másico de 0.12 kg/s. Lo cual hace que varíe el ciclo completo. Esta variación conllevaría que en el intercambiador regenerativo no se cumpliese con la igualdad que propone la Fig. 3.12. Por lo que se busca fijar un Ns menor que permita que se establezca una cohesión y coherencia entre la turbina y las partes tratadas con anterioridad. Se baja Ns a 0.4 y se busca con 120000rpm fijados un flujo másico que cumpla con los requisitos anteriores. Se obtiene para 0.6kg/s. Esta disminución de Ns supondrá una disminución del rendimiento, como se puede comprobar en la Fig. 3.13. Se obtiene que un régimen de giro de 12566 rad/s para un Ns de 0.4. Fig. 3.13 Diagrama de Balje, turbina, Ns, Ds determinadas, ciclo Brayton inverso Microturbina de gas 42 El rendimiento en la turbina será del 0.85(rojo), disminuye con respecto al 0.9 que se obtendría para Ns=0.6, como se puede comprobar en la Fig. 3.13. El diámetro específico viene determinado también por dicho diagrama. En este caso, diámetro específico igual a 4,5, por lo que a partir de este se calcula el diámetro de la turbina: D (cm) 𝜂t W (kW) 9,03 0,85 16,21 Tabla 3.11 Outputs, turbina, ciclo Brayton Inverso 3.5.2.4 Intercambiador Se establece el estudio de dos posibles intercambiadores. La opción 1 enfría con aire y la segunda agua. Se procede a calcular los diferentes factores a partir de los datos ya obtenidos y utilizando el método E-NTU para intercambiador a contracorriente pura, ecuación 3.20. OPCIÓN 1 OPCIÓN 2 Fluido Aire Aire Aire Agua cp (Kj/kg) 1,13 1,01 1,12657395 4,18132094 masa (kg/S) 0,06 0,06 0,06 0,016 c (Kj/s*k) 0,06 0,06 0,06 0,07 Cr 0,89 0,97 NTu 3,33 3,75 AU(kW/m^2) 0,22 0,24 Q(Kw) 33,84 33,84 Tabla 3.12 Comparación intercambiadores Al ser constante la Cmin (masa y cp del aire a enfriar), en lo que influye el fluido caloportador es en las dimensiones y en el factor de transferencia global U. En cuanto a los resultados, queda claro que un diseño ideal sería el del intercambiador con agua. Esto es debido a que, como se puede comprobar en la tabla 3.12, el factor AU es mayor por lo que para un mismo salto de temperatura y un mismo coeficiente de transferencia global (U), él área del intercambiador será menor. Además, el aporte de agua exterior permitiría controlar mejor el funcionamiento de conjunto ya que, al ser un caudal variable, tendría un margen de maniobra en función de la demanda. 43 43 Estudio termodinámico de un sistema compuesto por un concentrador solar acoplado a una microturbina de gas. Aplicabilidad y funcionalidad. 3.5.2.5 Compresor Se pasa al estudio del compresor, usando el mismo procedimiento que en las partes anteriores. Fig. 3.14 Diagrama de Balje, compresor, Ns, Ds determinadas, ciclo Brayton Inverso. En este caso se obtiene lo siguiente: m/ro Ah(Kj/kg) 0,18 138,38 Tabla 3.13 Parámetros a buscar, diagrama de Balje, compresor, Ciclo Brayton Inverso Y haciendo uso de las ecuaciones 3.17 y 3.19 se obtiene: 𝜂 Wc (Kw) D(cm) 0,85 9,34 9,29 Tabla 3.14 Outputs, compresor, ciclo Brayton Inverso Microturbina de gas 50 Punto P (kPa) T (ºC) h (kJ/kg) CP (kJ/kg*K)) Gamma S(kJ/kg*K) Densidad 0 101,30 25,00 424,44 1,01 1,40 3,88 1,18 1 99,27 640 1075,09 1,12 1,34 5,06 0,38 2 99,27 900,00 1372,73 1,17 1,32 5,34 0,29 3s 34,46 626,82 1058,82 1,13 1,34 5,34 0,13 3 34,46 668,21 1105,91 1,13 1,34 5,39 0,13 4 33,77 101,98 502,16 1,01 1,40 4,43 0,31 5S 101,30 238,01 641,14 1,03 1,39 4,43 0,69 5 101,30 261,95 665,66 1,04 1,38 4,48 0,66 Tabla 3.23 Resultado, ciclo Brayton Inverso Regenerativo Ambos procesos tienen como resultado temperaturas de salida altas, aprovechables para algún proceso posterior. BRAYTON SIMPLE REGENERATIVO BRAYTON INVERSO REGENERATIVO Turbina Compresor Turbina Compresor m(kg/s) 0,06 0,08 Qrec(kwt) 26,96 44,31 Ah 313,99 111,04 313,90 147,17 𝜂 0,80 0,80 0,85 0,85 Ah REAL 251,19 138,80 266,82 173,14 Diámetro(cm) 6,80 6,98 9,03 10,88 Kwt 15,96 8,82 20,34 13,20 Kwe 7,00 Δh 61,68 97,25 Kwt(externos) 2,62 1,67 Rendimiento 0,31 0,30 Tabla 3.24 Comparación resultados ciclos, potencia salida fijada En ambos casos los caudales óptimos son semejantes. Ambos ciclos son regenerativos, en el caso del ciclo Brayton inverso el calor aportador por el regenerador es mayor. Por lo que una mejora de la eficiencia como la tratada en el punto 3.5.2.6.3 convendría al ciclo Brayton regenerativo. La variación de entalpía en la turbina no varía al ser la misma la temperatura de entrada (900ºC). 51 51 Estudio termodinámico de un sistema compuesto por un concentrador solar acoplado a una microturbina de gas. Aplicabilidad y funcionalidad. La mayor diferencia entre ambos ciclos es la temperatura de entrada en el compresor, en el caso del ciclo inverso, como se puede comprobar en la tabla 2.23, la temperatura de entrada es 101.3ªC. Esto conlleva que el salto entálpico sea mayor y por lo tanto la potencia que consume el compresor sufrirá un incremento en comparación con el ciclo Brayton simple. Por otro lado, la ventaja que se obtiene de las condiciones de entrada en el compresor es que, debido a las presiones bajas de trabajo, la densidad disminuye ostensiblemente. Lo cual permite lo siguiente: Partiendo de la ecuación de la velocidad angular específica. Si se fija constante un valor para Ns y se establece una variación de entalpía, se obtiene, como se puede comprobar en la ecuación 3.22, que una disminución de 𝜌 conllevará una disminución de N. Esto facilitará que se cumpla la restricción de N<120000rpm y tendrá como resultado un mejor rendimiento del compresor. 𝑁𝑠=𝑁×√𝑚𝜌 ⁄ √𝐴ℎ3 4 𝑁= 𝐶𝑡𝑒 √𝑚𝜌 ⁄ Ec3.21 Ec3.22 Otro factor para valorar, son los kg/s óptimos que entran. Cuanto mayor sea este parámetro, más margen de maniobra se tendrá para el régimen de giro. Por otro lado, la dimensión aumentará siempre que el gasto másico aumente o la densidad disminuya. Esto se puede comprobar en la ecuación 3.19. Finalmente, se comprueba que ninguno de los dos ciclos puede llegar a esos 7 kWe fijados como objetivo a partir de los puntos de partida (Tabla 3.21). Por ello, se ha hecho uso de la variable Δh que nos indica cuánto calor externo habría que añadir de más para poder alcanzar los 7kWe. Esto se comenta como un potencial de mejora para el proceso. Habría que ver como influiría en el proceso completo ese incremento de entalpía. Podría obtenerse aumentando la geometría del disco o colocándolo en la una zona en la que la irradiación fuese mayor que la fijada. Por otro lado, ese aporte extra también supondría una pérdida de carga por lo que habría que estudiar su influencia. Finalmente, se ha calculado qué rendimiento tendría en base a los datos de partida y con el calor externo mencionado. Para el cálculo del calor externo se ha tomado la masa de aire que circula por el absorbedor. Se comprueba que ambos tienen un rendimiento parecido. Sin embargo, para el ciclo inverso el aporte de calor externo es mayor, por lo que se concluye que para temperaturas cercanas a 900ºC conviene más un ciclo simple regenerativo. Microturbina de gas 52 3.5.3.2 Planteamiento 2 En este caso se trata de un cálculo más ingenieril. Es decir, se quiere llegar a comparar ambos ciclos desde el punto de vista de potencia eléctrica y rendimiento solar-eléctrico en función del diámetro del conjunto captadorabsorbedor. Para ello se toma referencia de la tabla 2.11 para saber cuánto calor aportado se obtiene a partir de la variación de la geometría. En este caso se parte de los siguientes datos: RC 𝜉 Tet(ºC) 3,00 0,80 900,00 Tabla 3.25 Inputs comparación ciclos, planteamiento 2 BRAYTON SIMPLE BRAYTON INVERSO Turbina Compresor Turbina Compresor Disco (m) 7,00 𝜀 0,68 Qcv(kWt) 20,58 m(kg/s) 0,05 0,05 Qrec(kWt) 22,64 23,60 Ah 313,99 111,04 313,90 147,17 𝜂 (Para mismo N(rpm)) 0,80 0,80 0,85 0,85 Ah REAL 251,19 138,80 266,82 173,14 Diámetro (cm) 6,23 6,40 7,74 9,33 Potencia útil(kWt) 13,41 7,41 14,96 9,70 Potencia útil(kWe) 5,88 3,86 Rendimiento 0,29 0,19 Rendimiento solar-eléctrico 0,19 0,13 Tabla 3.26 Comparación resultados ciclos, 7m diámetro disco captador 53 53 Estudio termodinámico de un sistema compuesto por un concentrador solar acoplado a una microturbina de gas. Aplicabilidad y funcionalidad. Variando la geometría del disco se obtiene lo siguiente: BRAYTON SIMPLE BRAYTON INVERSO Turbina Compresor Turbina Compresor Disco (m) 9,00 𝜀 0,68 Qcv(kWt) 34,02 m(kg/s) 0,09 0,08 Qrec(kWt) 37,34 39,03 Ah 313,99 111,04 313,90 168,33 𝜂 (Para mismo N (rpm)) 0,80 0,80 0,90 0,85 Ah REAL 251,19 138,80 282,51 198,03 Diámetro (cm) 8,00 8,21 9,07 11,32 Potencia útil(kWt) 22,11 12,22 21,76 15,26 Potencia útil(kWe) 9,69 6,38 Rendimiento 0,28 0,19 Rendimiento solar-eléctrico 0,19 0,13 Tabla 3.27 Comparación resultados ciclos, 9m diámetro disco captador Se comprueba que el alto consumo del compresor en el ciclo Brayton Inverso, hace que su rendimiento total sea menor en comparación con el Brayton simple, a pesar de tener rendimientos isentrópicos mejores debido a la restricción de número de giros. La alta temperatura de entrada en el compresor lastra mucho el rendimiento del ciclo completo. Microturbina de gas 54 En este sentido, se busca disminuir la temperatura de entrada al compresor para disminuir el consumo en el compresor. Un aumento de la eficiencia del regenerador lo podría mejorar, de la siguiente forma: RC 𝜉 Tet(ºC) 3,00 0,90 900,00 Tabla 3.28 Inputs, comparación ciclos, elevando eficiencia regenerador BRAYTON SIMPLE BRAYTON INVERSO Turbina Compresor Turbina Compresor Disco (m) 9,00 𝜀 0,68 Qcv(kWt) 20,58 m(kg/s) 0,06 0,05 Qrec(kWt) 29,71 31,00 Ah 313,99 111,04 313,90 145,55 𝜂 (Para mismo N (rpm)) 0,80 0,82 0,90 0,85 Ah REAL 251,19 135,41 282,51 171,24 Diámetro (cm) 6,71 6,89 7,62 9,17 Potencia útil(kWt) 15,55 8,38 15,36 9,31 Potencia útil(kWe) 7,02 5,93 Rendimiento 0,34 0,29 Rendimiento solar-eléctrico 0,23 0,20 Tabla 3.29 Comparación resultados ciclos, eficiencia regenerador 0.9 El rendimiento mejora ostensiblemente debido a la mejora de la eficiencia del intercambiador. Convendría valorar el enfriamiento a la entrada del compresor si se tuviese cerca algún rio o embalse, ya que este enfriamiento mejoraría aún más la eficiencia del proceso completo, en el caso del Brayton Inverso 55 55 Estudio termodinámico de un sistema compuesto por un concentrador solar acoplado a una microturbina de gas. Aplicabilidad y funcionalidad. Tomando referencia de la tabla 2.26, se representan ambos ciclos a partir de un diagrama Sankey, para que quede claro, de manera gráfica, el flujo de energía que se produce en ambos ciclos completos. Fig. 3.18 Ciclo Brayton simple, regenerativo Fig. 3.19 Ciclo Brayton inverso, regenerativo Estos diagramas permiten de una manera muy visual ver el lugar en el que se están produciendo más pérdidas, esto facilita el estudio de una posible mejora del proceso ya que permite saber dónde sería más conveniente poner los esfuerzos. Un pequeño cambio en dichas partes, supondrían un gran cambio en rendimiento del sistema. En este caso, la microturbina sería un gran punto de partida para una posible mejora del proceso. Osmosis inversa 56 4 OSMOSIS INVERSA En este último apartado, se comentará la posibilidad de aprovechar este proceso para alguna aplicabilidad práctica. Se estudia la posibilidad de potabilizar agua a través de un sistema de ósmosis inversa. Se hace interesante el estudio de dicha tecnología aplicada a la solar debido a lo siguiente: Fig.4.1 Mapa mundial, necesidad de agua por zonas. Se comprueban la necesidad de agua por zonas del planeta. Se utiliza el parámetro de litros disponibles por persona al año, y, en este sentido, se hace evidente la extrema necesidad en algunas zonas del planeta. Fig. 4.2 Mapa Mundial, radiación por zonas. 57 57 Estudio termodinámico de un sistema compuesto por un concentrador solar acoplado a una microturbina de gas. Aplicabilidad y funcionalidad. Dichas zonas coinciden, en muchos casos, con las zonas en las que mayor radiación solar incidente (horizontal) se recibe. Lo que hace muy interesante el estudio de una tecnología como la de concentración solar para obtener agua disponible para los usuarios. Para entender bien dicho proceso, por el que se obtendría el recurso hídrico potable, se debe entender el punto de partida: Fig. 4.3 Osmosis Se comprueba que el agua fluye desde la menor a la mayor concentración de sales. Esto es debido a que la presión osmótica en el agua pura es mayor, por lo que el sistema evoluciona de manera natural hacia las altas concentraciones. Este proceso se llama ósmosis. El proceso de ósmosis inversa busca que a partir de una presión externa el agua fluya de manera contraria a la natural. En dicho proceso, el agua, que se encuentra en forma de disolución, compuesto a su vez por disolvente (agua pura) y solutos (sal, suciedad, etc), se hace pasar por un conjunto de membranas semipermeables. Dicho conjunto de membranas, dejarán pasar al disolvente puro, dejando toda la suciedad y concentración de sales en las membranas. Se acaba, por tanto, con esta situación final: Fig.4.4 Osmosis Inversa Osmosis inversa 58 Para obtener dicho disolvente puro hará falta un consumo eléctrico que lo haga fluir en el sentido que se busca. Se han identificado referencias de costes para procesos de ósmosis inversa, obteniéndose un precio de 3.0 a 3.5 € por metro cúbico de agua producido. Lo cual lo hace competitivo cuando compite con la fotovoltaica, fuera de red y requiere uso de baterías, cuyo precio ronda los 2.5 a 3 € por metro cúbico. Ampliando un poco la visión, se llegaría al siguiente sistema: Fig.4.5 Esquema sistema completo. En conclusión, se tendría una situación en la que: • Flexibilidad de operación, posibilidad de añadir un combustible para las horas de menor sol. Lo que da bastante seguridad ya que garantiza un funcionamiento 24/7. • Se genera electricidad constante a la red. • Se puede acoplar un sistema de ósmosis inversa en función de demanda. • Se tiene un excedente de calor, aprovechable para uso doméstico. Aire limpio. • No produce NOx (sin combustible auxiliar). 59 59 Estudio termodinámico de un sistema compuesto por un concentrador solar acoplado a una microturbina de gas. Aplicabilidad y funcionalidad. 5 CONCLUSIÓN Para concluir, se debe recordar el objetivo inicial de este trabajo fin de grado. Como se comentó en la introducción, el principal objetivo de este proyecto es encontrar soluciones técnicas que hagan desarrollar el estado del arte en el que se encuentra dicha tecnología. Para encontrar dichas soluciones se ha desarrollado un modelo a partir de Excel, que se ha dividido principalmente en dos partes: • La primera, en la que a partir de una irradiación incidente y una geometría determinada del captador solar, se obtienen la eficiencia y el calor aportado al aire que va a circular por la microturbina de gas. Cabe destacar, dos modificaciones: o Con aislante interior y sin aislante en el absorbedor. o Cp medio o cp calculado a partir de REFPROP. • En la segunda, se han desarrollado los siguientes ciclos: o Brayton Simple Regenerativo. o Brayton Inverso Regenerativo. Ambos ciclos han sido motivo de estudio y comparación, realizando diversos análisis de sensibilidad. Además, se ha utilizado el diagrama de Baldje en el que a partir de diversas restricciones se ha calculado el diámetro y el rendimiento isentrópico de la turbina y el compresor de la microturbina. Por otro lado, también se ha analizado el intercambiador regenerativo y su influencia en ambos ciclos. En cuanto a la parte final del modelo, se ha tomado referencia de diversas fuentes, para ver la viabilidad de acoplar un proceso de ósmosis inversa, el cuál potabilice el agua y dé por finalizado otro de los objetivos del proyecto, establecer nuevas soluciones y posibles vías para los problemas que está enfrentando al mundo en la actualidad. Se hace interesante el estudio de las potabilizadoras debido a la coincidencia climatológica que hace que las zonas más secas sean, casi siempre, las zonas en las que la radiación solar es mayor. Por ello, finalmente se establece que este tipo de sistema tendrá un mayor sentido en zonas aislada en las que el recurso solar sea alto y que se encuentren cerca de algún recurso hídrico. También, sería muy interesante valorar la flexibilidad y la confianza que genera este tipo de sistema, lo cual supone un valor añadido. Sería interesante colocarlo en un hospital aislado, por ejemplo. Gracias al recurso solar se podría obtener un mejor servicio sanitario y fin y al cabo una mayor calidad de vida para sus usuarios.