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LAZOS HÍBRIDOS DE COLECTORES FRESNEL
PARA LA OBTENCIÓN DE CALOR DE PROCESO



Montes M.J.*, Abbas R.**, Barbero R.*, Martínez-Val, J.M.**
* Dpmto. Ingeniería Energética, Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED), C/ Juan del Rosal 12, Madrid, 28040, España, mjmontes@ind.uned.es, rbarbero@ind.uned.es

** Dpmto. Ingeniería Energética, Universidad Politécnica de Madrid (UPM), C/ José Gutiérrez Abascal 2, Madrid, 28006, España, rubenabbas@etsii.upm.es, mval@etsii.upm.es

RESUMEN
En este trabajo se presenta una aplicación para la cual los colectores Fresnel resultan especialmente atractivos, que es la obtención de calor para procesos industriales, en el rango de temperatura 100ºC-400ºC. En concreto, el estudio se ha centrado en el análisis de un nuevo diseño de receptor Fresnel, que permite reducir costes sin disminuir prácticamente el rendimiento. Para ello, se propone un lazo híbrido en el que los primeros módulos, con temperaturas de trabajo menores empleen receptores con tubos no evacuados y los restantes módulos del lazo, a mayor temperatura media, utilicen receptores evacuados. Se han considerado diferentes fluidos de trabajo y diferentes temperaturas medias. Para cada una de estas configuraciones, se ha obtenido la hibridación óptima que minimiza el coste del calor producido, basándose en cálculos económicos y en simulaciones anuales.

PALABRAS CLAVE: colectores lineales Fresnel, calor solar para procesos industriales, tubo evacuado, tubo no evacuado, lazo híbrido

ABSTRACT
This paper presents an application for which Fresnel collectors are particularly attractive, which is to generate heat for industrial thermal processes, in the temperature range 100ºC‑400ºC. Specifically, the study is focused on the analysis of a new Fresnel receiver design, which allows costs to be reduced without practically reducing thermal performance. For that, an hybrid Fresnel loop is proposed, in which, the first modules, at lower working temperature, use non-evacuated receivers, and the remaining, at greater temperature, use evacuated receivers. It has been considered different working fluids and temperatures. For each of these configurations, it is obtained the optimal hybridization that minimizes the cost of the heat produced, based on economic calculations and annual simulations.
KEYWORDS: linear Fresnel collectors, solar industrial process heating, evacuated tube, non-evacuated tube, hybrid loop

INTRODUCCIÓN


En los últimos años se han hecho numerosos estudios comparativos entre los colectores cilindro-parabólicos y los colectores lineales Fresnel, ambos aplicados a la producción de electricidad, mediante un ciclo de potencia (Morin et alt., 2012). Aunque la comparativa no establecía una ventaja excesiva del primero sobre el segundo, lo cierto es que el Fresnel precisaba una reducción adicional del coste para resultar competitivo.
En este trabajo se presenta otra aplicación para la cual los colectores Fresnel resultan especialmente atractivos, que es la obtención de calor para procesos industriales, en el rango de temperatura 100ºC-400ºC. De acuerdo con los datos que aparecen en (Farjana et alt., 2018), aproximadamente 2/3 del consumo final de energía en la industria es energía térmica. Aunque el rango de temperaturas para el calor de proceso está aproximadamente entre 20ºC y 400ºC, los colectores Fresnel son particularmente adecuados para temperaturas entre 100ºC y 400ºC. Para el estudio que se expone a continuación, se han tomado como referencia plantas comerciales, de acuerdo con la información que aparece en la base de datos SHIP (Solar Heat for Industrial Process, 2018), aunque han sido adaptados para extraer conclusiones generales.

PROPUESTA DE UN LAZO HÍBRIDO FRESNEL PARA LA OBTENCIÓN DE CALOR DE PROCESO


El estudio se ha centrado en el análisis de un nuevo diseño de receptor Fresnel, que permite reducir costes sin disminuir prácticamente el rendimiento. Para ello, se propone un lazo híbrido en el que los primeros módulos, con temperaturas de trabajo menores empleen receptores con tubos no evacuados con menores prestaciones térmicas y los restantes módulos del lazo, a mayor temperatura media, utilicen receptores evacuados, de mayor rendimiento. El receptor no evacuado consiste en un tupo de pyromark dentro de una cavidad provista de reflector secundario tipo CPC (Compound Parabolic Concentrator), que está abierta al ambiente. El receptor evacuado se basa en un doble tubo concéntrico, similar al de los colectores cilindroparabólicos, que se encuentra también en una cavidad abierta al ambiente con reflector secundario. En la Fig. 1 se muestra un esquema de la configuración propuesta.

Fig.1. Esquema de un colector Fresnel de lazo híbrido y de los dos tipos de receptores empleados: No-Evacuado y Evacuado
Este diseño ya ha sido presentado en otros artículos, pero enfocado a la producción de electricidad (Montes et alt., 2017a, 2017b). Los resultados muestran que este tipo de lazos tienen sentido para temperaturas de trabajo no muy elevadas. De aquí el interés en su aplicación para calor de proceso.
Los Colectores Lineales Fresnel (CLF) que se utilizan en las aplicaciones de calor de proceso, tienen normalmente una razón de concentración menor que los que se utilizan para generar electricidad. Para este trabajo, se ha tomado como referencia el colector LF‑11 de la empresa Industrial-Solar (2018). Las características principales de dicho colector aparecen en la Tabla 1.





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