Modelado termodinámico de una planta solar térmica hibrida de ciclo Brayton en Colombia

Resumen

Introducción: Actualmente en Colombia, existe gran interés por la aplicación de energías renovables y la diversificación de la matriz energética. Por lo tanto, en el presente trabajo se muestran los resultados de la simulación de una planta solar térmica hibrida de ciclo Brayton cerrado en Colombia, que recibe calor de un sistema de concentración de torre central y heliostatos. El recurso solar se estima por un modelo horario, adicionalmente cuenta con una cámara de combustión que utiliza gas natural como combustible, la cual garantiza la estabilidad del calor suministrado a la planta. La ubicación de la planta se selecciona en función de la radiación global y difusa media diaria mensual, y adicionalmente, se realiza una simulación de los principales parámetros de operación, optimizando la potencia y el rendimiento global en función de la relación de presión. Por último, se realiza un análisis exergético de la planta, especialmente de los componentes afectados por la variación de la radiación en el día.

Objetivo: Evaluar una planta solar térmica de concentración de ciclo Brayton cerrado, desde el punto de vista energético y exegético bajo las condiciones ambientales de Colombia.

Metodología: Integrar en lenguaje modélica, por medio de un compilador Dymola un modelo de recurso solar, un modelo energético y un modelo exergético aplicado a las condiciones ambientales de Colombia.

Resultados: Se presenta el análisis correspondiente a la evolución de los principales parámetros de operación de la planta a lo largo del día, la variación del rendimiento y la potencia en función de la relación de presiones.

Conclusiones: Es viable técnicamente la operación de una planta solar térmica de concentración de ciclo Brayton en algunos lugares de Colombia, dado el recurso solar disponible y el ahorro de combustible que genera a pesar del detrimento del rendimiento energético y exergético.

Palabras clave: Energía Solar Térmica, Concentración Solar, Ciclo Brayton Cerrado, Radiación solar, Destrucción de exergía

Referencias

S. Kalogirou, Solar Engineering Processes and Systems, San Diego: Academic Press Elsevier, 2009.

REN21, Steering Committee, Renewable Energy Policy Network for the 21st Century, Renewable 2016 energy Status Report, Paris, 2016.

Y . Goswami, Principles of Solar Engineering, Boca Raton, USA: CRC Press, 2015.

B. Liu y R. Jordan, “The Interrelationship and Characteristic Distribution of Direct, Diffuse ant Total Solar Radiation”, Solar Energy, vol. 4, pp. 1-12, 1960. https://doi.org/10.1016/0038-092X(60)90062-1

M. Collares-Pereira y A. Rabl, “Hourly Diffuse Fraction Correlation at a Tropical Location”, Solar Energy, vol. 53, pp. 505-510, 1994. https://doi.org/10.1016/0038-092X(94)90130-T

C. Gueymard, “Prediction and Performance Assessment of Mean Hourly Global Radiation”, Solar Energy, vol. 68, pp. 285-303, 2000. https://doi.org/10.1016/S0038-092X(99)00070-5

W. Le Roux, T. Bello-Ochende y J. Meyer, “A review on the Thermodynamic Optimization and Modelling of the Solar Thermal Brayton Cycle”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 28, pp. 677-690, 2013. https://doi.org/10.1016/j.rser.2013.08.053

CSP Today, Concentrated Solar Power Market Report 2014, Business Intelligence Ltd, London, 2015.

C. Ho y B. Iverson, “A Review of High-Temperature Central Receiver Design for Concentrating Solar Power”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 29, pp. 835-846, 2014. https://doi.org/10.1016/j.rser.2013.08.099

A. Avila-Martin, J. Fernandez-Reche y F. Tellez, “Evaluation of the Potential of Central Receiver Solar Power Plants”, Applied Energy, vol. 112, pp. 274-288, 2013. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2013.05.049

F. Collado y J. Guallar, “A Review of Optimized Design Layouts for Solar Power Tower Plants With Campo Code”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 20, pp. 142-145, 2015. https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.11.076

Y . Zhang, B. Lin y J. Chen, “Optimum Performance Characteristics of an Irreversible Solar-Driven Brayton Heat Engine at the Maximum Overall Efficiency”, Renewable Energy, vol. 32, pp. 856-867, 2007. https://doi.org/10.1016/j.renene.2006.02.008

R. Kehlhofer, F. Hannemann y F. Stirnimann, Combined Cycle Gas and Steam Turbine Power Plants, Tusla. Oklahoma, USA: PennWall Corporation, 2009.

L. Wu, G. Lin y J. Chen, “Parametric Optimization of a Solar-driven Braysson Heat Engine with Variable Heat Capacity of the Working Fluid and Radiation Convective Losses,” Renewable Energy, vol. 35, pp. 95-100, 2010. https://doi.org/10.1016/j.renene.2009.07.015

S. Sánchez, Modelización, Análisis y Optimización “Termodinámica de Plantas de Potencia Multietapas Tipo Brayton. Aplicación a Centrales Termosolares”, Tesis Doctoral, Universidad de Salamanca, Salamanca, 2012.

S. Sanchez, A. Medina y A. Calvo Hernandez, “Thermodynamic Model and Optimization of a Multi-Step Irreversible Brayton Cycle”, Energy Conversion and Management, vol. 51, pp. 2134-2143, 2010. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2010.03.006

D. Olivenza-Leon, A. Medina y A. Calvo Hernández, “Thermodynamic Modelling of a Hybrid Solar Gas Turbine”, Energy Conversion and Management, vol. 93, pp. 435-447, 2015. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2015.01.027

M. J. Santos, R. Mechan, A. Medina y A. Calvo Hernandez, “Seasonal Thermodynamic Prediction of the Performance of Hybrid Solar Gas-Turbine”, Energy Conversion and Management, vol. 115, pp. 80-102, 2016. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2016.02.019

W. LeRoux, T. Bello-Ochende y J. Meyer, “The Efficiency of an Open-Cavity Tubular Solar Receiver for a Small-Scale Solar Thermal Brayton Cycle”, Energy Conversion and Management, vol. 84, pp. 457-470, 2014. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2014.04.048

C. Xu, Z. Wang y F. Sun, “Energy and Exergy Analysis of Solar Power Plants”, Applied Thermal Engineering, vol. 31, pp. 3904 - 3913, 2011. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2011.07.038

V. Zare y M. Hasanzadeh, “Energy and Exergy Analysis of Closed Brayton Cycle Combined for Solar Tower Plant”, Energy Conversion and Management, vol. 128, pp. 227 - 237, 2016. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2016.09.080

R. Vasquez Padilla, R. Benito y W. Stein, “An Exergy Analysis of Recompression Supercritical CO2 Cycles with Reheating”, Energy Procedia, vol. 69, pp. 1181 - 1191, 2015. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2015.03.201

W. Xiaohe, L. Quibin y B. Zhang, “Thermodynamic Analysis of the Cascade Supercritical CO2 Cycle Integrated with Solar and Biomass”, Energy Procedia, vol. 105, pp. 445 - 452, 2017. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.03.339

National Aeronautics and Space Administration, “NASA,” [En línea]. Available: https://eosweb.larc.nasa.gov/sse/. [Último acceso: 26 11 2017].

J. Cenguel y M. Boles, Termodinámica, Ciudad de México: McGraw Hill, 2011.

K. Wark y D. Richards, Termodinámica, Madrid: Mc-Graw Hill, 2001.

J. Duffie y W. Beckman, Solar Engineering of Thermal Process, New Jersey: John Wiley and Sons, 2006.

N. Jubeh, “Exergy Analysis and Second Law Efficiency of Regenerative Brayton Cycle Isothermal Heat Addition”, Entropy, vol. 3, pp. 172 -187, 2005. https://doi.org/10.3390/e7030172

J. Parrott, “Theoretical Upper Limit to the Conversion Efficiency of Solar Energy”, Solar Energy, vol. 21, pp. 227 - 239, 1978. https://doi.org/10.1016/0038-092X(78)90025-7

Y. Wanxiang, L. Zhengrong y X. Tongbin, “New Descomposition Models to Estimate Hourly Global Solar Radiation from the Daily Value”, Solar Energy, vol. 120, pp. 87 - 99, 2015. https://doi.org/10.1016/j.solener.2015.05.038

R. Mejdoul y M. Taqi, “The Mean Hourly Global Radiation Prediction Models Investigation in Two Different Climate Regions in Morocco”, International Journal of Renewable Energy, vol. 2, nº 4, 2012.

W. Wan Nik, M. Ibrahim y K. Samo, “Monthly Mean Hourly Global Solar Radiation Estimation”, Solar Energy, vol. 86, pp. 379 - 387, 2012. https://doi.org/10.1016/j.solener.2011.10.008

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Acerca de los Autores

Faustino Moreno Gamboa, Universidad Francisco de Paula Santander, Cúcuta (Colombia)

Faustino Moreno Gamboa es Ingeniero Mecánico de la Universidad Francisco de Paula Santander - Colombia (1997), Maestría en Ingeniería Mecánica de la Universidad de los Andes – Colombia (2003) y master en sistemas de energía solar fotovoltaica en la universidad Internacional de Andalucía (2012), en la actualidad es estudiante de doctorado en Ingeniería de la Universidad Pontificia Bolivariana. El Ing. Moreno es docente asistente del Programa de Ingeniería Mecánica de la Universidad Francisco de Paula Santander – Colombia, y actúa en las siguientes áreas: energía, fluidos y térmicas. https://orcid.org/0000-0002-3586-4306

Cesar Nieto Londoño, Universidad Pontificia Bolivariana, Escuela de Ingeniería, Medellín (Colombia)

Cesar Nieto Londoño received the Bs. Eng in Mechanical Engineering in 2003, the MSc. degree in Energy in 2006, and a Ph.D. degree in Engineer– Energy Area in 2012. He has been working in projects of numerical simulation applied to the solution, evaluation, and design of several applications, including micro and nanofluids, renewable energy, micro combustion, catalytic fluid, and porous media, for the Universidad Pontificia Bolivariana. He is currently coordinator of the Doctorate in Engineering and researcher of the Energy and Thermodynamic Group and the Engineering Aerospace Research Group, at the Universidad Pontificia Bolivariana. https://orcid.org/0000-0001-6516-9630

Fig. 4. Evolución de la temperatura ambiente y la potencia de la planta en Barranquilla a lo largo del día. (Moreno-Gamboa y Nieto-Londoño, 2018)
Publicado
2018-12-18
Cómo citar
Moreno Gamboa, F., & Nieto Londoño, C. (2018). Modelado termodinámico de una planta solar térmica hibrida de ciclo Brayton en Colombia. INGE CUC, 14(2), 126-136. https://doi.org/10.17981/ingecuc.14.2.2018.12