Efectos de variabilidad solar en una planta de concentración solar para generación eléctrica

Abstract

La energía solar es una fuente renovable e inagotable de energía, convirtiéndola así, en un recurso ideal para la conversión de energía, especialmente para aquellos países que se encuentran en territorios con altos niveles de radiación solar. De acuerdo a la agenda planteada en el Acuerdo de París para cumplir los diecisiete objetivos de desarrollo sostenible, la energía solar representa una gran oportunidad de complementar y ayudar en el logro de aquellos objetivos para el 2030. Si bien la energía solar fotovoltaica ha crecido a tasas muy rápidas en el último tiempo, existe otra forma de utilizar la energía solar mediante su conversión a energía térmica, por medio de colectores que pueden o no concentrar la radiación solar y transformarla en calor útil al elevar la temperatura de un fluido de trabajo. Este tipo de sistemas se denomina concentración solar de potencia (CSP), el cual vio su desarrollo industrial en el año 1984 hasta 1995, luego se vio estancado hasta el año 2005, cuando resurgió su desarrollo. En base a los últimos registros la CSP representa 0,7\% de la capacidad solar instalada a nivel mundial y en Chile sólo un 1,55%. Existen varios factores que afectan a la radiación solar alterando su disponibilidad en un panel solar: diferentes componentes atmosféricos disminuyen y generan variabilidad en el recurso solar, en ellos destacan el smog y la nubosidad. Luego, vienen las pérdidas netamente relacionadas con el espejo, denominadas ópticas, que reducen la concentración de la radiación. Este trabajo tiene por objetivo general estudiar la variabilidad del recurso solar en un campo de concentración solar cilindro parabólico. Esto incluye identificar elementos básicos que componen una planta de concentración solar, comprender el ciclo termodinámico, entender las principales fuentes de transferencia de calor en CSP, desarrollar las ecuaciones que gobiernan los procesos termodinámicos y transferencia de calor y modelar en lenguaje computacional el esquema propuesto de la CSP. Con ello, se analizó el efecto de la variabilidad solar en la planta CSP utilizando datos de radiación solar con diez minutos de muestreo y comparando un día despejado y días nublados con fuerte variabilidad usando datos medidos en el norte de Chile. Cabe destacar que se consideró el estudio de una planta cilíndrico parabólica de 10.400 m2 aproximadamente y se simuló el funcionamiento del sistema de forma dinámica. La variabilidad del recurso solar tiene un efecto en cascada en el funcionamiento conjunto de la planta. Comienza con la interdependencia en el campo solar entre la radiación, el caudal y la temperatura del fluido de trabajo, lo cual afecta los parámetros de transferencia de calor y la termodinámica de los demás bloques de la planta. Esta interacción entre variables implica que al modificar la variable de entrada mediante la resolución de los datos, se puede esperar un error que oscila entre el 5% y el 20%. Esto es especialmente relevante en casos de variaciones drásticas de radiación, que van desde 800 W/m2 a 650 W/m2, y que afectan los flujos de fluidos, las temperaturas y la potencia.