modelodesimulaciÓnparaplantastermosolares ...³n... · objetivosmodeloresultados...

Objetivos Modelo Resultados termodinámicos Resultados termoeconómicos Otras líneas

MODELO DE SIMULACIÓN PARA PLANTAS TERMOSOLARES(Universidad de Salamanca)

Grupo de Investigación en Optimización Energética,Termodinámica y Física Estadística (GTFE)

Rosa Merchán, [email protected]


Motivación y Objetivos del modelo

¿QUÉ? # Planta de torre central (campos circulares y polares)híbrida con ciclo Brayton.

¿CÓMO? * Modelo termodinámico integral.* Número asequible de parámetros físicos.

¿PARA QUÉ? - Pre-diseño global de la planta (on-design).- Estudios dinámicos (off-design).- Influencia de los parámetros básicos de cadasubsistema en el sistema global.

- Estimaciones termoeconómicas y estudios desensibilidad rápidos.


Esquema de la planta

...

Main combustionchamber Reheater 1 Reheater i

mf,HCp QLHV.

mf,REH 1 QLHV. mf,REH i QLHV

.

THC THC THC

Q’HSQ’HCp.

Q’REH 1.

Q’REH i.

Heat exchanger Heat exchanger Heat exchanger Heat exchanger

QHS.

QHCp.

QREH 1.

Tx’

Tx

Intercooler 1 Intercooler i

...

Recuperator

QREH i.

T3T3 T3

Compressor 1 Compressor 2 Compressor Nc

Heat exchanger

Turbine 1 Turbine 2 Turbine Nt... ...

T4

T2T1 T1

Ty

Solar field andreceiver

.

THS

QINT 1.

QINT i.

QL.

M.J. Santos et al., Energy Conversion and Management, 2018


εHCεHS

Q iHC .

Q iHS .

Ql .

QC .

HE

Cámara decombustión

Colectorsolar

Intercambiadoresde calor

Q’ HC .

Q’HS .

QHC .

QHS .

QL .

W .

GAa ṁf QLHV

D. Olivenza-León et al., Energy Conversion and Management, 2015


εHCεHS

Q iHC .

Q iHS .

Ql .

QC .

HE


Colectorsolar


Q’ HC .

Q’HS .

QHC .

QHS .

QL .

W .

GAa ṁf QLHVEficiencias

η = PG Aa+ṁf QLHV

ṁf = ṁfp +∑Nt−1

n=1 ṁfi

ηs = |Q̇HS |/εHSG Aa

ηcp = |Q̇HCp |/εHCpṁfp QLHV

ηci = |Q̇rehi |/εrehiṁfi QLHV

ηh = P|Q̇HS |+|Q̇HC |

re = Pṁf QLHV

f = |Q̇HS ||Q̇HS |+|Q̇HC |



εHCεHS

Q iHC .

Q iHS .

Ql .

QC .

HE


Colectorsolar


Q’ HC .

Q’HS .

QHC .

QHS .

QL .

W .

GAa ṁf QLHVEficiencias



n=1 ṁfiηs = |Q̇HS |/εHSG Aa




re = Pṁf QLHV

f = |Q̇HS ||Q̇HS |+|Q̇HC |



εHCεHS

Q iHC .

Q iHS .

Ql .

QC .

HE


Colectorsolar


Q’ HC .

Q’HS .

QHC .

QHS .

QL .

W .

GAa ṁf QLHV

Eficiencia térmica global

η = ηh ηs ηc[

εHS εHCηc f εHC + ηs(1 − f )εHS

]

Eficiencias



n=1 ṁfiηs = |Q̇HS |/εHSG Aa




re = Pṁf QLHV

f = |Q̇HS ||Q̇HS |+|Q̇HC |



Esquema de la planta: colector solar

...


mf,HCp QLHV.


.

THC THC THC

Q’HSQ’HCp.

Q’REH 1.

Q’REH i.


QHS.

QHCp.

QREH 1.

Tx’

Tx


...

Recuperator

QREH i.

T3T3 T3


Heat exchanger


T4

T2T1 T1

Ty


.

THS

QINT 1.

QINT i.

QL.



North

East

Rmin

r1

LHwr LH

DH∆R

DHs

θ1

∆αT

Tower

R.P. Merchán et al.,Renewable and SustainableEnergy Reviews, 2020


Factor desombras (fsh)

Efectocoseno(cosω)

Pérdidas por reflectividad del espejo (ρ)

Factor dedesbordamiento (fsp)

Factor deatenuación (fat)

Factor debloqueo (fb)

ηheli = cos ω ∗ fb ∗ fsh ∗ fsp ∗ fat ∗ ρ

R.P. Merchán et al., SolarPACES Conference, 2018


Datos del campo solar: Gemasolar

Parámetro Valor

Torre Altura 150mApuntamiento Simple

Receptor Altura 10,5mDiámetro 8,4m

HeliostatosÁrea 120m2Altura 10,95m

Relación altura-anchura 1,0

CampoDistancia de separación 3,285m

Radio mínimo 65mNúmero de filas 19

Eficiencia Factor de sombras - bloqueos 0,95Reflectividad real 0,836

J.I. Burgaleta et al., Torresol Energy, 2011


Comparación con Campo CodeCampo Code [F.J. Collado] Mathematica: nuestro modelo

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●● ●● ●● ●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●

●● ●● ●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●

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●● ●● ●●●● ●● ●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●

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●●●●●●●●●● ●● ●●

●● ●● ●● ●● ●● ●●0.644421 = ηfield

-400 -200 0 200 400-400

-200

0

200

400

Distance, West axis (-) East (+) [m]Distance,Southaxis

(-)North

(+)[m]

Factor Campo code Mathematica Desviación (%)Cos(ω) 0,8192 0,8775 7,117fbl,sh 0,9695 0,9500 2,011fsp 0,9618 0,9992 3,889fat 0,9245 0,9624 4,100ρ 0,8105 0,8360 3,146

Eficiencia 0,6693 0,6705 0,1793

F.J. Collado et al.,Renew. Energ.,2012


Eficiencia del campo de heliostatos: horaria

Eficiencia del campo de heliostatos

LEGEND: G2 (Efficiency):0.60 > Efficiency ≥ 0.55 ⇒0.55 > Efficiency ≥ 0.50 ⇒0.50 > Efficiency ≥ 0.45 ⇒0.45 > Efficiency ≥ 0.40 ⇒0.40 > Efficiency ≥ 0.35 ⇒0.35 > Efficiency ≥ 0.30 ⇒0.30 > Efficiency ≥ 0.25 ⇒0.25 > Efficiency ≥ 0.20 ⇒0.20 > Efficiency ≥ 0.15 ⇒0.15 > Efficiency ≥ 0.10 ⇒0.10 > Efficiency ≥ 0.05 ⇒0.05 > Efficiency ≥ 0.00 ⇒

R.P. Merchán et al., Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2020

AnEffCompl20jun13B3.aviMedia File (video/avi)


Esquema de la planta: máquina térmica

...


mf,HCp QLHV.


.

THC THC THC

Q’HSQ’HCp.

Q’REH 1.

Q’REH i.


QHS.

QHCp.

QREH 1.

Tx’

Tx


...

Recuperator

QREH i.

T3T3 T3


Heat exchanger


T4

T2T1 T1

Ty


.

THS

QINT 1.

QINT i.

QL.



Fluidos de trabajoFluidos de trabajo

Ciclo subcrítico: Aire seco, N2 y CO2.Ciclo transcrítico: He.

Diagrama p-T

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

0.1

0.5

1

5

10

p (bar)

T (K)

Dry air

CO2N2

He

1

3

Diagrama T-S (aire seco)

x

x'

y

1

2

3

42s 4s

3800 4000 4200 4400 4600 4800 5000

400

600

800

1000

1200

1400

S (J/(kg*K))

T(K

)

Ciclo Brayton (Nc=Nt=1) Dry air rp=23.4 No Rec


Validación del modelo de la turbina

DatosThermoflex R©

SimulaciónMathematica R©(modelo)

VariableDesviaciónrelativa(%)

Entrada

Flujo de masa 67 67 −(kg/s)Relación de 23,4 23,4 −presiones

Salida

Potencia generada 21,20 20,91(MW ) −0,89

Calor específico 9256 9041(kJ/kWh) −2,33

Eficienciatérmica 0,389 0,398 2,37

Temperatura de entrada 1450 1451a la turbina (K) 0,04

Temperatura de salida 736 758de la turbina (K) 2,95

R.P. Merchán et al., Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2020


Parámetros Solugas

Parámetro ValorTorre Altura 65m

ReceptorDiámetro 5mEmisividad 0,1

Factor conducción - convección 5W /(m2K )

Heliostatos

Área 121,3m2Altura 11,01m

Relación altura-anchura 1,0Número 70

CampoDistancia de separación 3,303m

Radio mínimo 64mFactor de concentración 432

Eficiencia Factor de sombras - bloqueos 0,95Reflectividad real 0,836R.P. Merchán et al., International Journal of Energy Research, Enviado 2020


Pre-optimización

●●●●● ● ● ● ● ● ● ● ● ●■■

■■■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■

●●●●● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●

●●●●●

● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●●●●●

● ● ● ● ● ● ● ● ●● ● ●

5 10 15 20 25 300.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

rp

η

He

●●●●● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●

■■■■■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■●●

●●● ●● ● ● ● ● ● ● ● ● ●

●●●●● ●

● ● ● ● ● ● ● ● ● ●

●●●●●

● ● ● ●● ● ● ● ● ● ●

0 5 10 15 20 25 300.0

0.1

0.2

0.3

rp

η

N2

●●●● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●■■■

■■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■●●●●● ●

● ● ● ● ● ● ● ● ● ●

●●●●●

● ● ● ● ● ● ● ●● ● ●

●●●

●● ●● ● ● ● ● ●

● ● ● ●

0 5 10 15 20 25 300.000.050.100.150.200.250.300.35

rp

η

Dry Air

●●●●● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●

■■■■■ ■ ■ ■ ■

■ ■ ■ ■ ■ ■ ■●●●●● ● ● ● ● ● ● ●

● ● ●

●●●●● ●

● ● ● ● ● ● ● ● ●●

●●●●●

● ● ● ●● ● ● ● ● ● ●

0 5 10 15 20 25 300.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

rp

η

CO2

(a) (b)

(c) (d)

Rec.

Non-Rec.N=12

3N→∞

Rec.

Rec.Rec.

Non-Rec.

Non-Rec.Non-Rec.

N=1

N=1

N=1

2

2 2

3

3

N→∞

N→∞ 3N→∞

α β

γ



Diagrama de Sankey

Q̇L0.251

P0.281ṁrehQLHV

0.261

ṁf,mQLHV0.0696

Q̇HC0.318

Q̇iHC0.0065

Q̇C0.0066

GAa0.669

Q̇o0.339

Q̇l0.0554 Q̇iHS

0.0605

Q̇HS0.215

Sankey diagram for dry air N = 2 recuperative rp = 30

Heat engineCombustion chambersSolar collector

R.P. Merchán et al., Energy Conversion and Management, 2017


Evolución diaria

Winter Spring

Summer Autumn



Consumo de combustible

0 5 10 15 20

0.18

0.20

0.22

0.24

0.26

t (h)

mfkg

s

.

ṁf, hybrid

ṁf, not hybrid



Consumo de combustible

0 5 10 15 20

0.18

0.20

0.22

0.24

0.26

t (h)

mfkg

s

.

ṁf, hybrid

ṁf, not hybrid

Ahorro



Resultados termoeconómicos: componentesdel LCoE

R.P. Merchán et al., ECOS Conference, 2020


Resultados termoeconómicos: campo polar

Distance (m)

Distance (m)

June 20, 201316:00 h

η0=0.5920

December 10, 201316:00 h

η0=0.6789

March 21, 201316:00 h

η0=0.6472

September 21, 201316:00 h

η0=0.6458

0.800.750.700.650.600.550.50

ηhel,i

0.450.40

R.P. Merchán et al., International Journal of Energy Research, Enviado 2020


Distribución del LCoE Operation & Maintenance & Labour

Fuel

Water

Maintenance direct

Service contracts

Labour

Capital

Equipment purchasing

Equipment installation

Civil engineering

Natural gas substation

Project Engineering

Contingencies

Equipment purchasing

GT as HE

Heliostat field

Tower

Solar receiver

Electrical generator

Gas Turbine Unit

Compressor

Turbine

Combustion Chamber

Auxiliary

Recuperator

R.P. Merchán et al.,Applied Thermal Engineering,Enviado 2020


Comparación LCoE

R.P. Merchán et al., Applied Thermal Engineering, Enviado 2020


Parámetro Recup. No Recup. Desviación (%)LCoE (USD/MWh) 158,1 184,7 16,80

CCapital (USD) 3,074 ∗ 107 3,049 ∗ 107 −0,8148CO2 (kg/MWh) 453,1 657,8 45,18Enet (GWh/año) 39,94 38,53 −3,536

η 0,3493 0,2520 −27,96η0 0,6580 0,6580 −f 0,2020 0,1510 −25,19

Parámetro Sevilla Salamanca Desviación (%)LCoE (USD/MWh) 158,1 163,7 3,512

CCapital (USD) 3,074 ∗ 107 3,067 ∗ 107 −0,2375CO2 (kg/MWh) 453,1 450,8 −0,5068Enet (GWh/año) 39,94 37,80 −5,356

η 0,3493 0,3563 2,010η0 0,6580 0,6596 0,2426f 0,2020 0,1750 −13,24



LCoE vs relación de presiones



Líneas de investigación abiertasAlmacenamiento en rocas


Líneas de investigación abiertasAlmacenamiento en rocas

Discos parabólicos


MODELO DE SIMULACIÓN PARA PLANTAS TERMOSOLARES(Universidad de Salamanca)

Grupo de Investigación en Optimización Energética,Termodinámica y Física Estadística (GTFE)

Rosa Merchán, [email protected]

ObjetivosModeloResultados termodinámicosResultados termoeconómicosOtras líneas

modelodesimulaciÓnparaplantastermosolares ...³n... · objetivosmodeloresultados...

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