Fresnel Solar Collector System for Indirect Steam Generation for Industrial Processes with Thermal Energy Storage
Mostrar el registro completo del ítem
Título: Fresnel Solar Collector System for Indirect Steam Generation for Industrial Processes with Thermal Energy Storage
Autor: David Hernández, Marco Antonio
Resumen:
[ES] El sector industrial es responsable de una cantidad significativa de emisiones anuales de carbono, en gran parte debido a su elevado consumo de energía y a su dependencia de los combustibles fósiles para la producción de calor. Por tanto, es evidente que la utilización de fuentes de calor alternativas y renovables, como los colectores solares de concentración, representa una oportunidad prometedora para la descarbonización de este sector. Sin embargo, los sistemas de colectores solares dependen del recurso solar, que es una fuente de energía intermitente. Por ello, es necesario disponer de un sistema de almacenamiento de energía térmica (AET) que facilite el almacenamiento de la energía sobrante y su posterior utilización cuando sea necesario, garantizando así un suministro de calor más constante. Con el fin de demostrar la viabilidad de los sistemas solares térmicos para aplicaciones industriales, la empresa Solatom CSP instaló un campo solar experimental dentro del proyecto SOLPINVAP. Está compuesto por una serie de colectores modulares lineales Fresnel (CLF) y un kettle reboiler, que es un tipo de intercambiador de calor de carcasa y tubos. Esta tesis analiza el rendimiento del sistema en modo de generación indirecta de vapor. En este modo, el calor se absorbe en el interior de los tubos absorbedores mediante un fluido caloportador y se transfiere a la carcasa del kettle reboiler, donde se produce vapor. Además, esta tesis examina los circuitos hidráulicos y sus componentes del campo solar experimental, así como el sistema de control y el sistema de monitorización asociados al mismo. Además, se presenta el desarrollo de un modelo de sistema CLF de calor solar para procesos industriales (CSPI). El modelo se desarrolló en el entorno MATLAB orientado a objetos. Se desarrolló un modelo 3D del campo solar CLF dentro del entorno Tonatiuh (un software de trazado de rayos), lo que permitió estimar la eficiencia óptica máxima y los correspondientes modificadores del ángulo de incidencia de los colectores Fresnel. Los resultados demuestran que el calor absorbido en los colectores presenta una incertidumbre del 12%, mientras que el calor generado presenta una incertidumbre del 3%. Para reducir la incertidumbre inherente al cálculo del calor absorbido y generado, se realizó un estudio para seleccionar sensores y equipos de monitorización más precisos. Además, se realizó un trabajo de campo para instalar los equipos seleccionados, más precisos, en el campo solar SOLPINVAP. Los resultados de la monitorización demuestran que la incertidumbre en el calor absorbido se redujo en un 79% como consecuencia de la mejora en la instrumentación de medida. Como parte de este proyecto de tesis, se realizó una estancia de investigación en el Departamento de Ingeniería de Mecánica y Metalúrgica de la Pontificia Universidad Católica de Chile, en Santiago. El equipo de investigación anfitrión ha estado investigando la posible aplicación de AET de lecho compacto sólido con escoria de cobre, un subproducto del proceso pirometalúrgico del mineral de cobre, como medio de almacenamiento. Además, el equipo de investigación ha desarrollado un modelo matemático que simula el proceso termodinámico y de transferencia de calor asociado al flujo de aire y a las partículas sólidas. En consecuencia, el modelo del sistema de AET de lecho compacto sólido se ha integrado en el modelo del sistema CSPI para examinar su efecto en el rendimiento del sistema. Además, esta tesis examina la dinámica entre las temperaturas de los distintos componentes del sistema. En consecuencia, esta tesis presenta un diseño para un sistema integrado CSPI con AET de lecho compacto sólido. Los resultados demuestran que el sistema con el AET de lecho compacto sólido es capaz de generar un 18% más de energía que el sistema sin el AET de lecho compacto sólido.
[CA] El sector industrial és responsable d'una quantitat significativa d'emissions anuals de carboni, en gran part a causa del seu alt consum d'energia i la dependència dels combustibles fòssils per a la producció de calor. Per tant, és evident que la utilització de fonts de calor alternatives i renovables, com la concentració de col·lectors solars, representa una oportunitat prometedora per a la descarbonització d'aquest sector. No obstant això, els sistemes de col·lectors solars depenen del recurs solar, que és una font d'energia intermitent. Per tant, és necessari disposar d'un sistema d'emmagatzematge d'energia tèrmica (TES) per facilitar l'emmagatzematge de l'energia sobrant i la seva posterior utilització quan sigui necessari, assegurant així un subministrament de calor més consistent. Per tal de demostrar la viabilitat dels sistemes solars tèrmics per a aplicacions industrials, l'empresa Solatom CSP va instal·lar un camp solar experimental dins del projecte SOLPINVAP. Comprèn una sèrie de col·lectors lineals modulars de Fresnel i un Kettle Reboiler, que és un tipus d'intercanviador de calor de carcassa i tubs. Aquesta tesi analitza el rendiment del sistema en mode de generació de vapor indirecte. En aquest mode, la calor s'absorbeix a l'interior dels tubs absorbents mitjançant l'ús d'un fluid de transferència de calor, i es transfereix a la capa del Reboiler, on es produeix vapor. A més, aquesta tesi examina els circuits hidràulics i els seus components del camp solar experimental, així com el sistema de control i el sistema de monitoratge associat a aquest. A més, es presenta el desenvolupament d'un model de sistema LFC per a processos industrials (SHIP). El model es va desenvolupar dins de l'entorn MATLAB orientat a objectes. Es va desenvolupar un model 3D del camp solar LFC dins de l'entorn Tonatiuh (un programari de rastreig de raigs), que permet estimar l'eficiència òptica màxima i els corresponents modificadors d'angle d'incidència dels col·lectors Fresnel. Els resultats demostren que la calor absorbida en els col·lectors mostra una incertesa del 12%, mentre que la calor generada mostra una incertesa del 3%. Per tal de reduir la incertesa inherent al càlcul de la calor absorbida i generada, es va realitzar un estudi per seleccionar sensors i equips de monitoratge més precisos. A més, es va realitzar un treball de camp per a instal·lar els equips seleccionats i més precisos en el camp solar SOLPINVAP. Els resultats de seguiment demostren que la incertesa en la calor absorbida es va reduir en un 79% com a conseqüència de la millora en la instrumentació de mesura. En el marc d'aquest projecte de tesi, es va realitzar una estada de recerca al Departament d'Enginyeria de Mecànica i Metalúrgica de la Pontifícia Universitat Catòlica de Xile, a Santiago. L'equip d'investigació amfitrió ha investigat la potencial aplicació de PBTES sòlids amb escòria de coure, un subproducte del procés pirometal·lúrgic del mineral de coure, com a medi d'emmagatzematge. A més, l'equip d'investigació ha desenvolupat un model matemàtic que simula el procés de transferència de calor i termodinàmica associat al flux d'aire i les partícules sòlides. En conseqüència, el model del sistema PBTES s'ha integrat en el model del sistema SHIP per a l'examen del seu efecte sobre el rendiment del sistema. A més, aquesta tesi examina la dinàmica entre les temperatures dels diferents components del sistema. En conseqüència, aquesta tesi presenta un disseny per a un sistema solar integrat amb sistema PBTES. Els resultats demostren que el sistema amb el PBTES és capaç de generar un 18% més d'energia que el sistema sense el PBTES. A més, es va dur a terme una anàlisi tecnoeconòmica utilitzant el sistema SHIP dissenyat amb PBTES.
[EN] The industry sector is responsible for a significant amount of annual carbon emissions, largely due to its high energy consumption and reliance on fossil fuels for heat production. It is therefore evident that the utilisation of alternative and renewable heat sources, such as concentrating solar collectors, represents a promising opportunity for the decarbonisation of this sector. Nevertheless, solar collector systems are dependent on the solar resource, which is an intermittent source of energy. It is therefore necessary to have a thermal energy storage (TES) system to facilitate the storage of surplus energy and its subsequent utilisation when required, thereby ensuring a more consistent heat supply. In order to demonstrate the viability of solar thermal systems for industrial applications, the company Solatom CSP installed an experimental solar field within the SOLPINVAP project. It comprises a series of modular linear Fresnel collectors (LFC) and a kettle reboiler, which is a type of shell and tube heat exchanger. This thesis analyses the performance of the system in Indirect Steam Generation mode. In this mode, heat is absorbed inside the absorber tubes by using a heat transfer fluid, and transferred to the shell of the kettle reboiler, where steam is produced. Additionally, this thesis examines the hydraulic circuits and their components of the experimental solar field, as well as the control system and the monitoring system associated with it. Moreover, it is presented the development of a LFC solar heat for industrial process (SHIP) system model. The model was developed within the object-oriented MATLAB environment. A 3D model of the LFC solar field was developed within the Tonatiuh environment (a ray-tracing software), allowing for an estimation of the peak optical efficiency and the corresponding incidence angle modifiers of the Fresnel collectors. . The results demonstrate that the absorbed heat in the collectors exhibits an uncertainty of 12%, while the generated heat exhibits an uncertainty of 3%. In order to reduce the uncertainty inherent in the calculation of the absorbed and generated heat, a study was conducted to selected more precise sensors and monitoring equipment. Moreover, fieldwork was conducted to install the selected, more precise equipment at the SOLPINVAP solar field. The monitoring results demonstrate that the uncertainty in the absorbed heat was reduced by 79% as a consequence of the improvement in the measurement instrumentation. As part of this thesis project, a research stay was conducted at the Departamento de Ingeniería de Mecánica y Metalúrgica of the Pontificia Universidad Católica de Chile, in Santiago. The host research team has been investigating the potential application of solid PBTES with copper slag, a by-product of the pyrometallurgical process of the copper ore, as a storage medium. Moreover, the research team has developed a mathematical model that simulates the thermodynamic and heat transfer process associated with the airflow and solid particles. Accordingly, the PBTES system model has been integrated into the SHIP system model for examination of its effect on the system performance. Furthermore, this thesis examines the dynamics between the temperatures of the different system components. Consequently, this thesis presents a design for an integrated SHIP with PBTES system. Moreover, it was determined that by modifying the air mass flow and the makeup water flow, the system is capable of maintaining a consistent and uninterrupted heat output throughout the operational duration. The results demonstrate that the system with the PBTES is capable of generating 18% more energy than the system without the PBTES.
[ES] El sector industrial es responsable de una cantidad significativa de emisiones anuales de carbono, en gran parte debido a su elevado consumo de energía y a su dependencia de los combustibles fósiles para la producción de calor. Por tanto, es evidente que la utilización de fuentes de calor alternativas y renovables, como los colectores solares de concentración, representa una oportunidad prometedora para la descarbonización de este sector. Sin embargo, los sistemas de colectores solares dependen del recurso solar, que es una fuente de energía intermitente. Por ello, es necesario disponer de un sistema de almacenamiento de energía térmica (AET) que facilite el almacenamiento de la energía sobrante y su posterior utilización cuando sea necesario, garantizando así un suministro de calor más constante. Con el fin de demostrar la viabilidad de los sistemas solares térmicos para aplicaciones industriales, la empresa Solatom CSP instaló un campo solar experimental dentro del proyecto SOLPINVAP. Está compuesto por una serie de colectores modulares lineales Fresnel (CLF) y un kettle reboiler, que es un tipo de intercambiador de calor de carcasa y tubos. Esta tesis analiza el rendimiento del sistema en modo de generación indirecta de vapor. En este modo, el calor se absorbe en el interior de los tubos absorbedores mediante un fluido caloportador y se transfiere a la carcasa del kettle reboiler, donde se produce vapor. Además, esta tesis examina los circuitos hidráulicos y sus componentes del campo solar experimental, así como el sistema de control y el sistema de monitorización asociados al mismo. Además, se presenta el desarrollo de un modelo de sistema CLF de calor solar para procesos industriales (CSPI). El modelo se desarrolló en el entorno MATLAB orientado a objetos. Se desarrolló un modelo 3D del campo solar CLF dentro del entorno Tonatiuh (un software de trazado de rayos), lo que permitió estimar la eficiencia óptica máxima y los correspondientes modificadores del ángulo de incidencia de los colectores Fresnel. Los resultados demuestran que el calor absorbido en los colectores presenta una incertidumbre del 12%, mientras que el calor generado presenta una incertidumbre del 3%. Para reducir la incertidumbre inherente al cálculo del calor absorbido y generado, se realizó un estudio para seleccionar sensores y equipos de monitorización más precisos. Además, se realizó un trabajo de campo para instalar los equipos seleccionados, más precisos, en el campo solar SOLPINVAP. Los resultados de la monitorización demuestran que la incertidumbre en el calor absorbido se redujo en un 79% como consecuencia de la mejora en la instrumentación de medida. Como parte de este proyecto de tesis, se realizó una estancia de investigación en el Departamento de Ingeniería de Mecánica y Metalúrgica de la Pontificia Universidad Católica de Chile, en Santiago. El equipo de investigación anfitrión ha estado investigando la posible aplicación de AET de lecho compacto sólido con escoria de cobre, un subproducto del proceso pirometalúrgico del mineral de cobre, como medio de almacenamiento. Además, el equipo de investigación ha desarrollado un modelo matemático que simula el proceso termodinámico y de transferencia de calor asociado al flujo de aire y a las partículas sólidas. En consecuencia, el modelo del sistema de AET de lecho compacto sólido se ha integrado en el modelo del sistema CSPI para examinar su efecto en el rendimiento del sistema. Además, esta tesis examina la dinámica entre las temperaturas de los distintos componentes del sistema. En consecuencia, esta tesis presenta un diseño para un sistema integrado CSPI con AET de lecho compacto sólido. Los resultados demuestran que el sistema con el AET de lecho compacto sólido es capaz de generar un 18% más de energía que el sistema sin el AET de lecho compacto sólido.
[CA] El sector industrial és responsable d'una quantitat significativa d'emissions anuals de carboni, en gran part a causa del seu alt consum d'energia i la dependència dels combustibles fòssils per a la producció de calor. Per tant, és evident que la utilització de fonts de calor alternatives i renovables, com la concentració de col·lectors solars, representa una oportunitat prometedora per a la descarbonització d'aquest sector. No obstant això, els sistemes de col·lectors solars depenen del recurs solar, que és una font d'energia intermitent. Per tant, és necessari disposar d'un sistema d'emmagatzematge d'energia tèrmica (TES) per facilitar l'emmagatzematge de l'energia sobrant i la seva posterior utilització quan sigui necessari, assegurant així un subministrament de calor més consistent. Per tal de demostrar la viabilitat dels sistemes solars tèrmics per a aplicacions industrials, l'empresa Solatom CSP va instal·lar un camp solar experimental dins del projecte SOLPINVAP. Comprèn una sèrie de col·lectors lineals modulars de Fresnel i un Kettle Reboiler, que és un tipus d'intercanviador de calor de carcassa i tubs. Aquesta tesi analitza el rendiment del sistema en mode de generació de vapor indirecte. En aquest mode, la calor s'absorbeix a l'interior dels tubs absorbents mitjançant l'ús d'un fluid de transferència de calor, i es transfereix a la capa del Reboiler, on es produeix vapor. A més, aquesta tesi examina els circuits hidràulics i els seus components del camp solar experimental, així com el sistema de control i el sistema de monitoratge associat a aquest. A més, es presenta el desenvolupament d'un model de sistema LFC per a processos industrials (SHIP). El model es va desenvolupar dins de l'entorn MATLAB orientat a objectes. Es va desenvolupar un model 3D del camp solar LFC dins de l'entorn Tonatiuh (un programari de rastreig de raigs), que permet estimar l'eficiència òptica màxima i els corresponents modificadors d'angle d'incidència dels col·lectors Fresnel. Els resultats demostren que la calor absorbida en els col·lectors mostra una incertesa del 12%, mentre que la calor generada mostra una incertesa del 3%. Per tal de reduir la incertesa inherent al càlcul de la calor absorbida i generada, es va realitzar un estudi per seleccionar sensors i equips de monitoratge més precisos. A més, es va realitzar un treball de camp per a instal·lar els equips seleccionats i més precisos en el camp solar SOLPINVAP. Els resultats de seguiment demostren que la incertesa en la calor absorbida es va reduir en un 79% com a conseqüència de la millora en la instrumentació de mesura. En el marc d'aquest projecte de tesi, es va realitzar una estada de recerca al Departament d'Enginyeria de Mecànica i Metalúrgica de la Pontifícia Universitat Catòlica de Xile, a Santiago. L'equip d'investigació amfitrió ha investigat la potencial aplicació de PBTES sòlids amb escòria de coure, un subproducte del procés pirometal·lúrgic del mineral de coure, com a medi d'emmagatzematge. A més, l'equip d'investigació ha desenvolupat un model matemàtic que simula el procés de transferència de calor i termodinàmica associat al flux d'aire i les partícules sòlides. En conseqüència, el model del sistema PBTES s'ha integrat en el model del sistema SHIP per a l'examen del seu efecte sobre el rendiment del sistema. A més, aquesta tesi examina la dinàmica entre les temperatures dels diferents components del sistema. En conseqüència, aquesta tesi presenta un disseny per a un sistema solar integrat amb sistema PBTES. Els resultats demostren que el sistema amb el PBTES és capaç de generar un 18% més d'energia que el sistema sense el PBTES. A més, es va dur a terme una anàlisi tecnoeconòmica utilitzant el sistema SHIP dissenyat amb PBTES.
[EN] The industry sector is responsible for a significant amount of annual carbon emissions, largely due to its high energy consumption and reliance on fossil fuels for heat production. It is therefore evident that the utilisation of alternative and renewable heat sources, such as concentrating solar collectors, represents a promising opportunity for the decarbonisation of this sector. Nevertheless, solar collector systems are dependent on the solar resource, which is an intermittent source of energy. It is therefore necessary to have a thermal energy storage (TES) system to facilitate the storage of surplus energy and its subsequent utilisation when required, thereby ensuring a more consistent heat supply. In order to demonstrate the viability of solar thermal systems for industrial applications, the company Solatom CSP installed an experimental solar field within the SOLPINVAP project. It comprises a series of modular linear Fresnel collectors (LFC) and a kettle reboiler, which is a type of shell and tube heat exchanger. This thesis analyses the performance of the system in Indirect Steam Generation mode. In this mode, heat is absorbed inside the absorber tubes by using a heat transfer fluid, and transferred to the shell of the kettle reboiler, where steam is produced. Additionally, this thesis examines the hydraulic circuits and their components of the experimental solar field, as well as the control system and the monitoring system associated with it. Moreover, it is presented the development of a LFC solar heat for industrial process (SHIP) system model. The model was developed within the object-oriented MATLAB environment. A 3D model of the LFC solar field was developed within the Tonatiuh environment (a ray-tracing software), allowing for an estimation of the peak optical efficiency and the corresponding incidence angle modifiers of the Fresnel collectors. . The results demonstrate that the absorbed heat in the collectors exhibits an uncertainty of 12%, while the generated heat exhibits an uncertainty of 3%. In order to reduce the uncertainty inherent in the calculation of the absorbed and generated heat, a study was conducted to selected more precise sensors and monitoring equipment. Moreover, fieldwork was conducted to install the selected, more precise equipment at the SOLPINVAP solar field. The monitoring results demonstrate that the uncertainty in the absorbed heat was reduced by 79% as a consequence of the improvement in the measurement instrumentation. As part of this thesis project, a research stay was conducted at the Departamento de Ingeniería de Mecánica y Metalúrgica of the Pontificia Universidad Católica de Chile, in Santiago. The host research team has been investigating the potential application of solid PBTES with copper slag, a by-product of the pyrometallurgical process of the copper ore, as a storage medium. Moreover, the research team has developed a mathematical model that simulates the thermodynamic and heat transfer process associated with the airflow and solid particles. Accordingly, the PBTES system model has been integrated into the SHIP system model for examination of its effect on the system performance. Furthermore, this thesis examines the dynamics between the temperatures of the different system components. Consequently, this thesis presents a design for an integrated SHIP with PBTES system. Moreover, it was determined that by modifying the air mass flow and the makeup water flow, the system is capable of maintaining a consistent and uninterrupted heat output throughout the operational duration. The results demonstrate that the system with the PBTES is capable of generating 18% more energy than the system without the PBTES.
URI: http://hdl.handle.net/10251/213678
Fecha: 2025-11-28
Relacionado
Ítems en Google Scholar
Ficheros en el ítem
Este ítem aparece en la(s) siguiente(s) colección(ones)
-
Tesis doctorales [5452]