Post on 31-Jul-2020
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, rpmerchan@usal.es
Objetivos Modelo Resultados termodinámicos Resultados termoeconómicos Otras líneas
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.
Objetivos Modelo Resultados termodinámicos Resultados termoeconómicos Otras líneas
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
Objetivos Modelo Resultados termodinámicos Resultados termoeconómicos Otras líneas
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
Objetivos Modelo Resultados termodinámicos Resultados termoeconómicos Otras líneas
εHCεHS
Q iHC .
Q iHS .
Ql .
QC .
HE
Cámara decombustión
Colectorsolar
Intercambiadoresde calor
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 |
D. Olivenza-León et al., Energy Conversion and Management, 2015
Objetivos Modelo Resultados termodinámicos Resultados termoeconómicos Otras líneas
εHCεHS
Q iHC .
Q iHS .
Ql .
QC .
HE
Cámara decombustión
Colectorsolar
Intercambiadoresde calor
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 |
D. Olivenza-León et al., Energy Conversion and Management, 2015
Objetivos Modelo Resultados termodinámicos Resultados termoeconómicos Otras líneas
εHCεHS
Q iHC .
Q iHS .
Ql .
QC .
HE
Cámara decombustión
Colectorsolar
Intercambiadoresde calor
Q’ HC .
Q’HS .
QHC .
QHS .
QL .
W .
GAa ṁf QLHVEficiencias
η = PG Aa+ṁf QLHV
ṁf = ṁfp +∑Nt−1
n=1 ṁfiηs = |Q̇HS |/εHSG Aa
ηcp = |Q̇HCp |/εHCpṁfp QLHV
ηci = |Q̇rehi |/εrehiṁfi QLHV
ηh = P|Q̇HS |+|Q̇HC |
re = Pṁf QLHV
f = |Q̇HS ||Q̇HS |+|Q̇HC |
D. Olivenza-León et al., Energy Conversion and Management, 2015
Objetivos Modelo Resultados termodinámicos Resultados termoeconómicos Otras líneas
εHCεHS
Q iHC .
Q iHS .
Ql .
QC .
HE
Cámara decombustión
Colectorsolar
Intercambiadoresde calor
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
η = PG Aa+ṁf QLHV
ṁf = ṁfp +∑Nt−1
n=1 ṁfiηs = |Q̇HS |/εHSG Aa
ηcp = |Q̇HCp |/εHCpṁfp QLHV
ηci = |Q̇rehi |/εrehiṁfi QLHV
ηh = P|Q̇HS |+|Q̇HC |
re = Pṁf QLHV
f = |Q̇HS ||Q̇HS |+|Q̇HC |
D. Olivenza-León et al., Energy Conversion and Management, 2015
Objetivos Modelo Resultados termodinámicos Resultados termoeconómicos Otras líneas
Esquema de la planta: colector solar
...
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
Objetivos Modelo Resultados termodinámicos Resultados termoeconómicos Otras líneas
North
East
Rmin
r1
LHwr LH
DH∆R
DHs
θ1
∆αT
Tower
R.P. Merchán et al.,Renewable and SustainableEnergy Reviews, 2020
Objetivos Modelo Resultados termodinámicos Resultados termoeconómicos Otras líneas
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
Objetivos Modelo Resultados termodinámicos Resultados termoeconómicos Otras líneas
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
Objetivos Modelo Resultados termodinámicos Resultados termoeconómicos Otras líneas
Comparación con Campo CodeCampo Code [F.J. Collado] Mathematica: nuestro modelo
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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
Objetivos Modelo Resultados termodinámicos Resultados termoeconómicos Otras líneas
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)
Objetivos Modelo Resultados termodinámicos Resultados termoeconómicos Otras líneas
Esquema de la planta: máquina térmica
...
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
Objetivos Modelo Resultados termodinámicos Resultados termoeconómicos Otras líneas
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
Objetivos Modelo Resultados termodinámicos Resultados termoeconómicos Otras líneas
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
Objetivos Modelo Resultados termodinámicos Resultados termoeconómicos Otras líneas
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
Objetivos Modelo Resultados termodinámicos Resultados termoeconómicos Otras líneas
Pre-optimización
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●●●●● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●
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● ● ● ● ● ● ● ● ●● ● ●
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
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■■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■●●●●● ●
● ● ● ● ● ● ● ● ● ●
●●●●●
● ● ● ● ● ● ● ●● ● ●
●●●
●● ●● ● ● ● ● ●
● ● ● ●
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
M.J. Santos et al., Energy Conversion and Management, 2018
Objetivos Modelo Resultados termodinámicos Resultados termoeconómicos Otras líneas
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
Objetivos Modelo Resultados termodinámicos Resultados termoeconómicos Otras líneas
Evolución diaria
Winter Spring
Summer Autumn
M.J. Santos et al., Energy Conversion and Management, 2016
Objetivos Modelo Resultados termodinámicos Resultados termoeconómicos Otras líneas
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
M.J. Santos et al., Energy Conversion and Management, 2016
Objetivos Modelo Resultados termodinámicos Resultados termoeconómicos Otras líneas
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
M.J. Santos et al., Energy Conversion and Management, 2016
Objetivos Modelo Resultados termodinámicos Resultados termoeconómicos Otras líneas
Resultados termoeconómicos: componentesdel LCoE
R.P. Merchán et al., ECOS Conference, 2020
Objetivos Modelo Resultados termodinámicos Resultados termoeconómicos Otras líneas
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
Objetivos Modelo Resultados termodinámicos Resultados termoeconómicos Otras líneas
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
Objetivos Modelo Resultados termodinámicos Resultados termoeconómicos Otras líneas
Comparación LCoE
R.P. Merchán et al., Applied Thermal Engineering, Enviado 2020
Objetivos Modelo Resultados termodinámicos Resultados termoeconómicos Otras líneas
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
R.P. Merchán et al., Applied Thermal Engineering, Enviado 2020
Objetivos Modelo Resultados termodinámicos Resultados termoeconómicos Otras líneas
LCoE vs relación de presiones
R.P. Merchán et al., Applied Thermal Engineering, Enviado 2020
Objetivos Modelo Resultados termodinámicos Resultados termoeconómicos Otras líneas
Líneas de investigación abiertasAlmacenamiento en rocas
Objetivos Modelo Resultados termodinámicos Resultados termoeconómicos Otras líneas
Líneas de investigación abiertasAlmacenamiento en rocas
Discos parabólicos
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, rpmerchan@usal.es
ObjetivosModeloResultados termodinámicosResultados termoeconómicosOtras líneas