ANÁLISIS ENERGÉTICO Y EXERGÉTICO DE UN CICLO BRAYTON ...

ANÁLISIS ENERGÉTICO Y EXERGÉTICO DE UN CICLO BRAYTON CERRADO SOLAR CON HELIO COMO FLUIDO DE TRABAJO

SEPTIEMBRE 2017

Fernando Padellano Avilés

DIRECTOR DEL TRABAJO FIN DE GRADO:

Javier Rodríguez Martín Susana Sánchez Orgaz

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TRABAJO FIN DE GRADO PARA

LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE

GRADUADO EN INGENIERÍA EN

TECNOLOGÍAS INDUSTRIALES

UNIVERSIDAD POLITECNICA DE MADRID

ESCUELA TECNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES

ANALISIS ENERGETICO YEXERGETICO DE UN CICLO BRAYTONCERRADO SOLAR CON HELIO COMO

FLUIDO DE TRABAJO

TRABAJO PRESENTADO POR FERNANDO PADELLANO AVILESPARA OBTENER EL GRADO EN TECNOLOGIAS INDUSTRIALES

JULIO 2017

TUTORES:

JAVIER RODRIGUEZ MARTIN

SUSANA SANCHEZ ORGAZ

Departamento de Ingenierıa Energetica

Agradecimientos

Agradecimientos

En primer lugar agradezco a los tutores Javier Rodrıguez Martın y Susana SanchezOrgaz que me dieran la oportunidad de realizar este proyecto con ellos. Tambien quieroagradecerles el esfuerzo y dedicacion que han tenido durante su realizacion ademas de laayuda que me han dado.

Tambien quiero agradecer este proyecto a mi familia por el apoyo que me han dado alo largo no solo de la realizacion del proyecto sino a lo largo de toda la carrera.

Agradecer finalmente a la Escuela Superior de Ingenieros Industriales por la formacionrecibida a lo largo de estos anos.

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Resumen ejecutivo

Resumen ejecutivo

El objetivo de este proyecto es analizar el funcionamiento de un ciclo Brayton cerradosolar con helio como fluido de trabajo. Con este objetivo se procede en primer lugar a lajustificacion del analisis de este y del uso del helio como fluido de trabajo.

Tras la consulta de diversas referencias se comprueba la posible mejora del rendimientode una central solar termica con torre de concentracion con el uso de un ciclo cerrado conhelio como fluido de trabajo. Ademas del helio, se plantea el uso de argon y CO2 su-percrıtico. Debido a la poca diferencia de resultados y el supuesto mayor coste economicoque supondrıa el uso argon este se descarta. El CO2 supercrıtico tambien queda descar-tado al contar con unas condiciones de trabajo mas acotadas. El helio con respecto alaire cuenta con un mayor calor especıfico y al ser un gas inerte no produce oxidacion enlos materiales cuando se trabaja a altas temperaturas, por este motivo se considera unbuen sustituto como fluido de trabajo.

Una vez seleccionadas las condiciones en las que se va a llevar a cabo el proyecto serealiza un modelo que cumpla estas caracterısticas. El ciclo que se analizara sera el rep-resentado en la figura 1.

Figura 1: Esquema del ciclo empleado

El ciclo esta compuesto por una turbina y dos compresores. Cuenta tambien con unprecooler y un intercooler ademas de tener un recuperador. Este ultimo elemento es fun-damental a la hora de mejorar la eficiencia del ciclo ya que aprovecha el calor del helio desalida de la turbina y en lugar de ser expulsado a traves del precooler que se encuentra

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Resumen ejecutivo

antes del primer compresor se usa para aumentar la temperatura del helio antes de pasarpor la fuente de calor.

El uso unicamente de la energıa solar en este ciclo lleva a la busqueda de un camposolar adecuado a las potencias tratadas. El elemento que condiciona esta seleccion es latorre solar. Tras la prueba de distintas opciones se elige como mas adecuada una torre decaracterısticas similares a las de la central PS20, reduciendo el numero de heliostatos de sucampo solar. Como resultado de la realizacion y ajuste del ciclo con estas caracterısticas,tomando como referencia el del trabajo [11], se han obtenido los resultados expuestos enla figura 2.

Figura 2: Resultados obtenidos en los puntos del ciclo.

A continuacion se han llevado a cabo una serie de analisis para comprobar su fun-cionamiento y su potencial como posible sustituto de los ciclos empleados actualmentesobre este tipo de centrales. Tras la realizacion de los analisis energetico, exergetico yeconomico a continuacion se recogen los resultados obtenidos.

• Analisis energetico

En el analisis energetico se obtiene una potencia generada por el ciclo de WT =17, 7MW . El calor aportado por el sol a la central es un total de Q = 78, 9MW . Este calorse va perdiendo en el paso por los distintos elementos de la central y de esta forma al recep-tor llega una potencia de Qrec = 50, 74MW y finalmente al ciclo llegan Qabs = 38, 05MW .

En el ciclo se disipa un calor de Qpr = −12, 65MW en el precooler y en el paso por elintercooler de Qin = −7, 70MW .

Finalmente del trabajo del ciclo se obtiene en los compresores Wc = −15, 397MW . Enla turbina el trabajo generado en cambio es de Wt = 33, 1MW . De esta forma se obtienela potencia generada indicada de WT = 17, 7MW .

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Resumen ejecutivo

Ademas del calculo de las potencias de los distintos elementos tambien se realiza unanalisis de los rendimientos de la central propuesta en los que se obtiene un rendimientoenergetico del ciclo de η = 0, 465. De la transformacion de energıa solar a electrica seobtiene un rendimiento ηs−e = 0, 224 y por ultimo un rendimiento del campo solar deηSF = 0, 482.

Los datos obtenidos en este analisis se recogen en la figura 3.

Figura 3: Resultados del analisis energetico

• Analisis exergetico

En el analisis exergetico se obtiene una exergıa solar de Ehel = 73, 5MW de la quellega al ciclo una exergıa de Eabs = 26, 33MW .

La exergıa de salida es de ET = 17, 7MW . En este analisis se calcula tambien la des-truccion exergetica de cada elemento que compone el ciclo. De esta manera se obtienenlos resultados que se muestran en la figura 4.

Con los resultados obtenidos en el calculo de exergıas y destrucciones exergeticas seobtiene ademas el rendimiento exergetico de las turbomaquinas donde se obtiene para loscompresores ψc = 0, 88 y para la turbina ψt = 0, 96. Tambien se consideran de interes elcalculo del rendimiento exergetico del campo solar del que se obtiene ψabs = 0, 358. Final-mente tambien se obtiene el rendimiento del ciclo Brayton en el que se obtiene ψ = 0, 672

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Resumen ejecutivo

Figura 4: Destrucciones exergeticas del ciclo

y el rendimiento de la transformacion solar electrica de la central resultando ε = 0, 241.

Los resultados obtenidos en este analisis son comparados con los de un modelo de unacentral de aire con ciclo abierto e hıbrido, de esta comparacion se comprueba la mejoradel uso de un ciclo cerrado con helio como fluido de trabajo ya que a pesar de contar elprimero con una segunda fuente de calor y contar con mejores eficiencias del campo solarse observa como la eficiencia exergetica de la transformacion de la energıa solar a electricase ve mejorada por el ciclo del proyecto. Esta eficiencia en total con el ciclo abierto deaire es del 22,81% siendo la del proyecto del 24,08%.

• Analisis economico

En el analisis economico el objetivo es el calculo de un coste aproximado de la central.El coste se obtiene estimando el precio de los distintos elementos que componen el ciclo.

Del campo solar se obtiene un coste del campo de heliostatos de 17354,09 ke y uncoste de la torre solar de 23753,00 ke. Por otro lado el coste de la turbina es de 283,93key el de los compresores 1151,71 ke. De los intercambiadores de calor el precio obtenidoes de 491,58 ke para el intercooler y precooler y de 3960,74 ke para el recuperador y elintercambiador de calor correspondiente a la torre solar.

Los resultados obtenidos y la proporcion en la que influyen en el coste final de lacentral se observa en la figura 5.

Se obtiene como resultado de este analisis un coste de 47 millones de euros siendo lapotencia de la central de 17,7MW, esto supone un coste de 2,65 millones de euros porMW obtenido. Este valor se compara con el coste de otras centrales ya instaladas comoson la central PS10 de 11 MW de potencia con un coste de 35 millones, la PS20 de 20MWy 80 millones o la Andasol I y con la proyectada por SolarReserve de Sandstone quecuenta con una potencia de 2000MW [18]. De este analisis de costes se concluye que las

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Resumen ejecutivo

Figura 5: Costes de los elementos del ciclo

caracterısticas analizadas en este proyecto pueden llegar a ser bastante competitivas.

El mayor ahorro de la central se encuentra en la reduccion del numero de heliostatos,elemento que supone una de las partidas mas altas en el coste de una central termica contorre solar. En este coste ademas hay que tener en cuenta dos factores, por un lado quela central del proyecto no cuenta con acumuladores de energıa con los que sı cuentan lasotras centrales y que incrementan su coste, pero por otro lado la torre considerada estasobredimensionada por lo que el coste de esta podrıa ser mas reducido.

Finalmente se concluye a la vista de los resultados de este proyecto que se logra unasignificativa mejora en la central solar termica al usar un ciclo Brayton cerrado con heliocomo fluido de trabajo. Tanto el analisis exergetico como el coste dan unos resultadosfavorables y competitivos por lo que se demuestra que el planteamiento de este ciclo encentrales solares termicas tiene un gran potencial y puede suponer una reduccion de loscostes en la produccion de la energıa solar en el futuro.

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Resumen ejecutivo

Palabras clave

• Ciclo Brayton cerrado• Exergıa• Helio• Central solar termica• Campo solar

Codigos UNESCO

• 3322 Tecnologıa energetica• 3310 Tecnologıa industrial• 3328.16 Transferencia de calor• 5312.05 Energıa• 2106.01 Energıa solar

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Indice general

1 Introduccion y objetivos 141.1 Las centrales solares termicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.2 Ejemplos de centrales solares termicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.3 Los ciclos Brayton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201.4 Justificacion del uso del helio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231.5 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2 Metodologıa 262.1 Ciclo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.1.1 Introduccion del ciclo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.1.2 Elementos del ciclo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.1.3 Estudio teorico del ciclo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.1.4 Seleccion del campo solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3 Resultados 423.1 Analisis energetico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443.2 Analisis exergetico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.3 Analisis economico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4 Conclusiones 61

5 Valoracion del impacto social, economico y medioambiental del proyecto 63

6 Planificacion temporal y presupuesto 666.1 Planificacion temporal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 666.2 Presupuesto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

7 Nomenclatura 73

A ANEXO 78

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Indice de tablas

2.1 Presiones en los puntos del ciclo (bar). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.2 Temperaturas en los puntos del ciclo (K). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.3 Potencias obtenidas en el ciclo y el documento [11]. . . . . . . . . . . . . . 352.4 Eficiencias del campo solar [22]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382.5 Caracterısticas del campo solar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.1 Evolucion del aporte de calor al ciclo (MW). . . . . . . . . . . . . . . . . 45

6.1 Distribucion de tareas y horas empleadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 666.2 Distribucion de subtareas y horas empleadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

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Indice de figuras

1 Esquema del ciclo empleado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Resultados obtenidos en los puntos del ciclo. . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Resultados del analisis energetico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Destrucciones exergeticas del ciclo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Costes de los elementos del ciclo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.1 Tipos de tecnologıa solar termica [17]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.2 Ejemplo campo Norte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171.3 Ejemplo de campo circundante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.4 Central solar termica PS20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.5 Imagen del Complejo Solar de Ouarzazate, donde se distinguen los distintos

tipos de tecnologıa solar termica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201.6 Imagen del proyecto de la central Sandstone. . . . . . . . . . . . . . . . . . 211.7 Ejemplo de ciclos Brayton, abierto a la izquierda y cerrado a la derecha. . . 22

2.1 Esquema del ciclo 2C-1T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.2 Torre solar de la central PS20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.1 Datos de los puntos del ciclo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.2 Resultados del analisis energetico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463.3 Diagrama Sankey de la energıa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473.4 Perdidas de exergıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.5 Diagrama Sankey de la exergıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.6 Resultados del analisis exergetico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523.7 Eficiencias pico de transformacion solar-electrica [16]. . . . . . . . . . . . . 523.8 Tabla comparativa de las eficiencias del modelo [13] y la central del proyecto. 533.9 Diagrama comparativo de las eficiencias del modelo [13] y la central del

proyecto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543.10 Costes de los elementos de la central . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573.11 Distribucion de los costes de la central . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583.12 Grafico comparativo de los costes de otras centrales con respecto a la del

proyecto (Me/MW) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

6.1 Tabla con las tareas del diagrama de Gantt. . . . . . . . . . . . . . . . . . 686.2 Diagrama de Gantt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 696.3 Estructura de Descomposicion del Proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

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INDICE DE FIGURAS INDICE DE FIGURAS

6.4 Presupuesto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

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Capıtulo 1

Introduccion y objetivos

La motivacion de este proyecto es el analisis del funcionamiento de una central solartermica con una turbina de gas en ciclo cerrado usando el helio como fluido de trabajo.

Actualmente existe un gran interes sobre las energıas renovables y su posible uso comosustituto de los combustibles fosiles. Existen numerosos tipos de centrales que aprovechandistintos elementos de la naturaleza para generar electricidad y con el potencial de poderllegar a sustituir al uso de las centrales convencionales. En este sentido encontramossoluciones que aprovechan la energıa del aire, del agua o del sol para producir energıaelectrica. Este proyecto se centra en el estudio de la energıa solar.

1.1 Las centrales solares termicas

La energıa solar se ha logrado transformar en electrica a traves de numerosos sistemas,divisibles todos ellos principalmente en dos tipos. Por un lado se encuentran las celulasfotovoltaicas que transforman la energıa solar gracias al efecto fotoelectrico del silicio yteluro, y que se pueden encontrar tanto en centrales como para uso particular, este tipode energıa es la denominada energıa solar fotovoltaica.

Por otro lado encontramos los sistemas de solares termicos que se basan en el aprovecha-miento de la energıa termica obtenida de la irradiacion solar sobre una superficie paragenerar energıa electrica, este tipo de centrales son las denominadas centrales solarestermicas. Este ultimo tipo de centrales son las que se tratan en este proyecto y masconcretamente las basadas en la concentracion solar sobre un receptor situado en lo altode una torre, denominadas centrales solares termicas con torre solar.

Dentro de las centrales solares termicas se pueden diferenciar cuatro tipos de tecnologıa[17] como son:

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Las centrales solares termicas Introduccion y objetivos

• Torre de concentracion solar: funciona gracias a un receptor en altura en el que serecoge la irradiacion reflejada por unos espejos denominados heliostatos dispuestosa su alrededor, es una tecnologıa propia de una central con la que se alcanzan altastemperaturas y se pueden generar altas potencias.

• Concentradores cilindro-parabolicos: se emplean espejos cilindro-parabolicos dondese refleja la irradiacion solar sobre un eje central por el que circula un fluido que escalentado para posteriormente producir electricidad. Estos concentradores se adap-tan al movimiento del sol mejorando ası su rendimiento. Actualmente es el que seencuentra en mayor uso junto con los de torre en las centrales solares termicas.

• Concentradores Fresnel: este tipo de concentradores se basan en el uso de unosespejos planos que reflejan la irradicacion solar a una distancia focal mayor que loscilindro-parabolicos. El hecho de usar espejos planos en lugar de cilindro-parabolicosdisminuye la complejidad de su diseno y permite abaratar su precio, pero con ellotambien disminuye su eficiencia.

• Discos parabolicos o Stirling: en este caso la irradiacion solar llega a un discodonde es reflejada y concentrada sobre un receptor central con un motor Stirling,aun siendo algo mas compleja que los concentradores Fresnel en su diseno, produceunos mejores resultados de eficiencia.

Las diferencias entre estos cuatro tipos de tecnologıas se observan claramente en laFigura 1.1.

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Figura 1.1: Tipos de tecnologıa solar termica [17].

Las centrales solares termicas con torre solar como se ha indicado basan su fun-cionamiento en la concentracion de la irradiacion solar sobre un elemento situado a ciertaaltura denominado receptor. En el receptor se calienta un fluido gracias a la energıaque recibe y este posteriormente transmite el calor al ciclo. La concentracion de radiacionse realiza a traves de la reflexion de la luz en los heliostatos que apuntan hacia el receptor.

Los heliostatos se componen de una serie de espejos denominados facetas unidos entresi que junto con un mecanismo varıan su orientacion de forma que la radiacion solar seconcentre sobre el receptor y sea aprovechada de la manera mas eficiente posible. Su dis-posicion alrededor de la torre solar es objetivo de numerosos estudios, y principalmentese pueden distinguir dos distribuciones.

• Campo Norte: los heliostatos se situan en hileras a un lado de la torre de concen-tracion, este tipo de distribucion puede denominarse tambien campo Sur en funcionde la latitud a la que se encuentre la central (Figura 1.2).

• Campo circundante: los heliostatos se encuentran en hileras concentricas con res-pecto a la torre de concentracion (Figura 1.3).

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Figura 1.2: Ejemplo campo Norte

Hay que tener en cuenta que en el campo de heliostatos se produce el 40% de lasperdidas de energıa [3] por lo que es muy importante el estudio de su distribucion paraconseguir unos correctos resultados y reducir en la mayor medida posible esta perdida.A todo esto hay que anadir que se encuentran por centenares alrededor de las torres deconcentracion y esto da lugar a que los heliostatos sean el principal coste en este tipo decentrales.

Este tipo de centrales al igual que las centrales de energıas renovables en general cuen-tan con un problema fundamental y es su competitividad con respecto a otro tipo decentrales con combustibles fosiles. El principal problema es la dificultad de mantener unflujo constante de energıa debido a que dependen de fuerzas que no son constantes en lanaturaleza, de esta forma encontramos distintas soluciones implantadas para hacer frentea este problema.

Una de las soluciones es el uso de un sistema de almacenaje anadido a la central, asıse consigue almacenar el exceso de energıa en los puntos de mejor funcionamiento de lacentral y emplearlos en los momentos de mayor necesidad. Este sistema se localiza dediferente manera en las centrales solares termicas con torre, dos ejemplos son la centralPS20 y la central Gemasolar.

En la central PS20 el sistema de almacenaje se basa en el empleo de un sistema deacumuladores de vapor de forma que parte del vapor calentado se almacena para ser uti-lizado en caso de baja irradiacion solar [1]. El sistema empleado en la central Gemasolaren cambio se basa en el uso de acumuladores de sales fundidas, en las que se almacena elcalor para luego emplearlo en las situaciones necesarias [7]. Este sistema da una capacidadde funcionamiento a la central de hasta 15 horas en condiciones de baja irradiacion.

Otro punto fundamental a considerar en las centrales solares termicas es su eficiencia.

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1.2. EJEMPLOS DE CENTRALES SOLARES TERMICAS Introduccion y objetivos

Figura 1.3: Ejemplo de campo circundante

La importancia de la eficiencia en este tipo de centrales se justifica en su menor com-petitividad con respecto a las centrales termicas convencionales que usan combustiblesfosiles. Una mayor eficiencia significa un aumento de la competitividad y un mayoraprovechamiento de la fuente de energıa, en este caso, de la irradiacion solar.

En este proyecto se busca mejorar este punto analizando un tipo de turbina de gasdiferente al empleado en estas centrales. El objetivo es obtener una mejora de la eficienciay obtener ası una aproximacion a un modelo mas competitivo de central solar termica.

1.2 Ejemplos de centrales solares termicas

Conviene hacer hincapie en la mayor importancia que esta tomando el uso de la energıasolar como fuente alternativa a los combustibles fosiles y como cada vez se estan creandocentrales con potencias mayores y mejores eficiencias.

Encontramos numerosos tipos de centrales en los que se combinan mas de un tecnologıasolar como por ejemplo en el Complejo Solar de Ouarzazate, Marruecos, en el que se in-cluyen hasta cinco plantas solares con el objetivo de producir una potencia de 500MW [5].

En este complejo destacan las centrales NOORII y NOORIII, siendo la primera decolectores cilindro-parabolicos y con capacidad de generar una potencia de 200MW ysiendo la segunda de tecnologıa de torre solar de 150MW ambas con un sistema de alma-cenaje de hasta 7 horas.

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Ejemplos de centrales solares termicas Introduccion y objetivos

Figura 1.4: Central solar termica PS20

Centrandonos mas en el tipo de centrales que se tratan en este proyecto, es decir, lassolares termicas con torre solar comprobamos como existen a dıa de hoy proyectos tanambiciosos como el de la central Sandstone de SolarReserve en Nevada, EEUU, en el quese plantea la creacion de central solar termica con diez torres de concentracion y con unapotencia total de 2000MW sin ninguna fuente de calor adicional al sol. La central tendrıaun sistema de almacenaje que le permitirıa trabajar durante 10 horas en condiciones debaja irradiacion solar [18].

Esta central cuenta con una inversion de 2000 Me lo que significa un coste de unos2Me por MW generado. Esta inversion tan alta en este tipo de centrales demuestra laconfianza que ya generan hoy en dıa como se considera como una alternativa a la im-plantacion de las energıas renovables. Tambien hay que destacar el precio que se consigueen esta central que hace de ella que sea muy competitiva si consideramos otra.

Ademas de esta central otro ejemplo se encuentra en la central de Copiapo de Solar-Reserve planteada para entrar en funcionamiento en 2019 en la region de Atacama, Chile.Esta central contarıa con una potencia de 260MW distribuidos en dos torres de 130MWy un sistema de almacenamiento que llega hasta las 13 horas [18].

Con estos ejemplos aquı expuestos se comprueba como existe un gran interes en estatecnologıa y como no es un hecho puntual de algun paıs o region si no que encontramosgrandes proyectos en Estados Unidos, Chile o Marruecos.

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1.3. LOS CICLOS BRAYTON Introduccion y objetivos

Figura 1.5: Imagen del Complejo Solar de Ouarzazate, donde se distinguen los distintostipos de tecnologıa solar termica.

1.3 Los ciclos Brayton

El ciclo que se va a emplear en este proyecto es el de un ciclo Brayton cerrado. Unciclo Brayton basico se compone de una turbina, un compresor y una fuente de calor. Deesta forma el fluido de trabajo entra en el ciclo, se comprime en el compresor aumentandosu temperatura y junto con el calor aportado por la fuente pasa a traves de la turbinaque transforma esta energıa termica en mecanica. De esta forma la turbina conectada aun transformador convierte la energıa mecanica en electrica.

Este tipo de ciclos puede ser abierto o cerrado (Figura 1.7). En el caso de que seaun ciclo abierto el fluido de trabajo entra en el ciclo y posteriormente sale del mismo,necesitandose una fuente continua de dicho fluido, que suele aire. Por el contrario enciclos Brayton cerrados el fluido de trabajo es recirculado y reutilizado lo que permiteampliar el rango de fluidos de trabajo utilizados en los ciclos. Esta posibilidad amplıalas posibilidades de la mejora de la eficiencia de los ciclos, permitiendo usar fluidos concaracterısticas mejores que las del aire empleado en los ciclos Brayton abiertos.

Ademas de la posibilidad de usar otro tipo de fluidos, tambien se pueden emplear elaire en los ciclos Brayton cerrados pudiendo obtener en el caso del aire mejores eficiencias.Esto se debe a que el fluido utilizado que entra a alta temperatura en la turbina no pierdetoda su energıa en este paso de forma que si despues es expulsado, parte de la energıaaportada por la fuente de calor se pierde con el. Aunque se use un recuperador antes dela salida del fluido que permite aumentar la eficiencia al aprovechar parte de esa energıa

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Los ciclos Brayton Introduccion y objetivos

Figura 1.6: Imagen del proyecto de la central Sandstone.

que se puede perder, la salida implica que parte de esa energıa sı que se perdera, no solopor el que sale sino tambien por la poca energıa que tendra el entrante.

Con todo esto se quiere decir que aunque en los ciclos cerrados se emplean intercoolersestos pueden mantener unas temperaturas de energıa mas alta al evitar tener que aumen-tar la temperatura del fluido directamente sobre la temperatura ambiente.

Otra caracterıstica a tener en cuenta de este tipo de ciclos es que la necesidad detener una fuente indirecta de calor debido a que el ciclo es cerrado permite que pueda seradaptado a todo tipo de centrales y teniendo en cuenta el funcionamiento de las torres deconcentracion solar en el que el receptor funciona como intercambiador de calor hace queeste tipo de ciclo sea facilmente adaptable a estas [9].

Una ventaja anadida que tiene el uso de los ciclos Brayton cerrados es el facil controlde la potencia del ciclo a traves de la presion del fluido de trabajo. De esta manera unaenergıa tan variable como puede ser la energıa solar permitirıa facilmente conseguir unasalida constante de potencia a pesar de las circunstancias [8].

A esto ultimo hay que anadir la posibilidad de trabajo con sistemas de enfriamientoseco, este sistema reduce en gran medida el empleo de agua en la refrigeracion lo quepermite una ventaja a la hora de proyectar una central solar de las caracterısticas delproyecto en estas zonas.

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Los ciclos Brayton Introduccion y objetivos

Figura 1.7: Ejemplo de ciclos Brayton, abierto a la izquierda y cerrado a la derecha.

Esta ventaja se justifica en que normalmente las zonas con mayor irradiacion normaldirecta (DNI), y por tanto las zonas mas adecuadas para la instalacion de centrales desolares termicas suelen ser zonas muy aridas y donde escasea el agua. Esto supone unproblema para el suministro de la cantidad suficiente de agua a las centrales y por lotanto mayor dificultad para la refrigeracion. El enfriamiento seco supone una soluciontodavıa en estudio ya que supone una perdida de eficiencia pero con gran potencial ybuena adaptacion en los ciclos Brayton cerrados [8].

Frente a los ciclos Rankine con turbina de vapor los ciclos Brayton cerrados presentanun ciclo mas simple, lo que facilita su diseno frente a estos, ademas de que los ciclosBrayton en comparacion con las turbinas de vapor pueden obtener un mayor rendimientotrabajando a altas temperaturas [14].

Finalmente una ventaja que presentan los ciclos Brayton cerrados para este tipo decentrales es una reduccion del coste debido a su gran densidad de potencia. Es decir estetipo de ciclos cuentan con una presiones de trabajo menores lo que permite reducir sutamano y que su precio pueda competir con los de ciclos mas extendidos como las turbinasde vapor [8][14].

Estas caracterısticas mencionadas suponen al ciclo Brayton cerrado de:

• Una potencial mejora en el rendimiento de los ciclos.

• Una mejor adaptacion a los medios aridos propios de las zonas con mejores carac-terısticas para las centrales de concentracion solar (siempre y cuando presente unsistema de refrigeracion seca).

• Una reduccion en el coste del ciclo con respecto a las turbinas de vapor.

• Una menor complejidad que los ciclos Rankine.

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1.4. JUSTIFICACION DEL USO DEL HELIO Introduccion y objetivos

Con las buenas caracterısticas que parecen tener este tipo de ciclos conviene pregun-tarse por que no son los empleados en el uso general. Esta tecnologıa a pesar de susbuenas expectativas a penas esta implantada en las centrales y es actualmente cuandose esta produciendo un mayor avance en su investigacion. Esto se debe principalmentea su coste y complejidad que a pesar de sus buenas caracterısticas impidio el avance desu investigacion, que se centro en la mejora de los ciclos abiertos como se explicara acontinuacion [9].

La primera turbina de gas trabajando en ciclo cerrado se puso en funcionamiento enel ano 1939, funcionaba con aire como fluido de trabajo y tenıa una potencia de 2MW.Llegandose a obtener una eficiencia del ciclo del 31,6%. Tras esta turbina se fabricaronmas de potencias mayores como la de la central Gelsenkirchen en 1967 con una poten-cia de 17,25MW con una eficiencia del 30% y empleando aire como fluido de trabajo.Ademas del aire que fue el principal fluido de trabajo utilizado en estas turbinas tambiense disenaron ciclos con helio o nitrogeno.

El factor economico influyo en gran medida en el avance de este tipo de tecnologıa te-niendo en cuenta que al igual que este tipo de ciclo avanzaba, tambien lo hacıan los de lasturbinas de gas en ciclo abierto que en cuanto a complejidad y precio pronto superaron encompetitividad a las de ciclo cerrado. Principalmente el motivo fue debido a la bajada deprecio de los combustibles fosiles, lo que permitıa trabajar con ciclos que aun con menoseficiencia su diferencia no lo compensaba el precio de los ciclos cerrados. Fue en torno a1970 cuando el empleo de las turbinas de gas de ciclo cerrado fue desapareciendo siendolos ciclos abiertos y combinados los que se impusieron [9].

Actualmente las mejoras tecnologicas en cuanto a materiales y metodos de fabricacionjunto con el aumento del uso de las energıas renovables hacen que este tipo de ciclosvuelva a estar en continuo estudio. Esto se debe a como se ha indicado anteriormentea la busqueda del maximo rendimiento del ciclo para poder competir con el uso de loscombustibles fosiles. Al volver a ser fundamental la eficiencia del ciclo, a partir de los cic-los Brayton cerrados se estudian diversas alternativas gracias a sus amplias posibilidades.De esta forma para este proyecto se plantea un ciclo Brayton cerrado usando helio comofluido de trabajo.

1.4 Justificacion del uso del helio

El planteamiento del uso de helio como fluido de trabajo parte de las buenas cualidadesque tiene este gas con respecto a otros. Las alternativas que actualmente se plantean paracentrales termicas de concentracion solar son principalmente cuatro: el aire, el helio, elargon y el CO2 supercrıtico.

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Justificacion del uso del helio como fluido de trabajo Introduccion y objetivos

En comparacion con el aire encontramos que:

• El coeficiente de transferencia de calor del helio es superior al de este, al igual que elcalor especıfico, que en el caso del helio es de 5192,61 J/kg-K y en el del aire sepuede considerar a unas temperaturas cercanas a las de trabajo de 1184,58 J/kg-K.

• El helio es inerte lo que a diferencia del aire hace que las piezas del sistema no estanexpuestas a la oxidacion cuando se alcanzan altas temperaturas.

• El helio tiene menores perdidas de presion que el aire aunque tiene mas facilidad deque se produzcan fugas.

En cuanto al uso del argon con respecto al aire segun [10] la eficiencia obtenida porel mismo es muy cercana a la del helio ademas de contar con un mejor resultado ante lasvariaciones en las perdidas de presion. El argon es el gas noble que se encuentra en mayorproporcion en la atmosfera seguido del helio, por lo que se puede concluir que ambospodrıan ser buenos sustitutos del aire en este tipo de turbinas.

La mayor diferencia, y el motivo por el que se ha seleccionado el helio en lugar delargon, es el mayor coste que supone la fabricacion de un sistema completo que trabajecon argon.

En cuanto al uso del S − CO2 aunque permite la obtencion de eficiencias mayoresque las obtenidas con el helio, este hecho se cumple trabajando a altas presiones y con laprecaucion de no alcanzar altas temperaturas ya que se puede producir la disociacion delgas y una reaccion del mismo con los materiales del sistema, pudiendose generar fallos oroturas en la planta. Esto hace que para las temperaturas consideradas en este proyectocon el helio pueda obtener mayor eficiencia [10].

La mayor experiencia de uso del helio frente al argon y el CO2 en ciclos similarestambien ha sido un factor a tener en cuenta a la hora de seleccionar este gas, ya quepermite conseguir un resultado mas realista del que se podrıa obtener con los otros gases.Se comprueba por ejemplo como ya en el ano 1962 se planteo el diseno de un ciclo Bray-ton cerrado con helio como fluido de trabajo o como la central Oberhausen II en 1974consiguio trabajar a potencias de 30MW con este fluido [9].

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1.5. OBJETIVOS Introduccion y objetivos

1.5 Objetivos

Con todo esto se explica el motivo de la realizacion de este proyecto con el objetivode analizar la mejora que se puede producir en este tipo de centrales planteando un cicloBrayton cerrado con helio como fluido de trabajo, buscando como esto puede afectar alrendimiento de la central y observando el impacto que tiene sobre su coste.

El proceso a seguir sera la realizacion primero de un modelo de ciclo de helio dondese ajustaran sus temperaturas y presiones para a continuacion seleccionar el campo so-lar adecuado para su correcto funcionamiento en ausencia de un sistema de hibridacionpara finalmente realizar una serie de analisis sobre el mismo. Por un lado se realizara unanalisis energetico y exergetico con el objetivo de comprobar su rendimiento y por otrolado se realizara una estimacion del coste de este tipo de central. Por ultimo se realizarauna comparacion de los resultados obtenidos con los de otro ciclo similar con aire comofluido de trabajo con el objetivo de comprobar la diferencia del uso del helio en sustituciondel aire en los resultados.

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Capıtulo 2

Metodologıa

2.1 Ciclo

2.1.1 Introduccion del ciclo

Para este proyecto se va a considerar la aplicacion de un ciclo Brayton con el uso deuna turbina de helio en ciclo cerrado (Figura 2.1). El ciclo planteado en este proyecto secompondra de dos compresores, una turbina, un recuperador, un intercooler, un precoolery como fuente de calor una torre solar.

El motivo por el que se realiza esta configuracion viene apoyada por dos referencias[9] y [11]. En la primera referencia se habla acerca de un estudio en 1978 de un modelosimilar para emplearlo en una central solar termica. Este modelo se ve respaldado porla segunda referencia en el que se plantean distintas configuraciones y se analizan losrendimientos obtenidos.

Las configuraciones planteadas en la referencia [11] son tres, un primer ciclo con uncompresor y una turbina 1C-1T, un segundo ciclo con dos compresores y una turbina2C-1T y finalmente un tercer ciclo con dos compresores y dos turbinas 2C-2T.

De la primera configuracion se obtiene un rendimiento menor que en la configuracioncompuesta por dos compresores y una turbina. De la tercera configuracion con dos com-presores y dos turbinas se obtiene mejor rendimiento que en las dos anteriores pero nece-sitarıa de una segunda fuente de calor en el ciclo.

El hecho de tener que aumentar la temperatura de salida de la primera turbina paraconseguir un buen rendimiento en la segunda obliga a que si se quiere contar unicamentecon energıa solar habrıa que anadir un segundo receptor al ciclo y la mejora del rendimientono compensarıa su coste.

Este proyecto se basa en el uso unicamente de energıa solar como fuente de calor por lo

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Ciclo Metodologıa

Figura 2.1: Esquema del ciclo 2C-1T

que se descarta la posibilidad de realizar un ciclo hıbrido por lo que finalmente de las tresconfiguraciones consideradas finalmente se selecciona la compuesta por dos compresoresy una turbina al ser la que presenta un mejor rendimiento.

Para los analisis que se van a llevar a cabo en este proyecto en primer lugar se tieneque realizar un modelo del que se tienen que conocer sus temperaturas y presiones enlos distintos puntos del ciclo. De esta forma se va a tomar como referencia el modeloplanteado en [11] del que se conocen las caracterısticas de los elementos que componen elciclo, la temperatura de entrada a la turbina y las potencias de los compresores, turbinay la producida por el ciclo.

El objetivo es tomando este modelo conseguir replicarlo y conocer con esto el valor delas temperaturas y presiones en los puntos de este ciclo. Tras esto se planteara el camposolar mas adecuado a las caracterısticas del ciclo y una vez reajustado a este campo seprocedera a la realizacion de los analisis energetico, exergetico y economico.

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Ciclo Metodologıa

2.1.2 Elementos del ciclo

Los elementos que componen el ciclo como se ha indicado anteriormente son siete: doscompresores, una turbina, un intercooler, un precooler, un recuperador y una fuente decalor, la torre solar. A continuacion se expondran los elementos seleccionados con suscaracterısticas.

Compresores

En el ciclo de estudio se cuenta con dos compresores 1C y 2C. Ambos con una relacionde compresion de δ=1.6 y con una temperatura de entrada permitida de 303,15 K. Tienenademas un rendimiento politropico de εcp = 86%.

Segun [11] el uso de un tercer compresor aumentarıa la eficiencia pero no lo suficientecomo para compensar el coste de un intercooler mas y del propio compresor. Por lo tantose concluye que para el ciclo el numero adecuado es el de dos compresores.

Turbina

Unicamente sera necesario el uso de una turbina en el ciclo. Las caracterısticas de lasturbinas de helio permiten trabajar en un rango de temperaturas que va desde los 850oChasta los 950oC. Existe la posibilidad de trabajar a temperaturas superiores, llegandohasta los 1000oC pero basandonos en el documento [11] se considerara el rango de tem-peraturas indicado. La turbina del ciclo tendra un rendimiento politropico de εtp = 89%.

Como ya se ha indicado el uso de una unica turbina se debe al coste que tendrıa elanadir una segunda torre solar al ciclo pero sı darıa lugar a un aumento del rendimientoconcretamente segun el estudio [11] aumentarıa en un 2,51%, pero, como se ha indicadola posibilidad queda descartada debido a que no compensa el coste.

Precooler e intercooler

Al estar tratando un ciclo cerrado los intercambiadores de calor se convierten en ele-mentos fundamentales del mismo, ya que permiten variar la temperatura del fluido detrabajo y conseguir el correcto funcionamiento de los distintos elementos. En el ciclo secontara con un precooler y un intercooler.

Tanto el precooler como el intercooler tienen como funcion el reducir la temperaturadel helio a la entrada de los compresores que de otra manera serıa demasiado elevadapara su buen funcionamiento. Ambos se considera que se basaran en el uso del agua comofluido refrigerante. En estos elementos del ciclo se produciran unas perdidas de presion

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Ciclo Metodologıa

de ∆P = 1%.

Recuperador

En cuanto al recuperador, es un elemento no necesariamente imprescindible en cuantoal correcto funcionamiento del ciclo pero sı en cuanto al aumento de la eficiencia delmismo. El recuperador permite aprovechar el calor de salida de la turbina para aumentarla temperatura de entrada del helio en las fuentes de calor lo que permite que necesitemenos energıa aportada para alcanzar una temperatura determinada. El intercambio decalor en este punto del ciclo reduce la temperatura del helio que va hacia el compresory por lo tanto se reduce la energıa disipada en el intercooler. Debido a su modo de fun-cionamiento solo sera necesario el uso de un recuperador en el ciclo.

Este contara con una efectividad de εr = 90%. Ademas como ocurrıa en el caso delintercooler y precooler se produciran unas perdidas de presion de ∆P = 1%.

Torre solar de concentracion del modelo

La torre solar de concentracion es el elemento fundamental del ciclo ya que es la fuentede calor principal y la que justifica el estudio del mismo.

En este primer caso que se va a tratar se va a considerar la torre solar unicamentecomo fuente de calor y no se van a analizar sus caracterısticas. Mas adelante, cuando sehaya realizado el ajuste del ciclo al del modelo se analizara con mayor detalle que carac-terısticas tiene que tener.

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Ciclo Metodologıa

2.1.3 Estudio teorico del ciclo

Introduccion

Una vez determinadas las partes del ciclo se procede a su analisis teorico. Este estudiose realizara tomando como referencia el documento de [11] ya que permitira un correctoanalisis posterior del mismo. De esta manera el primer objetivo de este estudio sera laobtencion de los resultados que han sido obtenidos en el documento [11].

En la realizacion del modelo se consideraran las caracterısticas indicadas de los dis-tintos elementos:

• Rendimiento politropico de los compresores εcp = 86%.

• Rendimiento politropico de la turbina de εtp = 89%.

• Efectividad del recuperador εr = 90%.

• Perdidas de presion en intercooler, recuperador y receptor de ∆P = 1%.

La temperatura de entrada de los compresores sera T1=T3=303,15K y la relacion decompresion de δ = 1, 6 debido a las condiciones de diseno de los mismos. En cuanto a lapresion de entrada al primer compresor se valorara en P1=1,5 bar, ya que como se indicaen el documento [11] se obtiene mayor eficiencia ası que a presiones mayores.

En el estudio se plantea el uso de una presion de entrada de 5,9 bar pero el resultadoobtenido es de una eficiencia levemente inferior, un 0,05% menor, a la obtenida con 1,5bar, por este motivo se selecciona finalmente P1=1,5bar como presion de entrada al primercompresor.

Por ultimo cabe destacar que en el calculo de los distintos parametros de este ciclose tratara el helio como gas ideal debido a que la diferencia de resultados con respecto atratarlo como gas real es despreciable.

Calculo de presiones

Con los datos expuestos anteriormente se plantea el calculo de los valores de presiony temperatura en los distintos puntos del ciclo. De esta forma se comienza con el calculode las presiones, partiendo de una presion de entrada al compresor 1C de P1=1,5bar, larelacion de compresion de δ = 1, 6 en cada compresor y considerando las perdidas de

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Ciclo Metodologıa

∆P = 1% en los intercooler, el recuperador y el receptor.

P2

P1

= δ

Gracias a la relacion de compresion y la presion de entrada P1 se obtiene la presionde salida del compresor 1C, P2=2,4 bar. La presion de salida del compresor 1C P2 nocoincidira con la de entrada del compresor 2C P3 debido a la colocacion de un intercoolerintermedio para reducir la temperatura de salida del compresor 1C a una temperaturaadecuada de entrada al compresor 2C. Este intercooler genera unas perdidas de presiondel ∆P = 1%.

(1−∆P ) · P2 = P3

Se obtiene como resultado una presion de salida del segundo compresor 2C de P3=2,376bar. Ahora habrıa que obtener la presion de salida del compresor 2C P4 que se cal-cula facilmente conociendo la relacion de compresion δ = 1, 6. La presion obtenida seraP4 = 3, 8016 bar, presion maxima de todo el ciclo.

A partir de este punto se obtendra la presion de salida del recuperador P5 siguiendo elmismo procedimiento que en calculo de P3, ya que se producen unas perdidas ∆P = 1%iguales que a las del intercooler, se obtiene en este punto una presion P5= 3,76 bar. Acontinuacion se calcula la presion de salida de la torre de concentracion P6 que se realizasiguiendo el mismo procedimiento que para P3 y P5, es decir, considerando unicamenteunas perdidas de presion ∆P = 1% sobre la presion del punto anterior. Esto se debe aque los tres elementos (intercooler, recuperador y receptor) se consideran con las mismasperdidas. El resultado obtenido en este punto sera P6=3,73 bar.

Finalmente para el ajuste del ciclo y al no tener el valor de la expansion de la turbina,se calculan las presiones de salida de la turbina P7 y de la salida del recuperador P8 apartir del valor de la presion de entrada en el compresor 1C P1 sabiendo que se produciranperdidas ∆P = 1% en el paso por el recuperador y el segundo intercooler. Esto dara comoresultado P8=1,51 bar y P7=1,53 bar.

(1 + ∆P ) · P1 = P8

(1 + ∆P ) · P8 = P7

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Ciclo Metodologıa

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8

1,50 2,40 2,38 3,80 3,76 3,73 1,53 1,51

Tabla 2.1: Presiones en los puntos del ciclo (bar).

Calculo de temperaturas

A continuacion se realiza el calculo de las temperaturas en los distintos puntos delciclo. De esta forma partiendo de que las temperaturas de entrada en los compresores T1y T3 tienen un valor de 303,15 K, como se ha justificado anteriormente, se comienza porcalcular la temperatura de salida del primer compresor 1C, T2.

Para el calculo de la temperatura T2 se necesitara hallar previamente el valor delcoeficiente adiabatico γ correspondiente al helio. Este valor se halla considerando un cpobtenido en el programa EES de cp= 5192,61 J/kg-K y una M=4 g/mol. Sabiendo quecp − cv = R y que cp/cv = γ se obtiene que el valor de γ = 1,67. El valor de R utilizadopara el calculo de γ es el del helio correspondiente al resultado del cociente entre la con-stante universal de los gases ideales 8,314 J/mol-K y la masa atomica M, con lo que seobtiene un valor de R=2078,5 J/kg-K.

Los datos obtenidos del estudio son los de los rendimientos politropicos pero para elcalculo se hace necesario conocer los rendimiento isentropicos, esto se debe a que una vezobtenida la temperatura T2s correspondiente a la temperatura de salida del compresorcon un funcionamiento isentropico, el rendimiento permitira obtener la temperatura realde salida T2. El rendimiento isentropico se puede calcular a partir del politropico a travesde las siguientes formulas:

εci =(P2

P1)γ−1γ − 1

(P2

P1)γ−1γ

1εcp − 1

Con el que se obtiene un rendimiento isentropico de los compresores de εci = 0, 846.

εti =1− (P7

P6)γ−1γ

εtp

1− (P7

P6)γ−1γ

Con el que se obtiene un rendimiento isentropico de la turbina de εti = 0, 907.

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Ciclo Metodologıa

Una vez obtenidos los rendimientos isentropicos se procede al calculo de las tempera-turas de salida de los compresores en condiciones isentropicas T2s y T4s. Primero se calculaT2s, para calcularlo son necesarios los valores de presion de entrada y salida al compresor,en este caso P1 y P2, de la temperatura de entrada T1 y de γ. Con estos datos y aplicandola siguiente ecuacion se obtiene una T2s = 365, 90K.

T2s = T1 ·(P2

P1

) γ−1γ

Con el valor de la temperatura de salida del compresor en un proceso isentropico T2sse realiza el calculo de la temperatura real de salida del compresor 1C T2. Para ello seutilizara la ecuacion del rendimiento isentropico y se obtiene una T2 = 377, 28K.

T2 = T1 +

(T2s − T1εci

)

La temperatura T3 como se ha indicado sera igual a T1, debido a las condiciones dediseno de los compresores. Como ambos compresores 1C y 2C tienen la misma relacionde compresion y la temperatura de entrada se obliga a que sea la misma gracias al usode un intercooler intermedio, resultara que tanto la temperatura de salida del compresor2C en el caso de un proceso isentropico T4s como la real T4 tendran el mismo valor yse obtendran de la misma forma que en caso del compresor 1C. Por lo tanto T4s=T2s yT4=T2. Este hecho se justifica en que el principal objetivo del uso de los compresores eneste ciclo es el del aumento de presion y no tanto la temperatura, por lo que aunque no seconsigue una diferencia de aumento de temperatura entre el uso de uno o dos compresores,este cambio si se produce en el aumento de presion, P4 > P2.

El siguiente valor que se calcula es el valor de la temperatura de salida de la turbinaT7, se va a considerar para este calculo un valor de entrada a la turbina de T6= 900oC yaque es el valor que se toma para una turbina de gas con helio en [11], en donde se indicaque los valores normales de trabajo oscilan entre 850-950oC. A partir de este valor elcalculo es similar al de las temperaturas de salida de los compresores. Se calcula el valorde la temperatura de salida en el caso de un proceso isentropico T7s y a continuacion conla ecuacion del rendimiento isentropico para una expansion se obtiene la temperatura realde salida de la turbina T7. Por lo tanto el calculo se realizara segun las siguientes formulas.

T7s = T6 ·(P7

P6

) γ−1γ

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Ciclo Metodologıa

T7 = T6 − εti · (T6 − T7s)

Como resultado se obtiene una temperatura de salida de turbina de un proceso isentropicoT7s = 821, 63K y una temperatura real de salida de la turbina de T7 = 854, 46K.

Para el calculo de las temperaturas de salida del recuperador T5 y T8, una vez obtenidaslas temperaturas de entrada en el mismo T4 y T7 se realizara teniendo en cuenta la trans-mision de calor de la rama caliente, la de salida de la turbina, a la rama frıa, la de salidadel compresor 1C. Para esto hay que tener en cuenta la eficiencia del recuperador dadacomo εr y con un valor εr = 90%. Con las distintas ecuaciones de la eficiencia del recu-perador que se pueden obtener como (T5 − T4)/(T8 − T7) = εr, (T8 − T7)/(T4 − T7) = εry (T5 − T4)/(T7 − T4) = εr se despejan los valores buscados y se obtienen las siguientesformulas.

T5 = εrT7 + T4 · (1− εr)

T8 = εrT4 + T7 · (1− εr)

Resolviendo resultan unos valores de temperatura de salida del recuperador de T5 =806, 74K y T8 = 425, 00K.

T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8303,15 377,28 303,15 377,28 806,74 1173,15 854,46 425,00

Tabla 2.2: Temperaturas en los puntos del ciclo (K).

Potencias

Con el calculo de potencias se busca comprobar los resultados de los calculos anteriorescomparandolos con los obtenidos en el documento [11]. Como se ha podido comprobarpara la obtencion de las temperaturas ha sido necesario el calculo previo de las presionesen los distintos puntos y como consecuencia con el calculo de las potencias en funcion delas temperaturas se podra comprobar el resultado de ambas partes, es decir, presiones ytemperaturas. Como resultado del documento se encuentra la potencia generada en laturbina, la potencia total consumida por los dos compresores, y la total generada por elciclo.

Para la comprobacion primero se calcula la potencia consumida por los compresoresWc. Al tener ambos las mismas caracterısticas y las mismas temperaturas de entrada

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Ciclo Metodologıa

T1 = T3 y de salida T2 = T4, la potencia total consumida por los dos compresores secalcula como:

Wc = 2mcp · (T1 − T2)—. Wc = 15, 397MW

La potencia generada por la turbina Wt se calcula de manera similar a la de loscompresores, teniendo en cuenta el caudal m = 20kg/s y las temperaturas de entrada yde salida de la turbina T6 y T7 respectivamente. La potencia generada por la turbina sera:

Wt = mcp(T7 − T6)—. Wt = 33, 096MW

Por ultimo habrıa que calcular la potencia total generada por el ciclo WT , que corres-ponde a la diferencia entre la generada y la consumida, esto es, la generada por la turbinamenos la consumida por los compresores. La potencia generada del ciclo obtenida es de:

WT = (Wt − Wc)—. Qg = 17, 699MW

Estos datos obtenidos se comparan ahora con los obtenidos en el documento [11] tabla2.3.

Sımbolo Resultado (MW) Documento (MW)

Potencia de los dos compresores Wc 15,397 15,4

Potencia de la turbina Wt 33,096 33,1

Potencia total generada WT 17,699 17,7

Tabla 2.3: Potencias obtenidas en el ciclo y el documento [11].

Se observa que la potencia consumida por los compresores efectivamente es igual enambos casos. En el estudio se indica que tiene un valor de 15,4 MW que considerandoque los datos dados por el documento estan con un solo decimal se puede asumir que15, 39 = 15, 4. Ademas se comprueba que la potencia generada por la turbina Wt es de33,096 que se puede asumir como 33,1, por el mismo motivo por el que se ha asumido lapotencia de los compresores, y que coincide con el valor obtenido en el modelo original.

Con estos datos por lo tanto se puede concluir que se ha replicado el ciclo planteadoen el documento [11] al haberse obtenido los mismos resultados y por lo tanto los datosde temperaturas y presiones calculados corresponderıan a los del ciclo del documento.

Con este procedimiento finalmente se ha conseguido obtener un ciclo Brayton con he-lio como fluido de trabajo del que conocemos sus temperaturas y presiones en todos lospuntos. De esta manera se cuenta con un ciclo fiable sobre el que realizar diversos estudiosy comprobar su funcionamiento en distintas situaciones.

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Ciclo Metodologıa

Por ultimo aunque no se conoce el dato obtenido en el documento conviene calcularla potencia aportada por la torre, ya que sera a partir de este valor sobre el que mas ade-lante se puedan valorar las caracterısticas que debe tener el campo solar para el correctofuncionamiento del ciclo.

Esta potencia se calcula a partir de las temperaturas de entrada y de salida de la torreen el ciclo, es decir de T5 y T6. Conocido el caudal y el calor especıfico del helio se obtieneque la potencia aportada es de :

Qap = mcp(T6 − T5)—. Qap = 38, 05MW

Con este valor obtenido de Qap y una vez ajustado el ciclo ahora se procedera a laseleccion de las caracterısticas que debe cumplir el campo solar para el correcto fun-cionamiento del ciclo.

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Ciclo Metodologıa

2.1.4 Seleccion del campo solar

El objetivo de este apartado es el de analizar que caracterısticas debe tener un camposolar para que sea adecuado al del ciclo estudiado, ası lo que se va a buscar en primerlugar es una torre que cumpla con las caracterısticas adecuadas y a continuacion se com-probaran las caracterısticas del campo de heliostatos.

Esto significa que el planteamiento de este punto se basa en buscar una torre existenteque pueda llegar a ajustarse al ciclo y no en el diseno de una torre teorica. Siguiendo esteplanteamiento se busca obtener un ciclo mas ajustado a la realidad.

Seleccion de la torre de concentracion solar

Como el objetivo de este apartado es encontrar una torre de concentracion real quepueda ser adaptable al ciclo se plantea la busqueda a partir de la potencia obtenida en elciclo esta es WT=17,7MW. Centrales de potencias similares encontramos como ejemplola central PS20 que cuenta con una potencia de 20MW. Este valor sirve de referencia altener en cuenta que la potencia aportada al ciclo por esta torre en principio tendrıa queser un poco mayor al valor que se requiere en el ciclo del proyecto.

En el documento [22] se observa como las caracterısticas expuestas en el ciclo sonlas propias de la central PS10 de Sevilla, una central construida por la misma empresaen el mismo lugar donde se encuentra la central PS20. De hecho la central PS20 es unaevolucion de la central PS10, produciendo una potencia la primera de 20 MW mientas quela segunda produce una potencia de 11MW [1]. Al ser construidas ambas centrales por losmisma empresa y teniendo en cuenta el uso del mismo tipo de heliostatos se considerarapara este estudio las mismas caracterısticas que las de la central PS10 y por lo tanto quelas del documento [22] en el estudio de la torre solar de la central PS20.

Con los datos aportados por el documento de referencia se calcula el aporte de calorde la torre PS20 al ciclo. Para ello se observa el numero de heliostatos con los que cuentala planta PS20, estos son 1255. Estos heliostatos tienen unas superficies de reflexion de121,3 m2 (9,45 x 12,84 m) y por los datos aportados por su eficiencia sera del 64,28% [22].

La eficiencia de los heliostatos se calcula a partir de distintos factores que influyenen el correcto funcionamiento de los mismos. Estas factores son el factor coseno ηcos,el factor sombra y bloqueo ηs&b, el factor de intercepcion ηint, el factor de atenuacionatmosferica ηatt y el factor de reflectividad ηref . Estos factores se representan a traves deuna eficiencia de los heliostatos con respecto a estos, de esta manera las eficiencias que seutilizaran seran las indicadas en [22](tabla 2.4).

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Ciclo Metodologıa

Eficiencia Sımbolo ValorCoseno ηcos 0,8267Sombra y bloqueo ηs&b 0,9698Intercepcion ηint 0,9710Atenuacion atmosferica ηatt 0,9383Reflectividad ηref 0,88

Tabla 2.4: Eficiencias del campo solar [22].

Con el producto de las eficiencias se calcula la eficiencia optica de los heliostatos ηhel.

ηhel = ηcos · ηs&b · ηint · ηatt · ηref = 0, 6428

A partir de este valor se calcula la potencia total que transmite el campo de heliostatosal receptor Qrec. Esta potencia viene definida como el producto de la radiacion solarreflejada en los heliostatos Qsol por la eficiencia del campo de heliostatos ηhel. La radiacionsolar emitida por el campo de heliostatos dependera de la cantidad de estos, del area derefraccion de los mismos y de la irradiacion directa normal del sol (DNI).

Qrec = ηhel · Qsol

Qsol = Nhel · Ahel ·DNI

Como la central indicada al igual que la del modelo se encuentran en la misma zona,Sevilla, el DNI se puede considerar igual y es de DNI = 850W/m2. Por otro lado,esta central cuenta con un numero Nhel = 1255 heliostatos con una superficie anterior-mente indicada de Ahel = 121, 3m2. Por lo tanto con todos estos datos se obtiene unaQrec = 82, 28MW .

La Qrec no es la potencia que finalmente entra en el ciclo, ya que hay que tener encuenta que una vez en el receptor se producen perdidas debido a la eficiencia de este enla absorcion de calor. Ademas hay que tener en cuenta que en el receptor encontramosaire y no helio, por lo que sera a traves de un intercambiador de calor por el que el calorresultante entre en el ciclo.

Se considera que la eficiencia del receptor es la misma que el de la central PS10, quese indica que es del 75% y las perdidas en el intercambiador de calor seran consideradasnulas. De esta forma se obtendra que la potencia aportada al ciclo es de Q = 61, 71MW .

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Ciclo Metodologıa

A partir de esta potencia aportada se genera una potencia de Qt = 51, 7MW en laturbina, una potencia muy superior a la buscada de aproximadamente un valor igual a laQap=38,05MW. A pesar de este buen resultado, si se analiza la temperatura de entrada ala turbina esta es de T6 = 1561, 54oC, lo que se considera una temperatura excesiva parael ciclo estudiado ya que se considero que la temperatura de entrada admisible para laturbina se encuentra entre 850-950oC. Esta temperatura hace inviable el uso de esta torretal cual esta disenada.

Modificacion del campo solar de la central PS20

Con los resultados obtenidos se mantiene la torre de la central PS20 y no se pruebacon la de la central PS10 debido a que se considera que esta segunda central cuenta con elmayor numero de heliostatos posibles correspondientes a su diseno y el resultado obteniblesera siempre inferior al buscado. En cambio en la central PS20 la reduccion del numerode heliostatos en principio unicamente infrautilizara el diseno de la torre pero no impedirasu funcionamiento a menor potencia. Por este motivo finalmente la torre sera igual a lautilizada en esta central pero el campo de heliostatos se reducira de 1255 a 765 lo quesignificara una temperatura de entrada en la turbina cercana a T6 = 900oC, la planteadaen el ciclo.

Para llegar a este numero de heliostatos necesarios para el funcionamiento de la cen-tral el proceso de calculo se realiza partiendo de la potencia aportada por la torre al ciclocumpliendo las condiciones de este y con el objetivo de acercar el resultado al obtenidoen el ciclo. De esta forma se utiliza el valor anteriormente indicado de Q = 38, 05MW .A partir de este dato y teniendo en cuenta la eficiencia del receptor ηre = 75% se obtieneuna potencia Qrec = 50, 73MW y manteniendo todos los valores indicados anteriormentea excepcion del numero de heliostatos, se obtendra un resultado de 764,24 lo que se tra-ducira en 765 heliostatos. Este cambio apenas influye en los resultados del ciclo por loque se conservan los datos obtenidos de temperaturas y presiones previamente calculados.

Con este resultado finalmente se selecciona esta torre de concentracion solar, la de lacentral PS20 (figura 2.2) como fuente de calor del ciclo.

Caracterısticas del campo solar

La torre se caracterizara por tener una altura de 165 metros, con un receptor que seencontrara a una altura de 126 metros y con geometrıa de cavidad [1]. La geometrıa decavidad es una caracterıstica que protege a este elemento de la torre de las inclemenciasclimatologicas, al encontrarse menos expuesto al exterior [2].

El ciclo contara con un campo de heliostatos compuesto por 765 heliostatos distribui-dos en campo Norte, esto es, los heliostatos no rodean la torre solar si no que se encuentrana un lado de la misma. Estos heliostatos tendran una superficie reflectante de 121,3 m2

cada uno. Esto supone un campo solar con una superficie total de 92794,5 m2.

39

Ciclo Metodologıa

Figura 2.2: Torre solar de la central PS20

Caracterısticas Valor UnidadesAltura (torre) 165 mAltura (receptor) 126 mSuperficie del campo solar 92794,5 m2

Nhel 765Ahel 121,3 m2

ηhel 0,64DNI 850 W/m2

Tabla 2.5: Caracterısticas del campo solar.

Como ya se indico los heliostatos dentro del diseno de una planta de concentracionsolar son unos de los elementos donde se producen las mayores perdidas, ademas de serlos componentes que mas influyen en el coste final de la central. Todo esto se debe aque el diseno de los mismos depende de muchos factores, no solo en su distribucion, sinotambien en los angulos de trabajo y en la forma de los mismos. Por otro lado, la suciedadde estos afecta directamente a su reflectividad lo que implica un aumento de las perdidasde energıa. Por ultimo, hay que tener en cuenta que para un uso efectivo se van redi-reccionando en funcion del movimiento del sol lo que implica que cada heliostato tiene unsistema de redireccionamiemto, es decir, tienen que ser moviles, lo que justifica su altocoste con respecto al conjunto de la central.

40

Ciclo Metodologıa

Por lo tanto una reduccion del numero de los heliostatos en el diseno de una plantade concentracion solar es fundamental ya que reducira en gran medida el coste total dela misma, lo que justifica que se ajuste a una temperatura de 900oC y no a temperaturasmas altas que implicarıan mayor numero de heliostatos y trabajar en el lımite de fun-cionamiento de la turbina.

41

Capıtulo 3

Resultados

Sobre el ciclo planteado, es decir, un ciclo Brayton con helio como fluido de trabajo ycon una torre de concentracion solar como unica fuente de calor se plantean a continuacionla realizacion de tres analisis: un analisis energetico, un analisis exergetico y un analisiseconomico.

El objetivo de estos analisis es el poder valorar la competitividad de un ciclo de estascaracterısticas desde un punto energetico y exergetico, pero tambien desde un punto devista economico. De esta forma por un lado se valoraran los rendimientos energeticos yexergeticos y finalmente se realizara una estimacion del coste de una central con un ciclocerrado con helio como fluido de trabajo.

Para la realizacion de los analisis exergetico y energetico es necesario el calculo de unaserie de caracterısticas de los puntos del ciclo, estas son: las entalpıas, las entropıas y lasexergıas (figura 3.1).

Para el calculo de las entalpıas de cada punto n del ciclo se emplea la ecuacion de laentalpıa, en donde la temperatura se dara en grados centıgrados:

hn = cp · Tn

El calculo de las entropıas se realiza utilizando la ecuacion:

sn = cp · ln(TnT0

)−R · ln

(Pn

P0

)A continuacion se calculan las exergıas de los puntos siguiendo la ecuacion de la exergıadada por:

en = cp · (Tn − T0)− T0 ·(cp · ln

(TnT0

)−R · ln

(Pn

P0

))42

Resultados

Donde la referencia es T0 = 298, 15K y P0 = 1, 01325bar.

Figura 3.1: Datos de los puntos del ciclo.

Una vez obtenidos los datos de los puntos del ciclo se procedera a realizar primeroun analisis energetico y posteriormente un analisis exergetico de este. Los resultadosobtenidos en los puntos del ciclo aparecen recogidos en la tabla de la figura 3.1.

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3.1. ANALISIS ENERGETICO Resultados

3.1 Analisis energetico

En el analisis energetico del ciclo se busca obtener el consumo de energıa de los compre-sores, la energıa generada por la turbina y las eficiencias del ciclo. Por otro lado tambiense calculara la energıa disipada por el intercooler y precooler. Ademas se realizara unestudio de la evolucion de la potencia solar aportada por la radiacion y la que finalmentellega al ciclo.

El trabajo consumida por los compresores se obtendra a partir de las entalpıas calcu-ladas del ciclo de esta forma conociendo que las entalpıas de entrada a los compresoresson iguales en ambos h1 = h3 al igual que las de salida h2 = h4 se puede calcular comopotencia consumida por el ciclo con la siguiente ecuacion.

Wc = 2m · (h2 − h1)—. Wc = −15, 397MW

El calculo del trabajo producido por la turbina se realiza de manera similar al de loscompresores, en este caso la entalpıa de entrada a la turbina viene definida por h6 siendoh7 la entalpıa de salida.

Wt = m · (h7 − h6)—. Wt = 33, 096MW

De gran interes tambien es saber el calor que se disipa por los intercambiadores decalor, es decir, por el intercooler y el precooler. Este calculo se realiza al igual que el delos compresores y la turbina a traves de la diferencia de entalpıa entre los puntos de saliday entrada de estos. De esta forma la entalpıa de entrada al precooler viene dada por h8y la de salida como h1.

Qpr = m · (h1 − h8)—. Qpr = −12, 654MW

Por otro lado la entalpıa de entrada al intercooler esta definida por h2 y la de salidapor h3.

Qin = m · (h3 − h2)—. Qin = −7, 698MW

El calor aportado al ciclo por parte de la torre solar se fijo en Qap = 38, 05MW . Estapotencia simplemente es una parte de la potencia total aportada por el sol al campo solar,de hecho la realmente aportada es de Qhel = 78, 93MW . Como se conocen las eficienciastanto del campo de heliostatos como la del receptor se puede observar (tabla 3.1) la po-tencia que llega en cada etapa antes de llegar al ciclo.

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Analisis energetico Resultados

Ciclo Receptor Heliostatos

Qap Qrec Qhel

38,05 50,74 78,93

Tabla 3.1: Evolucion del aporte de calor al ciclo (MW).

Con las potencias obtenidas, se realiza el calculo de una serie de rendimientos del ciclo,estos son : rendimiento del ciclo, rendimiento de la potencia solar aportada y la energıaelectrica obtenida, y el rendimiento de la torre solar.

El rendimiento del ciclo se calcula como el cociente del trabajo producido por el cicloentre el calor aportado. La obtencion del trabajo producido por el ciclo WT se realizacomo la diferencia de trabajo generado por la turbina y el consumido por los compresores.

WT = Wt −Wc—. WT = 17, 7MW

Al contar con una sola fuente de calor, la torre de concentracion, el calor aportadocoincidira con la potencia aportada por la torre. Se obtiene por lo tanto un rendimiento:

η =Wt −Wc

Qap

=WT

Qap

= 0, 465

El rendimiento de la transformacion de la energıa solar en energıa electrica se calcularacomo el cociente de la potencia generada, es decir, el trabajo producido por el ciclo entrela energıa solar aportada a los heliostatos.

ηs−e =WT

Qhel

= 0, 224

Finalmente el rendimiento de la potencia aportada por la torre solar se puede calcularde dos maneras, como el producto de los rendimientos del receptor y del campo de he-liostatos o a traves del cociente de la potencia aportada por la torre al ciclo y la potenciadel sol que llega a traves de la irradiacion a los heliostatos.

ηSF =Qap

Qhel

= ηhel · ηre = 0, 482

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Se puede comprobar como el rendimiento ηs−e = η · ηSF ya que el rendimiento de latransformacion de la energıa solar en electrica sera equivalente al rendimiento de la energıasolar que llega al receptor y que tras pasar por el ciclo sale en forma de energıa electrica, esdecir, la energıa que finalmente genera el ciclo es la que no se pierde desde que llega comoenergıa solar a los heliostatos y sale como energıa electrica de la turbina. Se puede con-cluir por tanto que se pierde aproximadamente el 78% de toda la energıa solar que llega ala planta a traves de los heliostatos ya que solo se consigue transformar en electrica el 22%.

A continuacion se recogen los resultados obtenidos en el analisis energetico.

Figura 3.2: Resultados del analisis energetico.

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Figura 3.3: Diagrama Sankey de la energıa.

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3.2. ANALISIS EXERGETICO Resultados

3.2 Analisis exergetico

Para la realizacion del analisis exergetico primero hay que determinar la exergıa quellega al ciclo a traves del receptor. Para calcular este dato se calcula la exergıa procedentedel sol a los heliostatos. Esta exergıa se calcula a traves del teorema de Petela [12]:

Ehel = Qhel ·

(1− 4

3

(T0Ts

)+

1

3

(T0Ts

)4)

De esta ecuacion se conoce Qhel del analisis energetico, T0, como ya se indico se con-sidera de 25oC y Ts, es la temperatura del sol. La temperatura del sol tomada en estecalculo es de 5778K. Se obtiene como resultado Ehel = 73, 48MW .

A continuacion se procede al calculo de las perdidas exergeticas en los distintos ele-mentos del ciclo.

• Turbina

La destruccion exergetica de la turbina se calcula como:

IDt = T0 · σ = T0 · m · (s7 − s6)

Con lo que se obtiene IDt = 1, 21MW .

• Recuperador

La destruccion del recuperador se obtiene con:

IDrc = m((e7 − e8) + (e4 − e5))

Se obtiene una destruccion de IDrc = 2, 16MW .

• Precooler

Para el calculo de la destruccion exergetica del precooler se tiene en cuenta la perdidade calor de este ası la destruccion se obtiene como:

IDpr = m · (e1 − e8)

48

Analisis exergetico Resultados

Se obtiene IDpr = 2, 32MW .

• Intercooler

El calculo de la destruccion exergetica en el intercooler se realiza de forma similar ala del precooler, pero considerando los puntos 2 y 3.

IDin = m · (e2 − e3)

Se obtiene IDin = 1, 05MW .

• Compresores

En el calculo de la destruccion exergetica de los compresores se realiza segun:

IDc1 = T0 · σ = T0 · m · (s2 − s1)

IDc2 = T0 · σ = T0 · m · (s4 − s3)

Como el salto de temperaturas y presiones es el mismo en ambos casos se obtieneIc1 = Ic2 = 0, 95.

Con los resultados obtenidos se obtiene una destruccion exergetica total del ciclo deIT = 8, 63MW . Con este valor de destruccion en el ciclo ahora se puede determinar laexergıa aportada por el receptor al ciclo ya que suponiendo una una salida del ciclo deET = 17, 7MW y con el valor de la destruccion exergetica se puede obtener la aportadaal ciclo a traves del receptor y esta es Eabs = ET + IT = 26, 33MW .

Las destrucciones obtenidas se exponen en la figura 3.4 donde se dividen en funcion delos grupos de elementos fundamentales de la central. Esta division es la que se mantienetambien en el diagrama Sankey en el que se representan graficamente las perdidas deexergıa de la central (figura 3.5).

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Figura 3.4: Perdidas de exergıa

Figura 3.5: Diagrama Sankey de la exergıa

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Una vez obtenidas las destrucciones exergeticas de los distintos puntos y la evolucionde la exergıa en el campo solar, se realiza el calculo de las eficiencias exergeticas del cicloal igual que se calcularon las energeticas en el analisis energetico.

En este caso a la hora de analizar las eficiencias exergeticas globales de la central seanalizara la de las turbomaquinas tambien. Contando con el trabajo previamente calcu-lado en el analisis energetico las eficiencias de de los componentes se calculara como:

ψt =Wt

Et

=Wt

mhel(e6 − e7)

ψc1 =Ec1

Wc1

=mhel(e1 − e2)

Wc1

Se obtienen unas eficiencias de ψt = 0, 96 y ψc1 = ψc2 = ψc = 0, 88.

Una vez calculadas las eficiencias de las turbomaquinas, se plantea la obtencion de laeficiencia exergetica del campo solar que se calcula como el cociente de la exergıa absorbidapor el receptor entre la exergıa que llega al campo solar.

ψabs =Eabs

Ehel

= 0, 358

El valor tan bajo obtenido por esta eficiencia refleja lo observado en el diagrama Sankeyy es la gran perdida de exergıa que supone el campo solar.

De gran interes es conocer el rendimiento exergetico del ciclo Brayton ψ. En este casoel calculo se realiza como el cociente del trabajo del ciclo WT y la exergıa que llega alciclo, esta es Eabs, por lo que se obtiene:

ψ =WT

Eabs

= 0, 672

Finalmente conviene calcular al igual que se hizo en el analisis energetico la eficienciade transformacion. El rendimiento exergetico de la central se calcula como el cociente deltrabajo producido por la central WT con respecto al aporte exergetico de la irradiacionsolar, la equivalente a la que llega a los heliostatos Ehel. Por lo tanto el rendimiento sera:

ε =WT

Ehel

= 0, 241

A continuacion se recogen el conjunto de resultados obtenidos en el analisis exergetico.

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Figura 3.6: Resultados del analisis exergetico.

Con los resultados obtenidos se realiza ahora una valoracion de estos con respecto alos obtenidos en otras centrales similares. De esta forma primero se va a comparar surendimiento de transformacion de la energıa solar a electrica con el rendimiento optimode otras cinco centrales entre las que se encuentra la PS10, para despues realizar unacomparacion de los rendimientos exergeticos y energeticos de los principales elementosde la central del proyecto con respecto a un modelo similar que usa aire como fluido detrabajo.

Las cinco centrales con las que se realiza la comparacion son las expuestas en la tablade la figura 3.7 [16]. Se compara la eficiencia optima ya que en el proyecto se han bus-cado unas condiciones favorables de funcionamiento, y en las eficiencias anuales de lascentrales se estan considerando tambien las mas desfavorables. De esta forma se observaclaramente como la central del proyecto cuenta con una eficiencia superior a estas. Anal-izando la central PS10 se da una eficiencia de 17% mientras que la obtenida en la delproyecto es de 22,4% si consideramos la energetica y del 24% considerando la exergetica.En el resto de ejemplos se observa un resultado similar.

Figura 3.7: Eficiencias pico de transformacion solar-electrica [16].

El modelo que se va a utilizar para realizar la comparacion de los resultados exergeticosde la central del proyecto es el de [13]. En este modelo encontramos una central con carac-terısticas similares a la tratada en el proyecto pero empleando aire como fluido de trabajo.Esta central cuenta con un sistema de hibridacion por lo que los elementos fundamentales

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con los que se va a comparar el analisis exergetico es con el campo solar, la turbina y elcompresor (Figura 3.8). La influencia del uso de una camara de combustion por parte delmodelo no influira en estos datos pero sı en las eficiencias del conjunto de la central.

El objetivo del modelo de referencia es el estudio del uso de un recuperador en elciclo de la central. Por este motivo el modelo cuenta con dos ciclos, y por tanto, condos resultados. Para la comparacion con la central del proyecto se analizara el ciclo conrecuperador por ser el que mas se acerca al del proyecto. Por ultimo hay que senalarque la central del modelo cuenta con un solo compresor y al ser abierto no cuenta conintercambiadores de calor a excepcion del recuperador.

Una vez explicado el modelo se procede a la comparacion con la central del proyecto,de esta forma se puede obtener una vision general de la diferencia de resultados obteniblespor dos ciclos con el mismo objetivo pero con fluidos de trabajo diferentes, helio y aire.

Figura 3.8: Tabla comparativa de las eficiencias del modelo [13] y la central del proyecto.

Analizando los resultados de la turbina del modelo [13] se observa un rendimiento exer-getico algo inferior al obtenido en la central del proyecto. Esta eficiencia es de 94,56%,inferior al 96,46% obtenido en la central del proyecto lo que supone una mejora en el usodel helio con respecto al aire en el ciclo Brayton.

En el caso del compresor esta eficiencia es peor en el caso de la central del proyecto,ya que esta cuenta con una eficiencia en los compresores de 87,68% mientras que en lacentral del modelo encontramos una eficiencia del compresor del 93,74%.

En cuanto a la eficiencia exergetica del campo solar en este caso es superior el delmodelo ya que se considera de 44,33%, mientras que el obtenido en este proyecto es de35,83%. Este valor no influye sobre la diferencia entre el uso de un ciclo de aire o de helioya que es independiente, pero conviene tenerlo en cuenta a la hora de valorar la eficienciaglobal del modelo y la central del proyecto.

El campo de heliostatos en el modelo tiene una eficiencia energetica del 72,35% y elreceptor del 79,17% valores superiores a la de la central del proyecto que eran de 64,28%

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y 75% respectivamente. Por lo que teniendo en cuenta este valor en el modelo se haconsiderado un eficiencia bastante superior del campo solar lo que influye en el mayorresultado obtenido en la eficiencia exergetica.

Finalmente, y pese a las diferencias senaladas entre ambos ciclos, como es la hibri-dacion en el del modelo, se va a discutir el resultado obtenido del rendimiento exergeticode la transformacion de la irradiacion solar en electrica. En el modelo se expone esta efi-ciencia como el cociente de la exergıa electrica producida y la que llega a los heliostatos,es decir, de la misma forma en la que se ha calculado la de la central del proyecto. Estaeficiencia resulta en 22,81% lo que supone mas de un punto por debajo a la obtenida enla central del proyecto que es de 24,08%. Esta diferencia realmente en las condiciones dela central del proyecto, sin hibridacion con una camara de combustion, serıa superior yaque aunque se calcula igual en ambos casos en el modelo la energıa electrica producidaque se usa para calcular la eficiencia es la resultante de la solar mas la que procede de lacombustion.

Con todo esto se comprueba un resultado muy favorable por parte de la central delproyecto con helio como fluido de trabajo ya que pese a no contar con camara de com-bustion y tener una mayor eficiencia del campo solar, se obtiene un gran rendimientosolar-electrico con respecto a la central del modelo con aire como fluido de trabajo.

Figura 3.9: Diagrama comparativo de las eficiencias del modelo [13] y la central delproyecto.

De esta manera se puede concluir el mejor rendimiento exergetico que supone el usode helio en una central de concentracion solar con respecto al aire. La busqueda de un

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mayor rendimiento era uno de los objetivos principales de este proyecto y ası finalmentese justifica el interes en el estudio del helio como fluido de trabajo desde el punto de vistaenergetico y exergetico de la central.

Ademas del helio el hecho de tratar un ciclo cerrado tambien influye en como esteresultado es mejor que el comparado que usa un ciclo abierto. Aun siendo bastante mejorla eficiencia en los elementos en los que mas exergıa se pierde la combinacion del heliocon un ciclo cerrado es capaz de ofrecer un rendimiento superior.

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3.3. ANALISIS ECONOMICO Resultados

3.3 Analisis economico

Tras realizar un analisis energetico y exergetico del ciclo conviene estimar que costetendrıa la central propuesta en el proyecto. Este coste se obtendra a partir de una seriede datos recogidos en distintas referencias de forma que se pueda plantear un valor lo mascercano al real posible. El planteamiento que se va a seguir en este analisis es analizar elcoste de los distintos elementos de la central. De esta forma el campo de heliostatos y latorre solar se consideraran similares a las existentes en otras centrales similares por lo quesu coste se calculara a partir del de una central real, y en cuanto al resto de componentesse estimara a partir de los componentes de otro tipo de centrales que usan el helio comofluido de trabajo.

Campo de heliostatos y torre de concentracion solar

Para hallar el coste de estos elementos se usara el documento de referencia [4] en el queencontramos el coste de estos componentes para una central solar con torre que generauna potencia de 17MW, una potencia muy similar a la que se maneja en el proyecto. Enel documento se trata una central con un campo de 2750 heliostatos, sin embargo en estecaso la central del proyecto cuenta con 765 heliostatos. En el documento se obtiene uncoste del campo de heliostatos de 62384 ke por lo que para un campo de 765 heliostatossera de 17354,09 ke.

Para el coste de la torre de concentracion se utilizara el valor indicado en el documentoal tratarse de un ciclo de potencia similar y que se puede asemejar a la seleccionada enel apartado de la seleccion de componentes. Por lo tanto el valor total de la torre seconsidera que sera de 23753 ke. En este coste se incluye el coste del receptor y el de latorre en sı, pero no el del intercambiador del calor con el ciclo.

Ciclo Brayton

Para estimar el coste del resto de elementos de la central como pueden ser las tur-bomaquinas del ciclo, es necesario emplear como referencia ciclos similares que usen heliocomo fluido de trabajo. Este es el factor diferencial de la central y se hace imposibleestimar su coste usando el de otros ciclos de centrales solares de concentracion. Por estemotivo la forma en la que se va ha estimar el coste del resto de elementos sera a partir deun ciclo Brayton muy similar al tratado en este proyecto, con una turbina y dos compre-sores, empleado en un estudio para una central nuclear en el que se usa helio como fluidode trabajo. Aunque este tipo de central puede parecer alejado a la tratada en el proyecto,en la [21] se analiza el coste de una central con helio como fluido de trabajo a partir dela potencia tratada y con un porcentaje sobre la central del mismo, es decir, se halla el

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Analisis economico Resultados

precio de la turbina y los compresores para funcionar en unas determinadas condicionesde potencia. Por lo tanto adaptando la potencia a la de la central del proyecto se puedeestimar un coste para los distintos elementos que componen el ciclo.

De la central de la referencia se supone aceptable un coste de 1323,27e/kWe comocoste total de ese tipo de central. Para un ciclo compuesto por dos compresores y unaturbina, en el documento se indica un coste del 1,23% en la turbina y un coste de loscompresores del 4,92%. Por lo que el coste de la turbina Ct y el de los compresores Cc:

Ct = 1323, 27 · 17, 69 · 0, 0123 = 287, 93keCc = 1323, 27 · 17, 69 · 0, 0492 = 1151, 71ke

En la referencia tambien se trata el resto de elementos del ciclo Brayton como son losintercooler en los que se indica un coste del 2,10%. Para el recuperador y el intercambi-ador de calor de la torre se supone un coste total del 16,92%.

El terreno no se tiene en cuenta ya que depende de la situacion de la central. Ademasaunque no se ha indicado anteriormente, al considerar el coste de los heliostatos y la torresolar se han considerado en ellos todo el sistema de cableado y demas elementos auxiliares.Los resultados obtenidos para todos los componentes se pueden observar en la tabla figura3.10 .

Figura 3.10: Costes de los elementos de la central

El coste final de la central de 47Me corresponde por lo tanto a un precio de la centralde 2,65Me el MW.

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Figura 3.11: Distribucion de los costes de la central

Valoracion del coste

A continuacion se valora el coste obtenido en la central. Para ello se toma de referenciael coste de una central similar como puede ser la central PS10 cuyo coste es de 35 Me[15] y el coste aproximado de la central PS20 que se valora en 80 Me aproximadamente[19] .Esto significa que tomando como referencia por ejemplo la central PS10 el precio delMW es de 3,18 Me, superior al obtenido en la central del proyecto.

En este caso se ha obtenido un coste del MW de la central de 2,65Me y esto se justificapor un motivo principal, el numero de heliostatos. Como se ha indicado a lo largo delproyecto el mayor coste de este tipo de centrales se encuentra en el coste de los heliostatos,al reducir su numero de manera significativa se obtiene una gran reduccion en el coste dela central que no se ve compensada con el posible aumento de coste que puede aportar elcoste de los elementos del ciclo Brayton al actuar con helio como fluido de trabajo.

Otro dato a tener en cuenta en los costes obtenidos es la mayor influencia que eneste caso tiene la torre con respecto al campo de heliostatos. En este tipo de centralesnormalmente el coste de los heliostatos supone un 40% del coste total pero en este caso elcoste es de un 37% como se muestra en la tabla (figura 3.10) esto se debe a que la torreesta sobredimensionada, es decir, cuando se realizo la seleccion de la torre se busco unacentral de una potencia similar, esta fue la PS20.

Para poder tener una referencia real se valoro el uso de esta torre con su correspondi-ente receptor pero se redujo el numero de heliostatos del campo para adaptar su potenciaaportada al ciclo, de esta forma se cuenta con una torre a la que le corresponderıa un

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mayor numero de heliostatos y por lo tanto de mayor coste. Aunque a la hora de calcularlos costes de la torre y el campo se ha usado una referencia diferente al utilizado paracalcular el analisis energetico esta relacion de la torre con un menor numero de heliostatostambien se cumple lo que justifica ese coste del 50,5% de la torre y de tan solo el 37% delcampo de heliostatos.

Ademas hay que tener en cuenta un factor fundamental con el que no cuenta la centralde este proyecto y es un sistema de acumulacion de energıa. Este sistema implicarıa unaumento en el coste de la central dependiente del sistema que se haya implementado. Conun sistema de almacenamiento cuenta por ejemplo la central PS20, por lo que al compararsu coste con respecto al de la central del proyecto podrıa reducir la competitividad deesta ultima. Al igual que esto, tampoco se ha tenido en cuenta el terreno sobre el que seconstruirıa la central, que dependera de su localizacion y que tambien influira en su coste.Aun con todo esto cabe remarcar que se trata de un analisis orientativo y su resultadoapunta a un coste competitivo con respecto a otras centrales de concentracion solar.

Figura 3.12: Grafico comparativo de los costes de otras centrales con respecto a la delproyecto (Me/MW)

En la (figura 2.12) se puede observar un grafico comparativo del coste de distintascentrales termicas solares con torre en funcion del precio del MW. En comparacion a lascentrales de Andasol I [20], PS10 y PS20 el coste obtenido por la central del proyecto esel mas competitivo, sin embargo en comparacion con la central de Sandstone este es unpoco superior[18].

Respecto a esta ultima referencia hay que tener en cuenta como es la central Sand-

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stone. La central de Sandstone esta prevista para comenzar su construccion entre el ano2019 y 2020, por lo que el valor tomado como referencia es el valor estimado de inversion,pero es posible que hasta su puesta en marcha varıe el coste final. Por otro lado y unode los factores mas diferenciales con respecto al resto de centrales del grafico esta centralno cuenta unicamente con una torre solar, sino que esta compuesta por 10 torres, esteefecto repercute directamente en el precio debido a la economıa de escala. Es decir, elhecho de que se vayan a construir 10 torres solares con sus sistemas de heliostatos sobreun mismo terreno y en tiempos mas o menos cercanos se traduce en que el coste final deconstruccion se ve abaratado.

Para el resto de centrales este efecto no se produce ya que por ejemplo en cada centralse genera un coste en el propio diseno de los elementos, supongamos la torre solar, estecoste del diseno en la central de Sandstone se ve repartido en 10, por lo que el precio finalde cada torre es menor.

Aun ası la diferencia de precio entre la central del proyecto y la de Sandstone es detan solo 0,45 Me por MW lo que implica que quiza en las mismas circunstancias de cons-truccion el precio del ciclo propuesto puede suponer un precio mas bajo de la central.

Se concluye que con este analisis economico de la central que esta con un coste de 2,66Me por MW implica un coste moderado y competitivo en relacion a otras centrales deconcentracion solar existentes actualmente.

60

Capıtulo 4

Conclusiones

Tras los resultados obtenidos se puede concluir que se cumplen las expectativas que mo-tivaban la realizacion de un estudio de una turbina de gas con helio como fluido de trabajo.

El proyecto estaba motivado por las buenas caracterısticas del helio frente al aire comoelemento con un mayor calor especıfico e inerte. Estas cualidades otorgan al helio un granpotencial para el trabajo en centrales solares termicas y tiene el potencial de mejorar losciclos actualmente empleados.

Con estas expectativas de partida se crea un ciclo sobre el que a continuacion se reali-zan una serie de analisis de los que se pueden obtener una serie de conclusiones.

El primer punto que cabrıa destacar a la vista de los resultados es el buen rendimientotanto energetico y exergetico de la central. Se obtienen un rendimiento energetico del22,42% y un rendimiento exergetico del 24%, comparado con una central de ciclo abiertoe hıbrida con aire como fluido de trabajo [13] el resultado es bastante favorable. La centralmencionada cuenta con un rendimiento energetico del 21,63% y un rendimiento exergeticodel 22,81% lo que supone casi un punto menos que el obtenido en el ciclo del proyecto.

Conviene destacar que la referencia tomada cuenta con una mayor eficiencia en elcampo solar, dato sobre el que no influye la diferencia de fluido de trabajo pero sı en elrendimiento del ciclo. Por lo tanto se demuestra que en condiciones de un campo solarequivalente la diferencia en el resultado podrıa ser todavıa mayor.

Esta comparacion mencionada y expuesta en el analisis exergetico, representa como elresultado obtenido en el ciclo supone una mejora con respecto a los ciclos de aire y comoesta mejora de la eficiencia supone una mayor competitividad del ciclo planteado desdeel punto de vista energetico.

Desde el punto de vista economico se puede concluir que el coste obtenido por lacentral del proyecto demuestra que se encuentra en un valor competitivo frente al delas centrales que actualmente se encuentran en funcionamiento. De hecho el resultado

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Conclusiones

del analisis economico representa un precio solo mejorado por la central Sandstone, unproyecto compuesto por 10 torres solares lo que puede suponer un ahorro en el precio finaldel MW al contar con el efecto de la economıa de escala que supone el construir 10 torressimilares al mismo tiempo [18].

Un punto que no se ha tenido en cuenta y merece la pena mencionar es el hecho de queen este precio final no se ha incluido un sistema de almacenaje de energıa, pero suponiendoel hecho de que el 40% del coste de estas centrales lo concentra el campo de heliostatos yotra gran partida se gasta en la torre solar la diferencia de anadir un sistema de almacenajede energıa a la central del proyecto solo podrıa significar un aumento en el precio que lacolocarıa a precios mas cercanos al de las centrales actuales pero igualmente competitivos.

Con todo esto se puede concluir finalmente que se ha obtenido una central con unamejora tanto energetica como economica, lo que supone una mejora en los dos aspec-tos fundamentales de este tipo de centrales. Este resultado refuerza el potencial del usoturbinas de gas con helio como fluido de trabajo aplicadas a las centrales solares termicassolares y por lo tanto cumple con el objetivo principal de este proyecto.

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Capıtulo 5

Valoracion del impacto social,economico y medioambiental delproyecto

Actualmente en el mundo se busca un desarrollo industrial cada dıa mas sostenible yla contribucion del uso de nuevas fuentes de energıa limpias como alternativa a los com-bustibles fosiles es fundamental para esto. Dentro de las fuentes empleadas para comoalternativa se puede encontrar el uso del aire, el agua, la biomasa o como es el caso deeste proyecto la energıa del sol.

Dentro de las diferentes tecnologıas desarrolladas para la obtencion de energıa electricaa partir de la solar se encuentra que existe una alta competencia entre las mismas. Adiferencia de lo que ocurre con otros tipos de energıas limpias como el caso de la eolica enque hay una tecnologıa que se impone sobre las demas en el caso de la energıa solar estono ocurre. Esto se debe a las grandes posibilidades que ofrece este tipo de fuente ya quesu transformacion a energıa electrica se puede desarrollar por dos vıas: aprovechando elefecto fotoelectrico de ciertos materiales o directamente transformando la energıa termicagenerada por la irradiacion solar.

Como consecuencia conviven numerosos tipos de tecnologıa siendo la solar termicacon torre solar la seleccionada para este proyecto. Esta seleccion como se ha indicado alo largo del documento se debe al mejor rendimiento que se puede obtener sobre su cicloaplicando una turbina de gas con helio como fluido de trabajo.

El impacto directo de este tipo de centrales desde el punto de vista medioambientalse encuentra principalmente en el uso de una fuente de energıa limpia como es la solar ypor lo tanto en la produccion de energıa sin necesidad de generar ningun tipo de emisioncontaminante en el proceso. A este factor hay que anadir que ademas de limpia, la energıasolar es una fuente inagotable y aprovechable en gran parte del mundo. Claramente estaultima afirmacion no es del todo aplicable a zonas donde la irradiacion solar anual es baja,

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Valoracion del impacto social, economico y medioambiental del proyecto

ya que el bajo rendimiento de estas centrales en esas condiciones no justificarıa su uso.

Con todo esto el unico inconveniente encontrado sobre el impacto de este tipo decentrales en el medioambiente se encuentra en la modificacion del paisaje y los efectosque esto puede producir al ecosistema de su alrededor [6]. Aun ası este inconveniente espracticamente comun a todas las centrales de energıa ya que suelen necesitar de grandesinstalaciones para producir a una escala adecuada para poder abastecer a poblacionesenteras. Aunque el hecho de no contar con emision de fluentes contaminantes aportanmayor seguridad de la planta con respecto al medio en el que se encuentra.

Por lo tanto desde el punto de vista medioambiental se puede destacar su nulo impactoen la generacion de gases y otros fluentes contaminantes y la aplicacion de una fuente deenergıa inagotable y de gran potencial que en condiciones adecuadas sustituye al uso deotras centrales con combustibles fosiles y las emisiones que estas conllevan.

Desde el punto de vista economico el tipo de centrales planteado aunque no reducenel coste de una central termica convencional cada vez se estan obteniendo unos resul-tados mas economicos y por lo tanto mas competitivos. Aun ası a dıa de hoy desdeeste punto de vista este tipo de centrales supone una inversion economica superior al deotras centrales termicas pero se compensa con la reduccion del coste de la fuente de caloral ser esta gratuita e inagotable lo que puede suponer un abaratamiento final de la energıa.

Un factor a tener en cuenta en cuanto al impacto economico de este tipo de centraleses que pese a contar con un coste superior al de otras centrales termicas, el hecho de quese haya aumentado el interes en el desarrollo de este tipo de tecnologıa y ademas quecada dıa crezca mas el numero de proyectos que se ponen en marcha permiten predeciruna mejora en sus resultados y rendimientos lo que conlleva a una reduccion del coste amedio plazo.

El impacto social de una central solar termica se encuentra fundamentalmente en lacreacion de empleo a distintos niveles. Por un lado se genera empleo en el proceso dediseno de la central. Una vez disenada la construccion de la misma tambien implica unanecesidad de trabajadores y finalmente en la puesta en marcha de la central apareceranuevamente una creacion de puestos de trabajo.

El impacto social que puede llegar a tener un proyecto de centrales solares termicascon torre de concentracion se comprueba en la anteriormente mencionada en este proyectode Sandstone de SolarReserve [18]. Esta proyecto siendo uno de los mas ambiciosos queincluyen este tipo de centrales, promete crear hasta 40000 empleos entre directos, indi-rectos e inducidos. Para la central de Copiapo tambien perteneciente a SolarReserve seconsidera que en su funcionamiento se empelaran 80 personas. Hay que senalar que ladimension de esta central es unas diez veces menor que la de Sandstone pero aun asıpermite hacerse una idea del numero de empleos que requiere el funcionamiento de unacentral termica solar de torre.

64

Valoracion del impacto social, economico y medioambiental del proyecto

Un impacto socioeconomico que resulta de la construccion de una central de estascaracterısticas es la creacion de riqueza en zonas menos pobladas. Hay que plantear queeste tipo de centrales se suelen proyectar en zonas con grandes extensiones de terrenolibre y expuestas a grandes DNI anuales. Estas caracterısticas suelen llevar consigo lacaracterıstica de ser lugares aridos y por lo tanto hacen de estas zonas lugares poco fa-vorables para el desarrollo de otros sectores economicos como puedan ser la ganaderıa yagricultura. Esto da como consecuencia que la poblacion sea reducida al no existir opor-tunidades de trabajo.

Por todo esto este tipo de centrales al generar empleo tambien atraen a gente a estaszonas creando riqueza al generar nuevas oportunidades de negocio. Lo que resulta en ungran impacto no solo en la zona donde se situe la central sino tambien en sus alrededoresya que un aumento de poblacion genera tambien una aumento de las oportunidades denegocio en la zona y finalmente un aumento de la riqueza.

Finalmente se puede concluir que una central termica solar como la tratada en esteproyecto puede llegar a tener un gran impacto desde el punto de vista social, economicoy medioambiental al no emitir ningun tipo de fluido contaminante al exterior y generarenergıa de manera mas sostenible que el de las centrales termicas con combustibles fosilescomo fuente de calor, al de producir riqueza en zonas de baja poblacion gracias a lageneracion empleo y de nuevas oportunidades de negocio a su alrededor, ademas de queen el mayor desarrollo de este tipo de centrales puede llegar a abaratar su coste lo quefinalmente puede llegar a repercutir en el coste de la energıa y por tanto en la economıa.

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Capıtulo 6

Planificacion temporal y presupuesto

6.1 Planificacion temporal

Para la planificacion temporal se ha elegido la realizacion de un diagrama de Gantt,ya que representa de forma clara la duracion de las tareas y el periodo de su realizacion.Para ello se ha utilizado el programa de Microsoft Project. Ademas tambien se ha rea-lizado una Estructura de Descomposicion del Proyecto en el que se han anadido los pasosy tareas que se han realizado para el desarrollo del proyecto.

Para la realizacion del diagrama de Gantt se ha anadido una columna con las horasdedicadas a cada tarea para facilitar la elaboracion del presupuesto. Las tareas princi-pales, o paquetes de trabajo, elegidos se representan en la siguiente tabla (tabla 6.1),junto con las horas dedicadas a cada una.

Tarea HorasLectura de la documentacion inicial 20Eleccion del modelo inicial del ciclo 25Ajuste del ciclo 83Seleccion del campo solar 44Analisis energetico y exergetico del ciclo 88Valoracion de los resultados 10Redaccion del documento final 36Total 330

Tabla 6.1: Distribucion de tareas y horas empleadas.

Las tareas indicadas se definen como:

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Planificacion temporal Planificacion temporal y presupuesto

• Lectura de la documentacion inicial: en esta tarea se considera el tiempo invertidoen la lectura de la documentacion inicial sobre la que se realiza el proyecto.

• Eleccion del modelo inicial del ciclo: incluye analizar distintas posibilidades yelegir la que se desarrolla en el proyecto.

•Ajuste del ciclo: en esta tarea se incluye todo el proceso de calculos y ajustes del ciclohasta finalmente dar con el resultado adecuado a las caracterısticas del modelo.

•Seleccion del campo solar: en esta tarea se incluye el proceso de busqueda dela caracterısticas adecuadas del campo solar necesario para el ciclo incluyendo elcalculo de las caracterısticas que este debe incluir y el reajuste del ciclo a las nuevascondiciones.

•Analisis energetico y exergetico del ciclo: incluye todo el proceso de calculo delos rendimientos,potencias, destrucciones exergeticas y exergıas del ciclo.

•Valoracion de los resultados: esta tarea se basa en el analisis y busqueda de infor-macion comparable al ciclo obtenido y su posterior comparacion con los resultadosobtenidos en el proyecto con el objetivo de poder valorarlos.

•Redaccion del documento final: incluye la redaccion del documento finalmentepresentado.

Las tareas aparecen por orden cronologico y dependen cada una de la anterior aunquealguna, como la valoracion de resultados pueda iniciarse antes de la finalizacion de laanterior. Todas estas tareas en las que se ha dividido la planificacion temporal a su vezquedan divididas en tres tipos de subtareas necesarias en la realizacion de cada tareaprincipal, obteniendose una distribucion de horas como la presentada en la tabla 6.2.

Subtarea HorasBusqueda y lectura de informacion 103Analisis y calculos 154Redaccion 73Total 330

Tabla 6.2: Distribucion de subtareas y horas empleadas.

Estas subtareas se pueden definir al igual que en el caso de las tareas principales como:

•Busqueda y lectura de informacion: en esta subtarea se incluye la lectura de todala documentacion aportada por los tutores del proyecto ademas de la complemen-tada en la busqueda concreta de cierta informacion, realizada durante las tareasprincipales.

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•Analisis y calculos: incluye los procesos de calculo llevados a cabo en los analisisenergetico, exergetico y economico ademas del tiempo empleado en el ajuste de estoscalculos. Tambien se incluye en este punto la valoracion de los datos obtenidos encada tarea del proyecto.

•Redaccion: en esta subtarea se incluyen la redaccion del documento final ademas dediversos documentos durante el desarrollo del proyecto.

El proyecto se considera que empezo el 29 de Noviembre de 2016 con la entrega deuna documentacion inicial por parte de los tutores. Empezo por lo tanto con la lecturade esta documentacion inicial recibida sobre la que se realiza la seleccion del modelo. Acontinuacion se desarrollo dicho modelo y se termino en Julio con la redaccion del do-cumento definitivo. Las tareas y subtareas correspondientes finalmente quedan recogidasen el diagrama Gantt que se presenta en la figura 6.2.

Figura 6.1: Tabla con las tareas del diagrama de Gantt.

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Figura 6.2: Diagrama de Gantt

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Una vez explicado el diagrama de Gantt se procede a la explicacion del EDP (figura6.3) en el que se representan los subconjuntos en los que se ha dividido la realizacion delproyecto. Ası como se puede observar se divide en la planificacion que se ha llevado a caboen el que se incluye el diagrama de gantt seguido y las distintas reuniones de seguimiento.

Ademas de la planificacion, para llevar a cabo el proyecto se han llegado a unas con-clusiones finales a traves de la realizacion de una valoracion de los resultados obtenidosde los distintos analisis. Para realizar esta valoracion ha sido necesaria el estudio de otrascentrales sobre las cuales se ha realizado una valoracion de resultados.

Finalmente en el desarrollo del proyecto final se ha redactado una memoria para lacual se han tenido que documentar los analisis realizados, el estado del arte de las cen-trales solares termicas y los ciclos Brayton cerrados ademas de documentar las referenciasutilizadas.

Figura 6.3: Estructura de Descomposicion del Proyecto

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6.2. PRESUPUESTO Planificacion temporal y presupuesto

6.2 Presupuesto

Tras la realizacion de la planificacion temporal se procede a hacer una estimacion delcoste de la realizacion del proyecto. Para determinar un criterio a la hora de realizar estepresupuesto se dividiran los costes en tres partidas cuatro partidas diferentes: dedicaciondel alumno, dedicacion de los tutores, materiales y consumo electrico.

• Dedicacion del alumno

La primera partida sera la dedicacion del alumno que se estima en 330 horas donde seconsiderara un precio de 10e la hora. De esta forma se obtiene como resultado un costede 3300e del tiempo de dedicacion.

• Dedicacion de los tutores

La segunda partida es la determinada por las horas de dedicacion de los tutores quese estima de 40 horas a un precio de 35e la hora. De esta partida se obtiene un coste de1400e.

• Medios utilizados

La tercera partida a tener en cuenta son el coste de los medios empleados para realizarel proyecto. Este material se compone del ordenador y de las diferentes impresiones rea-lizadas durante el estudio ademas del software.

Del ordenador se puede suponer una vida util de 4 anos con un uso diario de 6 horas loque supone una vida de 8760 horas en las que se estima que en este proyecto se han dedi-cado aproximadamente 310 al haber empleado unas 20 horas a la lectura de documentos.El precio del ordenador es de 600e lo que supone una amortizacion final de 21,23e. Deestos documentos se estima la impresion de 150 paginas en blanco y negro a 0,07e la hojalo que supone un gasto de 10,5e.

En cuanto a software empleado se han utilizado hasta cuatro programas diferentespor un lado se encuentra el programa EES cuya licencia es gratuita a traves de Indusnetpor lo que no ha supuesto un gasto anadido. Ademas del programa EES se ha empleadola herramienta Rhinoceros 4.0 en la realizacion de algunos diagramas del proyecto cuyalicencia es tambien gratuita. Ademas de estos dos programas en la redaccion del proyectose ha utilizado el programa Latex tambien gratuito. Finalmente en la realizacion de tablasy calculos ademas del programa EES se ha empleado Microsoft Excel cuya licencia se en-cuentra dentro del conjunto Microsoft Office y supone un coste de 99e.

Por lo tanto esta partida supone un coste total de 130,73e.

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Presupuesto Planificacion temporal y presupuesto

• Consumo electrico

Finalmente la ultima partida a tener en cuenta en el presupuesto es la del gastoelectrico, que se supone del uso del ordenar durante 310 horas. El ordenador empleadotiene un consumo en uso habitual de 70W con un uso de 310 horas se obtiene un consumode 21,7kWh que a un precio de 0,15e/kWh se obtiene un coste de 3,26e.

Presupuesto final

Por lo tanto tras el analisis de las diferentes partidas expuestas anteriormente se ob-tiene un coste total del proyecto de:

3300+1400+130,73+3,26= 4833,99e

Al coste total indicado hay que anadirle un IVA que en un proyecto de estas carac-terısticas se considera del 21% de forma que finalmente queda:

1, 21 · 4833, 99= 5849,13e

Las partidas consideradas y su correspondiente coste se recogen en la tabla de la figura6.4.

Figura 6.4: Presupuesto

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Capıtulo 7

Nomenclatura

δ – Relacion de compresion.ε – Rendimiento exergetico de transformacion solar-electrico de la central.εci – Rendimiento isentropico de los compresores.εcp – Rendimiento politropico de los compresores.εr – Efectividad del recuperador.εti – Rendimiento isentropico de la turbina.εtp – Rendimiento politropico de la turbina.ψ – Rendimiento exrgetico del ciclo.ψabs – Rendimiento exergetico del campo solar.ψc – Rendimiento exergetico de cada compresor.ψt – Rendimiento exergetico de la turbinaη – Rendimiento energetico del ciclo.ηatt – Eficiencia debida al factor atenuacion atmosfericaηcos – Eficiencia debida al factor cosenoηhel – Eficiencia optica de los heliostatosηint – Eficiencia debida al factor intercepcionηref – Eficiencia debida al factor reflectividadηs−e – Rendimiento energetico de transformacion solar-electrico de la central.ηSF – Rendimiento energetico del campo solar.ηs&b – Eficiencia debida al factor sombra y bloqueoγ – Coeficiente adiabatico del helio.Ahel – Superficie del heliostato.Cc – Coste de los dos compresores del ciclo final.Ct – Coste de la turbina del ciclo final.cp – Calor especıfico del helio a presion constante.cv – Calor especıfico del helio a volumen constante.

DNI – Irradiacion directa normal del sol.Eabs – Exergıa absorbida por el ciclo.Ehel – Exergıa aportada por el sol al campo solar.ET – Exergıa total de salida del ciclo.

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Nomenclatura

en – Exergıa en el punto n del ciclo.hn – Entalpıa en el punto n del ciclo.IDc1 – Destruccion exergetica en el compresor 1.IDc2 – Destruccion exergetica en el compresor 2.IDic – Destruccion exergetica en el intercambiador de calor del receptor.IDin – Destruccion exergetica en el intercooler.IDpr – Destruccion exergetica en el precooler.IDrc – Destruccion exergetica en el recuperador.IDrec – Destruccion exergetica en el receptor.IDt – Destruccion exergetica en la turbina.M – Masa molar del helio.m – Caudal de helio.Nhel – Numero de heliostatos del campo solar.Pn – Presion en el punto n del ciclo.∆P – Perdidas de presion en precooler, intercooler, receptor y recuperador.

Q – Potencia solar aportada al ciclo.

Qap – Potencia aportada al ciclo final.

Qhel – Potencia solar que llega al campo de heliostatos en el ciclo final.

Qin – Calor disipado en el intercooler.

Qpr – Calor disipado en el precooler.

Qrec – Potencia que llega al receptor.

Qsol – Potencia solar que llega al campo de heliostatos.R – Constante de los gases ideales del helio.sn – Entropıa en el punto n del ciclo.Tn – Temperatura en el punto n del ciclo.Wc – Trabajo consumido por los compresores.Wc1 – Trabajo consumido por el compresor 1.Wc2 – Trabajo consumido por el compresor 2.Wt – Trabajo producido por la turbina.WT – Trabajo producido por el ciclo.

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Bibliografıa

[1] Abengoa. http://www.abengoasolar.com.

[2] Germain Augsburger. Thermo-economic optimisation of large solar tower powerplants. 2013.

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[11] Karsten Kusterer, Rene Braun, Norbert Moritz, Gang Lin, and Dieter Bohn. Heliumbrayton cycles with solar central receivers: Thermodaynamic and design considera-tions. In Proc. of the ASME Turbo EXPO, 2012.

[12] Willem Gabriel Le Roux, Tunde Bello-Ochende, and Josua P Meyer. A review onthe thermodynamic optimisation and modelling of the solar thermal brayton cycle.Renewable and sustainable energy reviews, 28:677–690, 2013.

75

Bibliografıa

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[14] Olumide Olumayegun, Meihong Wang, and Greg Kelsall. Closed-cycle gas turbinefor power generation: A state-of-the-art review. Fuel, 180:694–717, 2016.

[15] Europa Press. http://www.europapress.es/economia/energia-00341/noticia-junta-autoriza-puesta-servicio-planta-solar-sanlucar-mayor-potencia-11000-kw-20061126130009.html.

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Bibliografıa

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Apendice A

ANEXO

A continuacion se expone el codigo empleado en el uso del programa EES para el calculode los distintos parametros necesarios para los analisis realizados en el proyecto.

{VARIABLES DE ENTRADA}

{Perdidas de p r e s i on }

Pp = 0 ,01

{Relac ion de compresion}

Rc = 1 ,6

{Rendimiento p o l i t r p i c o de compresor}

Repc = 0 ,86

{Rendimiento i s e n t r p i c o de l compresor}

Reic =((P2/P1 ) ˆ ( ( lambda−1)/lambda)−1)/ ( (P2/P1 ) ˆ ( ( ( lambda−1)/lambda )∗ (1/ Repc))−1)

{Rendimiento p o l i t r o p i c o de l a turb ina }

Rept = 0 ,89

{Rendimiento i s e n t r o p i c o de l a turb ina }

Reit = (1−(P 7/P 6 ) ˆ ( ( ( lambda−1)/lambda )∗Rep t ))/(1−( P 7/P 6 ) ˆ ( ( lambda−1)/lambda ) )

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APENDICE A. ANEXO

{Efec t i v idad de l recuperador }Er = 0 ,9

{Condic iones de r e f e r e n c i a }T0= 273 ,15P0=1 ,01325cp = cp (He ;T=T1)cv = cv (He ;T=T1)R = R#lambda = i s en t rop i c exponen t (He ;T=T1)R hel= (R# / molarmass (He ) )

{Caudal}m = 20 [ kg/ s ]

{Temperatura de entrada a l a Turbina 1000}

T7 = 1173 ,15 [K]

{Temperatura de entrada a l o s compresores }

T1 = 303 ,15 [K]T3 = 303 ,15 [K]

{ P r e s i n de entrada }

P1 = 1 ,5 [MPa]

{CALCULO DE LAS PRESIONES}

P2 = P1∗RcP3 = P2∗(1−Pp)P4 = P3∗RcP5 = P4∗(1−Pp)P6 = P5∗(1−Pp)P7 = P8∗(1+Pp)P8 = P1∗(1+Pp)

{CALCULO DE LAS TEMPERATURAS}

T2s = T1∗(P2/P1 ) ˆ ( ( lambda−1)/lambda )T2 = T1 + ( ( T2s − T1 )/ Reic )

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APENDICE A. ANEXO

T4s = T3∗(P4/P3 ) ˆ ( ( lambda−1)/lambda )T4 = T3 + ( ( T4s − T3 )/ Reic )T7s = T6∗(P7/P6 ) ˆ ( ( lambda−1)/lambda )T7 = T6 − Reit ∗( T6 − T7s )T5 = Er∗T7 + T4∗( 1 − Er )T8 = Er∗T4 + T7∗( 1 − Er )

{CALCULO DE POTENCIA}

{Potencia de l a turb ina }

Pt= cp∗m∗(T8 − T7)

{Potencia de l o s compresores }

Pc= 2∗cp∗m∗(T1 − T2)

{Calor aportado por l a t o r r e }

Q ap=cp∗m∗(T6 − T5)

{Potencia generada}

P= Pt−Pc

{ENTALP AS} {El −273 ,15 es por que en l a s t a b l a se s t n c a l c u l a d a s en grados c e n t g r a d o s }

h1=cp ∗(T1−(273 ,15))h2=cp ∗(T2−(273 ,15))h3=cp ∗(T3−(273 ,15))h4=cp ∗(T4−(273 ,15))h5=cp ∗(T5−(273 ,15))h6=cp ∗(T6−(273 ,15))h7=cp ∗(T7−(273 ,15))h8=cp ∗(T8−(273 ,15))

{ENTROPAS}

s1=cp ∗( ln (T1/T0))−R hel ∗( ln (P1/P0 ) )s2=cp ∗( ln (T2/T0))−R hel ∗( ln (P2/P0 ) )s3=cp ∗( ln (T3/T0))−R hel ∗( ln (P3/P0 ) )s4=cp ∗( ln (T4/T0))−R hel ∗( ln (P4/P0 ) )s5=cp ∗( ln (T5/T0))−R hel ∗( ln (P5/P0 ) )

80

APENDICE A. ANEXO

s6=cp ∗( ln (T6/T0))−R hel ∗( ln (P6/P0 ) )s7=cp ∗( ln (T7/T0))−R hel ∗( ln (P7/P0 ) )s8=cp ∗( ln (T8/T0))−R hel ∗( ln (P8/P0 ) )

{EXERG AS}

e1=cp ∗(T1−T0)−T0∗( cp∗ ln (T1/T0)−R hel∗ ln (P1/P0 ) )e2=cp ∗(T2−T0)−T0∗( cp∗ ln (T2/T0)−R hel∗ ln (P2/P0 ) )e3=cp ∗(T3−T0)−T0∗( cp∗ ln (T3/T0)−R hel∗ ln (P3/P0 ) )e4=cp ∗(T4−T0)−T0∗( cp∗ ln (T4/T0)−R hel∗ ln (P4/P0 ) )e5=cp ∗(T5−T0)−T0∗( cp∗ ln (T5/T0)−R hel∗ ln (P5/P0 ) )e6=cp ∗(T6−T0)−T0∗( cp∗ ln (T6/T0)−R hel∗ ln (P6/P0 ) )e7=cp ∗(T7−T0)−T0∗( cp∗ ln (T7/T0)−R hel∗ ln (P7/P0 ) )e8=cp ∗(T8−T0)−T0∗( cp∗ ln (T8/T0)−R hel∗ ln (P8/P0 ) )

{SELECCI N DEL CAMPO SOLAR}

DNI=850Ahel =121 ,3

ncos =0 ,8267nsyb =0 ,9698n int =0 ,9710natt =0 ,9383n r e f =0 ,88

nhel=ncos∗nsyb∗ nint ∗natt ∗ n r e f

Nuhel= Q hel /( Ahel∗DNI)

{AN LISIS ENERGTICO}

Q rec=Q ap /0 ,75Q hel=Q rec / nhelQ in=m∗(h3−h2 )Q pr=m∗(h1−h8 )

Qphel=Q hel−Q recQprec=Q rec−Q apQpcic=Q ap−Pt

{RENDIMIENTOS ENERGTICOS}

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APENDICE A. ANEXO

n=P/Q apn se=P/ Q heln s f=Q ap/ Q hel

{Porcenta j e s Sankey e n e r g t i c o }

Qhele=Qphel/ Q helQrece=Qprec/ Q helQpcic=Q ap−Pt

{AN LISIS EXERGTICO}

Ts=5778

E hel=Q hel ∗(1−((4/3)∗(T0/Ts))+ (1/3)∗ (T0/Ts )ˆ4)

Eabs= P+Ic1+Ic2+I t+I r c+Ipr+I i n

Pcs=E hel−Eabs

{Porcenta j e s Sankey e x e r g t i c o }

I c1e=Ic1 / E helI c2e=Ic2 / E helI t e=I t / E helI i n e=I i n / E helI r c e=I r c / E helIp re=Ipr / E helI c s=Pcs/ E hel

{DESTRUCCIONES EXERGTICAS}

I c1=T0∗m∗ ( ( s2−s1 )/1000)Ic2=T0∗m∗ ( ( s4−s3 )/1000)I t=T0∗m∗ ( ( s7−s6 )/1000)I r c=m∗ ( ( e7−e8 )+(e4−e5 ))/1000Ipr=m∗( e1−e8 )/1000I i n=m∗( e2−e3 )/1000Tte=Ic1+Ic2+I tTic=Ipr+I i n+I r c

{RENDIMIENTOS EXERGTICOS}

82

APENDICE A. ANEXO

Et=m∗( e6−e7 )Ec=m∗( e1−e2 )Ut=Pt/EtUc=Ec/Pc

Uabs=Eabs/ E helU=Pt/EabsUe=Pt/ E hel

83

ANÁLISIS ENERGÉTICO Y EXERGÉTICO DE UN CICLO BRAYTON ...

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