Estudio termodinámico de un receptor solar exterior con sodio líquido

Abstract

El sodio reúne varias condiciones atractivas para funcionar en una planta de energía termosolar de concentración ya que cuenta con un bajo punto de fusión (97ºC), alto punto de ebullición (873ºC) y elevado coeficiente de convección interna. De hecho demostró ser un fluido eficiente en las instalaciones de IEA-SSPS en Almería en los años 80. Sin embargo, es altamente explosivo en contacto con agua o vapor de agua, lo que ya provocó un accidente en la mencionada instalación en 1986. Este accidente hizo que se frenara la investigación de los metales líquidos, pero se ha reactivado su interés en los últimos años. Sabiendo que existen ciertos riesgos y limitaciones a superar, el presente proyecto tiene como objetivo analizar el potencial del uso de sodio líquido en el receptor exterior de una torre de concentración solar. Se lleva a cabo una comparación de las propiedades del sodio y otros fluidos de trabajo (aceites, sales fundidas y gases) así como de su comportamiento termodinámico en el receptor de la torre en distintos rangos de temperatura. Para la resolución de los cálculos se diseña un programa matemático en Matlab 2015 que simula el funcionamiento del receptor solar. Posteriormente se estudia el efecto de cada fluido en el ciclo generador de potencia Rankine, elaborando un sencillo modelo en el software Cyclepad. De este modo se obtiene el rendimiento global de la planta, producto de los rendimientos de los heliostatos (~50%), receptor y ciclo de potencia. Adicionalmente se revisan dos tipos de almacenamiento del fluido de trabajo: en 2 tanques (sistema en operación) y en un solo tanque (opción futura). Los resultados de este trabajo muestran como calentando el Sodio hasta los 800ºC, se obtiene un rendimiento global de la planta del 15%, en torno a 3% más que con las Sales Solares (producto más utilizado en el mercado). Por otro lado, si la tecnología de almacenamiento en un tanque evoluciona positivamente, el Sodio alcanzaría costes de almacenamiento muy competitivos. Por tanto, si sus limitaciones logran ser superadas, el Sodio podría ser una alternativa con gran potencial para futuras plantas termosolares.

Sodium gathers some attractive conditions to work in a Concentration Solar Plant (CSP) as it has a low melting point (97ºC), high boiling point (873ºC) and a high internal convective coefficient. In fact, it proved to be an efficient fluid in the IEA-SSPS facilities in Almería in the 80’s. Nevertheless, it is highly explosive in contact with wáter or steam, what caused an accident in the mentioned facility in 1986. This accident slowed the investigation on liquid metals, but it has reawekened in the last years. Knowing that there are some risks and limitations to overcome, the present project aims to analyze the potential of using sodium in a Central Receiver System (CRS). A comparison between the properties of Sodium and other heat trasnfer fluids (HTFs) such as oils, molten salts and gases, and between their thermodinamic behavior in the tower receiver in several temperature ranges is carried out. For the resolution, a mathematical program is designed in Matlab 2015 to simulate the receiver’s performance. Subsequently there is a study of the effect of each HTF in the power block (Rankine cycle), elaborating a simple model in the software Cyclepad. That way it is obtained the global performance of the plant, product of the heliostat field (~50%), receiver and power block efficiencies. Additionnally, two types of thermal storage are reviewed, the two tank storage (most common system) and the one tank system (option for the future). The results of this project showed how heating Sodium up to 800ºC, it generates a plant global efficiency of 15%, around 3% more than Solar Salts (most used HTF). On the other side, if the one tank storage system evolves positively, Sodium would reach very competitive storage costs. For that, if its limitations can be surpassed, Sodium could be a serious candidate to operate in CRS plants of the future.