Design and development of a linear beam-down concentrated solar technology for industrial applications

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Publication date
2024-02
Defense date
2024-02-15
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Abstract
Recientemente, se ha venido llevando a cabo un esfuerzo importante para descarbonizar la generación de electricidad, así como para reducir las emisiones asociadas al sector del transporte. Esto se ha logrado principalmente mediante la implementación de tecnologías renovables. Sin embargo, hay otro sector que ha sido dejado en segundo plano: el sector industrial. Los procesos productivos requieren tanto energía eléctrica como calor, y las Tecnologías de Concentración Solar (CSTs) se presentan como una alternativa para suministrar el calor necesario a los procesos industriales, ya sea de manera directa o indirecta. Los reflectores lineales Fresnel (LFRs) son una CST que utiliza varias filas de espejos ligeramente curvados para concentrar la radiación solar de manera lineal en un receptor situado sobre ellos. Esta tecnología puede lograr concentraciones de hasta 80 soles y temperaturas operativas entre 250 y 560 °C, coincidiendo con procesos industriales de media temperatura, como la destilación o el secado. Un beam-down es un reflector secundario ubicado encima de la línea de espejos primarios que redirige la energía solar concentrada hacia el suelo. Se basa en figuras bifocales, aprovechando su propiedad óptica donde todos los rayos dirigidos a un punto focal, al ser intersectados por la forma, se reflejan hacia el otro foco. Acoplando un reflector secundario beam-down con un LFR, se pueden procesar materiales particulados pesados, como agregados de asfalto, cerca del suelo con calor solar concentrado aplicado directamente. Esta tesis tiene como objetivo contribuir a la descarbonización de procesos industriales de baja-media temperatura, diseñando, desarrollando, construyendo y probando un reflector lineal Fresnel beam-down para casos de uso industrial, centrándose en particular en el secado de áridos asfálticos. En primer lugar, se desarrolló el proceso de diseño del campo solar. En el enfoque adoptado en esta tesis, el beam-down está compuesto por espejos planos ubicados a la misma altura, lo que permite reducir costos y simplificar el proceso de construcción. Para este caso, se caracterizó el rendimiento del campo solar utilizando dos parámetros adimensionales que relacionan la altura focal con el ancho de apertura solar y la altura del beam-down. Se puede lograr una concentración de entre 31 y 17 soles, con eficiencias ópticas que varían entre el 40 y el 60% con respecto a las concentraciones anteriores. Posteriormente, se adaptó una configuración del campo solar que maximiza la concentración para construir un prototipo solar utilizando espejos planos tanto para el campo LFR como para el beam-down. Se comparó el dispositivo final con el diseñado y se estudió experimentalmente en pruebas solares, donde se midió una concentración promedio de 6.91 soles con una eficiencia óptica del 34.41% sobre un receptor de 10 cm de ancho. Además, se realizó un análisis de los diferentes componentes de la eficiencia, demostrando los principales factores a mejorar para las siguientes iteraciones de pruebas. El diseño del prototipo se utilizó como base para realizar un Análisis del Ciclo de Vida de esta tecnología, estudiando el impacto en el Potencial de Calentamiento Global (GWP), el Potencial de Agotamiento de Ozono (ODP) y las Partículas en Suspensión (PM), así como la energía anual producida de un campo solar con una apertura fija, pero con diferentes alturas de beam-down. Se encontró que los beam-downs más bajos requieren más materiales y presentan un mayor GWP, mientras que al considerar la energía anual producida, una altura de beam-down entre 0.51 y 0.75 veces la altura focal generó resultados similares en términos de GWP, ODP y PM. De estas alturas, la más alta produjo la mayor energía anual con concentraciones de aproximadamente 15 soles. Se desarrolló un modelo numérico utilizando MATLAB para simular el secado de un lecho de partículas directamente irradiado desde arriba, como en la tecnología solar estudiada. Este modelo adoptó un enfoque macroscópico Lumped, donde los flujos de calor y masa se resuelven para un pequeño incremento temporal con las condiciones del lecho en un momento específico, y después de encontrar la solución, se actualizan las condiciones del lecho y se repite el proceso hasta que se cumple el criterio de detención deseado. Este puede ser un tiempo total de simulación, una temperatura específica o un porcentaje de humedad dentro del lecho. Este modelo fue validado con pruebas experimentales al sol, donde se calentó y secó un lecho de partículas utilizando la radiación solar concentrada. El modelo mostró una buena correlación con los resultados experimentales, donde un lecho de 9 mm de profundidad fue secado en menos de 30 minutos con un flujo de calor entrante de 2.63 kW/m2. Se obtuvieron resultados adicionales al modificar la profundidad del lecho y el flujo de calor, y se encontró que la profundidad es un parámetro de mayor importancia que la concentración solar, ya que lechos de 1 cm de profundidad con un 5% de contenido inicial de humedad pueden secarse en menos de 10 minutos al concentrar más de 18 kW/m2. Finalmente, se adaptó un campo solar comercial existente con un beam-down. Este reflector secundario se diseñó teniendo en cuenta la configuración LFR y considerando que fuera fácil de instalar. Se tomaron medidas experimentales y se compararon con los resultados esperados, donde los 4100 W/m2 medidos no alcanzaron los 7750 W/m2 esperados, principalmente debido a errores constructivos en la altura del reflector beam-down. Es importante señalar que el campo solar tenía una orientación casi Este-Oeste, con una inclinación del eje longitudinal de 18° según el sentido de las agujas del reloj, respecto al eje Este-Oeste, y los espejos solares no estaban en condiciones óptimas al tomar las mediciones. Para las condiciones de diseño con una orientación Norte-Sur y mediodía solar, se esperaba que el LFR modificado con el beam-down concentrara 16 soles.
Nowadays an active effort has been made to decarbonize electricity generation, as well as to reduce the emissions associated with the transport sector. This has been achieved mainly by implementing renewable technologies. However, there is another sector to decarbonize that has been mostly neglected: the industrial sector. Production processes require both electric power and heat, and Concentrated Solar Technologies (CSTs) present themselves as an alternative to supply industrial process with the required heat, either directly or indirectly. Linear Fresnel reflectors are a CST that employs several rows of slightly curved mirrors to concentrate the solar irradiance linearly in a solar receiver located above them. This technology can achieve concentrations of up to 80 suns and operational temperatures between 250 and 560 °C, which coincide with mid temperature industrial processes, such as distilling or drying. A beam-down is a secondary reflector located above the primary mirror line that redirects the concentrated solar irradiance towards the ground. It is based on bifocal figures, harnessing their optical property where all the rays directed to one focal point, when intersected by the shape, are reflected towards the other focus. By coupling a secondary beam-down reflector with an LFR, heavy particulate materials, such as asphalt aggregates, can be processed close to the ground with concentrated solar heat, directly applied to them. This thesis aims to contribute to the decarbonization of low-to-mid industrial processes, by designing, developing, constructing and testing a beam-down linear Fresnel reflector, for industrial use cases, in particular, focusing on the drying of asphalt aggregates. First, the design process of the solar field was developed. In the approach taken in this dissertation, the beam-down is composed of flat mirrors located at the same height, as this allows to reduce costs and simplify the construction process. For this approach, the solar field performance was characterized using two dimensionless parameters that relate the focal height with the aperture width and the beam-down height. A concentration ratio between 31 and 17 suns can be achieved, with optical efficiencies ranging between 40 and 60% respective to the former concentrations. Afterwards, a solar field configuration that maximized the concentration was adapted to build a solar prototype using flat mirrors for both LFR field and beam-down. It was characterized and experimentally tested under the sun, where an average concentration of 6.91 suns with an optical efficiency of 34.41% were measured over a 10 cm wide receiver. Additionally, an analysis of the different components over the efficiency was performed, demonstrating the main factors to improve for the next iterations of testing. The prototype design was used as a base to perform a Life Cycle Assessment analysis of this technology, studying the impact on Global Warming Potential (GWP), Ozone Depletion Potential (ODP) and Particulate Matter (PM), as well as the produced annual energy of a solar field with a fixed aperture, but with different beam-down heights. It was found that lower beam-downs require more materials and present a higher GWP, while when considering the produced annual energy, a beam-down height of between 0.51 and 0.75 times the focal height, generated similar results in terms of GWP, ODP and PM. Of these heights, the higher one yielded the higher annual energy with concentrations of approximately 15 suns. A numerical model was developed using MATLAB to simulate the drying of a particle bed directly irradiated from above, as in the studied solar technology. This model took a macroscopic Lumped approach, where the heat and mass fluxes are solved for a small time step with the conditions of the bed at a specific moment, and after finding the solution, the condition of the bed is updated and the process is repeated until the desired stopping criteria is met. This can be a total simulation time, a specific temperature or a percentage of moisture inside the bed. This model was validated with experimental on-sun tests, where a particle bed was heated and dried using concentrated solar irradiance. The model showed a good fit with the experimental results, where a bed 9 mm deep was dried in less than 30 minutes with an incoming heat flux of 2.63 kW/m2. Additional results were obtained by modifying the bed depth and the heat flux, and it was found that the depth is a more crucial parameter than the solar concentration, as 1 cm deep beds with 5% of initial moisture content can be dried in less than 10 minutes when concentrating more than 18 kW/m2. Finally, an already existing commercial solar field was adapted with a beam-down. This secondary reflector was designed with the LFR configuration in mind and for it to be easily set-up. Experimental measures were taken and compared with the expected results, where the measured 4100 W/m2 fell short of the expected 7750 W/m2 mainly because of constructive errors in the height of the beam-down reflector. It is important to note that the solar field had an almost East-West orientation, with a clockwise 18° tilt of the longitudinal axis compared to the East-West axis, and the solar mirror were not in pristine condition when taking the measurements. For the design conditions with a North-South orientation and solar noon, the LFR modified with the beam-down was expected to concentrate 16 suns.
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Mención Internacional en el título de doctor
Keywords
Beam-down linear Fresnel reflector, Flat secondary reflector, Solar field optimization, Concentrated solar technologies, Optical efficiency
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