Energía solar concentrada para calor de procesos

Abstract

En la presente tesis se aborda la generación de vapor mediante tecnología solar térmica de concentración, con la finalidad de suplementar las fuentes tradicionales utilizadas por la industria uruguaya, el cierre se da con el modelado de un caso real. Con tal objetivo es que se realiza un estudio sobre el desarrollo de los sistemas solares térmicos para procesos industriales (Solar Heat for Industrial Processes 3 SHIP) en el mundo y en Uruguay, siendo este último aún inexistente al momento de escribir el trabajo. Se hace una investigación bibliográfica sobre el estado del arte de colectores solares térmicos, partiendo desde los más simples y más conocidos en Uruguay como son los de placa plana y heat pipes hasta los de concentración, con y sin seguimiento (tracking), cilindro parabólico compuesto (CPC), concentradores cilindro parabólicos (CCP), Fresnel lineal y discos parabólicos, determinando cuales son los rangos de temperaturas más apropiadas para su operación. También se realiza un análisis del consumo industrial en el Uruguay, dirigiendo los esfuerzos por aquellos sectores donde se utiliza calor en los procesos. Particularmente se intenta seleccionar sectores en donde el uso de fuentes fósiles es todavía relevante, debido al alto costo de estas fuentes y a la emisión de gases de efecto invernadero en su utilización. Vinculando el estado del arte con los sectores de interés de la industria uruguaya, se llega a la conclusión que para generar vapor solar en las condiciones necesarias, se debe utilizar los colectores con concentración. Se opta por la tecnología de concentradores cilindro parabólicos (CCP) pero no se pueden descartar las otras tecnologías ya que no se evalúan costos. El resultado de esta tesis termina con el desarrollo de un modelo dinámico en TRNSYS para generación de vapor solar, donde se vincula el recurso solar horario de Uruguay mediante el año meteorológico típico, la tecnología de concentración solar con almacenamiento y las curvas de demanda horaria de vapor de una industria uruguaya en el sector frigoríficos. La bondad de este modelo es que permite evaluar el rendimiento de un sistema SHIP (cualquiera sea) contra una demanda real de vapor (cualquiera sea), con componentes de diferentes características y determinar si hay problemas de sincronización entre la demanda y el recurso disponible y/o almacenado que perjudiquen el desempeño del sistema.

In this thesis, the generation of steam using concentrated solar thermal technology is addressed, with the aim of supplementing the traditional sources used by the Uruguayan industry, concluding with the modeling of a real case. To this end, a study on the development of Solar Heat for Industrial Processes (SHIP) systems worldwide and in Uruguay is conducted, with the latter still being nonexistent at the time of writing this work. A bibliographic investigation was carried out on the state of the art of solar thermal collectors, starting from the simplest and most well-known in Uruguay, such as flat plate and heat pipes, to concentrating ones, both with and without tracking, Compound Parabolic Collectors (CPC), Parabolic Trough Collectors (PTC), Linear Fresnel, and dish collectors, determining the most appropriate temperature ranges for their operation. An analysis of industrial consumption in Uruguay was also carried out, focusing efforts on those sectors where heat is used in the processes. Particular attention was given to selecting sectors where the use of fossil fuels is still relevant, due to their high cost and the emission of greenhouse gases associated with their use. By linking the state of the art with the sectors of interest in the Uruguayan industry, it is concluded that to generate solar steam under the necessary conditions, concentrating collectors must be used. The Parabolic Trough Collector (PTC) technology was chosen, but other technologies cannot be ruled out as costs are not evaluated. The result of this thesis ends with the development of a dynamic model in TRNSYS for solar steam generation, which links the hourly solar resource of Uruguay through the typical meteorological year, the solar concentration technology with storage, and the hourly steam demand curves of a Uruguayan industry in the meat processing sector. The advantage of this model is that it allows the evaluation of the performance of a SHIP system (any kind) against a real steam demand (any kind), with components of different characteristics, and determines if there are synchronization issues between the demand and the available and/or stored resource that could affect the system's performance.