Optical and thermo-hydraulic characterization of linear fresnel solar concentrators operating with direct steam generation

Abstract

Existem diferentes formas de aproveitar a energia solar; uma delas é usando a tecnologia de energia solar concentrada (CSP do inglês Con-centrating Solar Power). Sistemas CSP utilizam espelhos ou lentes para concentrar a radiação solar, aumentando seu desempenho. Atualmente, a maior parte da tecnologia CSP consiste em coletores cilindro-parabólicos operando com óleo térmico; no entanto, uma estratégia operacional relativamente nova chamada geração direta de vapor (DSG do inglês Direct Steam Generation) tem sido cada vez mais estudada e usada. Neste caso o fluido de transferência de calor nos campos solares é a água. O vapor é então produzido diretamente dentro do concentrador solar. Essa estratégia operacional é promissora e competitiva para as usinas térmicas e uso industral, principalmente devido ao potencial de melhoria de desempenho e redução de custos. Além disso, a tecnologia de concentradores Fresnel lineares também tem um grande potencial para redução de custos e é recomendada para operação em DSG. Este trabalho estudou duas bancadas experimentais de LFC, uma desenvolvida pelo laboratório LEPTEN, da Universidade Federal de Santa Catarina, e a outra é um protótipo da empresa SunCNIM. O objetivo deste trabalho é apresentar uma análise paramétrica e térmica destes concentradores, com base em resultados experimentais. Este estudo apresenta uma metodologia de como avaliar novos concentradores Fresnel lineares e dá indicação da instrumentação necessária. Os objetivos específicos são obter a: caracterização geométrica; caracterização óptica usando dados experimentais; avaliação de perda de calor usando dados experimentais; modelo termo-hidráulico bifásico; comparação entre os resultados do modelo com experimento e análise dos resultados. Foi observado que a utilização de concentradores Fresnel lineares operando em DSG é um processo viável, embora algumas complexidades sejam adicionadas devido ao fluxo bifásico. O dimensionamento do tubo absorvedor é de extrema importância para atingir padrões de escoamento desejáveis e para obter uma queda de pressão aceitável no concentrador. O modelo de padrões de escoamento adotado fornece uma estimativa do que está acontecendo dentro do tubo. No geral, o concentrador Fresnel linear do LEPTEN apresentou um bom desempenho em operação e resultados satisfatórios para um sistema de pequena escala, no entanto, um novo design do receptor é necessário.

Abstract : There are different ways to harness the solar energy; one of them is by using the Concentrating Solar Power (CSP) technology. The CSP system makes use of mirrors or lens in order to concentrate the solar radiation, increasing its performance. Nowadays most of the CSP technology consists on parabolic trough collector operating with thermal oil; however, a relatively new operational strategy called direct steam generation (DSG) has been increasingly studied and used, where the heat transfer fluid in the solar fields is water. Steam is then produced directly inside the solar concentrator. This operational strategy is, and it promises to be competitive to the thermal oil plants, especially due to the potential of performance improvement and cost reductions. In addition, the linear Fresnel concentrator technology (LFC) have also a great potential for cost reduction, and it is recommended for operating in DSG. This work studied two experimental LFC benches, one developed by the LEPTEN laboratory, from the Federal University of Santa Catarina, and the other is a prototype from the company SunCNIM. The objective of this work is to present a parametrical and thermal analysis of these concentrators, based on the experimental results. This study presents a methodology for how to evaluate new LFCs and gives indication of the instrumentation needed. The specific objectives are to obtain: geometric characterization; optical characterization using experimental data; heat loss evaluation using experimental data; thermo-hydraulic two-phase model for the heat transfer fluid; comparison between model results with experiment and analysis of the results. It was seen that by the DSG using linear Fresnel concentrators is a viable process, although some complexities are added due to the two-phase flow. The dimensioning of the absorber tube is of utter importance achieving desirable flow patterns, and for the pressure drop of the LFC. The two-phase flow model gives an insight of what is happening inside the tube. Overall the LEPTEN linear Fresnel concentrator presented a good performance in operation, and satisfactory results for a small-scale concentrator, however, a re-design of the receiver is needed if it is to be used in larger scale.