LABORATORIO DE SISTEMAS SOLARES DE CONCENTRACIÓN

Ensayo de receptores y caracterización para sistemas solares térmicos de concentración

Esta línea de actuación tiene tanto receptores lineales como receptores volumétricos. El equipo asociado a los receptores lineales está situado en la PSA y su instrumento principal es un banco de ensayos llamado HEATREC para medir pérdidas de calor en receptores tubulares bajo condiciones de laboratorio. Las medidas de pérdidas de calor pueden realizarse bajo condiciones de vacío para evitar convección fuera del tubo de cristal, y así obtener una temperatura más uniforme a lo largo de la sección del receptor y determinar las pérdidas de calor por radiación. Además, es posible determinar las pérdidas de calor a distintos niveles de vacío en el espacio entre el tubo absorbedor metálico y el tubo de cristal. La emisividad del revestimiento selectivo puede deducirse a partir de estas medidas.
El equipo HEATREC puede caracterizar las pérdidas de calor de los tubos receptores con diámetro interior mayor de 62 mm y una longitud de tubo menor de 4.5 m. Las medidas del absorbedor se pueden realizar para temperaturas de 100°C a 500°C. Se puede hacer el vacío en el interior de la cámara de ensayo hasta  10-2 mbar.
Además de HEATREC, la línea de actuación dedicada a los receptores lineales está equipada con herramientas e instrumentos para la manipulación y monitorización de los receptores tubulares.

Vista de la cámara de ensayo HEATREC para medir pérdidas de calor en los receptores tubulares solares.

El equipo de laboratorio dedicado a receptores volumétricos está instalado en CIEMAT-Moncloa (Madrid) con objeto de estudiar en profundidad a escala de laboratorio la tecnología solar de volumétricos. Su principal componente es un banco de ensayos especialmente diseñado para el ensayo de nuevos absorbedores volumétricos y configuraciones, así como su envejecimiento. Este banco de ensayos tiene flexibilidad para estudiar:

  • La diferencia de presión en el absorbedor volumétrico para distintas densidades de fluido y velocidad de fluido, para la determinación de las principales propiedades descritas por la extensión de Forchheimer a la ley de Darcy: el coeficiente de permeabilidad viscosa y, el coeficiente de permeabilidad inerte. Un sistema de caída de presión diferencial está instalado con el equipo descrito, para la determinación de propiedades
  • El coeficiente de extinción de distintos medios, que pueden utilizarse como una herramienta para aproximar análisis de radiación en medios semi-transparentes siguiendo la ley de Bouger

El equipamiento principal instalado en este banco de ensayos es:

  • Sub-sistema receptor: con 24 termopares tipo K, 2 termopares de superficie y una cámara de infrarrojos,
  • Sub-sistema intercambiador de calor helicoidal aire-agua: con 4 sensores PT100, un caudalímetro de agua, una bomba de agua y 2 termopares de superficie,
  • Sistema de extracción: con 1 termopar tipo K,  1 sensor PT100, un caudalímetro de aire y una soplante.
  • Un simulador solar de 4-kW, compuesto por lámpara Xenon y un concentrador parabólico que puede alcanzar flujos de hasta 1400 kW/m2.
Banco de ensayos para receptores volumétricos
Lámpara Xenon utilizada en el banco de ensayos del receptor volumétrico en CIEMAT Moncloa (Madrid)

El equipo de laboratorio descrito para el estudio de receptores volumétricos a presión atmosférica está complementado por una pequeña instalación de interior para el estudio de materiales para almacenamiento térmico a alta temperatura utilizando aire caliente como fluido de transferencia de calor. Esta pequeña instalación está formada por un banco de ensayo de almacenamiento termoclino (de aproximadamente 0.1 m3) como lazo experimental para caracterización térmica estática (Figura 9) y dinámica (Figura 10) de lechos porosos.

El Sistema consta de 6 resistencias con una potencia eléctrica total de 15000 watts. Estas resistencias calientan el aire a una temperatura fija (el límite de  temperatura máxima de las resistencias es 1000°C)  mediante controladores de temperatura. Se utilizan 35 termopares tipo K de 400 mm de longitud. El comportamiento del tanque se mide en 7 niveles con 5 medidas de temperatura en cada nivel. El consumo total de energía se registra con un equipo de medida eléctrica trifásica, para igualar el balance energético y las pérdidas de calor. Es más, el mapa de  la temperatura superficial externa  se registra con una cámara termográfica, que ofrece una imagen completa del chasis externo del tanque.  

Las dos configuraciones posibles de este banco de ensayos son:

  • Configuración estática: En esta configuración, el lazo experimental permite la caracterización de parámetros termo-físicos reales; conductividad térmica del material, del banco, pérdidas térmicas, energía almacenada, etc. para distintos materiales de relleno,
  • Configuración dinámica: en esta configuración, el lazo experimental permite una caracterización flexible del almacenamiento en su conjunto a distintas temperaturas de trabajo, materiales de relleno, estrategias de carga y descarga, etc.
(izquierda) Vista frontal del Sistema de almacenamiento a escala de laboratorio en modo estático.
(derecha) Vista frontal del Sistema de almacenamiento en modo dinámico.