Resultados del Proyecto
Logros alcanzados en 2008: Como continuación de la actividad desarrollada en años anteriores por el CIEMAT en el ámbito del proyecto interno FASOL, a principios de 2008 se consiguió la financiación del Ministerio de Ciencia e Innovación, dentro de la convocatoria de Proyectos de Investigación Aplicada Colaborativa, naciendo el proyecto CAPSOL (ref. CIT-440000-2008-5).
La principal tarea llevada a cabo en 2008 fue el diseño del captador solar, determinando tanto la configuración geométrica más adecuada, como los parámetros geométricos asociados a la misma, teniendo en cuenta criterios de rendimiento óptico y térmico, y cuestiones técnicas, prácticas y económicas. Una vez finalizada la fase inicial, se acometió la fabricación de los primeros prototipos y la construcción de una instalación de ensayos para evaluarlos.
La fabricación de los dos primeros prototipos, denominados CAPSOL-01, se llevaron a cabo por parte de la empresa Composites y Sol S.L. con el asesoramiento técnico del personal del CIEMAT, a partir de los resultados obtenidos en la fase de diseño. Para ello, se procedió a la selección de los componentes comerciales que cumplen las especificaciones técnicas definidas (tubo absorbedor, cubierta de vidrio tubular para el absorbedor, cubierta de vidrio plana y reflector) y al desarrollo de aquellos componentes del captador para los que no existen soluciones comerciales (concentrador cilindroparabólico a base de materiales compuestos y elementos de unión entre componentes).
Dada la importancia de la calidad óptica del concentrador, se evaluaron en el CIEMAT tanto el molde como el primer concentrador fabricado, mediante fotogrametría. A la vista de los resultados satisfactorios obtenidos, se procedió al montaje de los captadores mediante el ensamblaje de todos los componentes, y se detectaron una serie de mejoras a implantar en los siguientes prototipos. La figura 1 muestra una fotografía de uno de los prototipos fabricados.
En cuanto al diseño y la construcción de la instalación de ensayos, llevados a cabo íntegramente por el CIEMAT, el principal criterio que se siguió fue el de disponer de una instalación que permitiera realizar los ensayos con la máxima precisión posible, por lo que se instaló instrumentación de alta precisión y equipos de elevada calidad. La planta de ensayos, ubicada en la PSA, se diseñó para utilizar agua presurizada como fluido de transferencia de calor, en unas condiciones máximas de operación de 25 bar de presión y unos 230ºC de temperatura. Esta planta de ensayos permite no sólo obtener los parámetros de rendimiento de los captadores, sino también analizar aspectos técnicos bajo condiciones reales de operación, tales como durabilidad de los materiales, resistencia estructural, ensamblaje de los componentes, estanqueidad de los captadores, etc. En la figura 2 se puede ver una fotografía de la instalación.
Logros alcanzados en 2009: En el primer trimestre de 2009 el CIEMAT realizó la puesta en marcha de todos los equipos, instrumentación y sistema de adquisición de datos de la instalación de ensayos CAPSOL, así como del sistema de seguimiento de los captadores. Una vez que todos los sistemas funcionaron correctamente, se procedió a realizar la campaña de ensayos de las dos unidades del primer prototipo, CAPSOL-01.
Durante la campaña de ensayos se realizaron un gran número de experimentos para determinar los parámetros básicos de funcionamiento de los captadores: constante de tiempo, rendimiento óptico-pico, pérdidas térmicas, y modificador por ángulo de incidencia. Además, durante la realización de los ensayos se detectaron una serie de posibles mejoras a implementar en los siguientes prototipos.
En los últimos meses del año, Composites y Sol procedió a la fabricación y el montaje de dos unidades de los segundos prototipos, CAPSOL-02, incorporando las mejoras identificadas a la vista de los resultados, tanto de las pruebas de fotogrametría como de los ensayos de rendimiento. Estos nuevos prototipos también se evaluaron en el CIEMAT, mediante fotogrametría, obteniéndose resultados muy satisfactorios, ya que la mejora propuesta en función de los datos de fotogrametría de los primeros prototipos y del molde aumentó considerablemente el factor de interceptación de los captadores. Los dos prototipos CAPSOL-02 se instalaron en el banco de ensayos a finales de 2009.
Logros alcanzados en 2010:.En los últimos meses del año 2009, se procedió a la fabricación y el montaje de dos unidades de los segundos prototipos del captador diseñado, CAPSOL-02, incorporando las mejoras identificadas a la vista de los resultados obtenidos en los ensayos del primer prototipo (ver figura 3).
Las principales mejoras incluidas en los segundos prototipos son las siguientes: mejora en la posición y alineamiento del tubo absorbedor, eliminación de los efectos negativos del ángulo de desmoldado, mejora de la estanqueidad del captador, eliminación de las condensaciones interiores y mejora del factor de interceptación, gracias a la incorporación de un marco interno en el concentrador. Estas dos unidades del prototipo CAPSOL-02 se instalaron en el banco de ensayos CAPSOL a finales de 2009 y se evaluaron en el primer semestre del año 2010.
Mediante un estudio fotogramétrico, se detectó una mejora considerable en la calidad óptico-geométrica del concentrador de los prototipos CAPSOL-02 respecto a los de CAPSOL-01, gracias a la inserción del marco interno rigidizador. Esta mejora se traduce en un incremento en el factor de interceptación medido de 92,3% (CAPSOL-01) a 96,5% (CAPSOL-02). En cuanto al rendimiento óptico-geométrico pico, el valor teórico calculado a partir de los parámetros característicos de los componentes suministrados por los fabricantes es de 63,2% en CAPSOL-01 y 66,1% en CAPSOL-02. Los resultados experimentales realizados arrojan un valor de (66 ± 3)% en CAPSOL-01 y (62 ± 3)% en CAPSOL-02. Por ello, teniendo en cuenta la incertidumbre asociada a los resultados de los ensayos, los valores teóricos y experimentales son bastante similares. Se sospecha que la razón de la disminución del rendimiento óptico-pico se debe a una bajada en la absortancia solar de la superficie selectiva del receptor, provocada por un deterioro de dicho tratamiento. Este valor se verá incrementado considerablemente en los captadores comerciales, gracias a la incorporación de superficies antireflexivas en ambas cubiertas de vidrio.
Los resultados experimentales del modificador por ángulo de incidencia de ambos prototipos son similares, puesto que no se ha introducido ninguna modificación que afecte a este parámetro. El efecto negativo del ángulo de incidiencia en este tipo de captador de pequeño tamaño se verá considerablemente disminuido en las instalaciones comerciales, ya que los captadores se instalarán con orientación Norte-Sur y con el eje de giro inclinado respecto a la horizontal.
Finalmente, los resultados de los ensayos de rendimiento global han indicado una ligera disminución del mismo en los segundos prototipos respecto a los primeros, a medida que se aumenta la temperatura de operación. Esta disminución en el rendimiento se debe a un aumento en las pérdidas térmicas, posiblemente causado por el deterioro del tratamiento superficial que lleva el tubo absorbedor para disminuir la emisividad. Por tanto, se sospecha que las dos propiedades ópticas características de la superficie selectiva del tubo absorbedor han disminuido. Para solventar este problema, el CIEMAT ha iniciado una línea de trabajo para la fabricación de un tubo absorbedor adecuado para este tipo de captadores.
Por otro lado, durante los ensayos de los prototipos, se llevaron a cabo en la instalación CAPSOL las actividades de mantenimiento requeridas, así como una serie de pequeñas modificaciones. Asimismo, se detectaron una serie de carencias en la instalación de ensayos, por lo que en el año 2010 se acometió la mejora de la instalación para permitir el funcionamiento óptimo de la misma (ver figura 4). Las mejoras introducidas se centraron principalmente en la optimización de la instrumentación y el sistema de adquisición de datos y control, en el perfeccionamiento del sistema de refrigeración y en la protección de los equipos.
