ANÁLISIS DE TANQUES DE ALMACENAMIENTO DE CALOR CON SALES PARA LA ENERGÍA SOLAR.

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José Luis Sandoval Valdéz
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1 ANÁLISIS DE TANQUES DE ALMACENAMIENTO DE CALOR CON SALES PARA LA ENERGÍA SOLAR. Autor: Pérez de la Blanca Castellano, Carlos. Director: Jorgen Nydal, Ole. Entidad Colaboradora: Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología (NTNU). En una continua colaboración con algunas universidades africanas, la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología (NTNU) está investigando diferentes métodos para la recolección y almacenamiento de calor solar. Los sistemas de concentración proporcionan altas temperaturas de calor, y combinados con el uso de la sal solar (NaNO3-KNO %) como material de almacenamiento, grandes resultados pueden ser obtenidos. La sal solar es una mezcla binaria constituida por nitratos de sodio y potasio con una temperatura de fusión sobre los 483K, que es adecuada para aplicaciones como cocción de alimentos, esterilización o generación de electricidad entre otros. Este Material de cambio de fase (Phase Change Material (PCM)) pasa por la transición de la fase de fusión entre 483K y 493K, manteniendo su temperatura prácticamente constante y almacenando energía en forma de calor latente mientras está cambiando su estado de sólido a líquido. Un resumen general sobre la sal solar, así como diferentes configuraciones de almacenamiento de calor que la utilizan, es presentado en el documento. El proyecto puede basarse en las experiencias y métodos utilizados en el análisis previo de un tanque de almacenamiento que utiliza aletas de aluminio para conducir el calor. Diferentes sistemas de concentración de calor a pequeña escala fueron previamente testados. Uno de ellos está basado en la iluminación directa

En una continua colaboración con algunas universidades africanas, la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología (NTNU) está investigando diferentes métodos para la recolección y almacenamiento de

2 del tanque de almacenamiento (el análisis con aletas de aluminio mencionado anteriormente), y el otro, en el transporte del calor desde la parábola reflectora al tanque por medio de un fluido transmisor (Heat Transfer Fluid (HTF)). En este último concepto se centra el proyecto. Diferentes diseños de tanques de almacenamiento han sido creados en 2D y 3D en el programa Autodesk Professional INVENTOR 2011 e importados al programa COMSOL Multiphysics v.4.2 donde las simulaciones fueron llevadas a cabo y se obtuvieron análisis térmicos de los diseños. El primer objetivo es comparar la eficiencia de carga del tanque con dos posibles diseños creados (aletas de aluminio y cavidades rellenas de sal solar). Los diseños fueron simulados con 1 y 5 tuberías. Los diseños están pensados para ser dispuestos es un sistema de concentración de calor a gran escala capaz de proporcionar vapor de agua a temperaturas de 523K y 573K (40 bar y 90 bar de presión en el sistema). La idea consiste en introducir vapor de agua a esas temperaturas. El vapor de agua se condensará a su paso por el tanque de almacenamiento de calor, convirtiéndose en líquido al final. La fase de transición de vapor a líquido ha sido aprovechada para el objetivo del proyecto. En esta fase la temperatura se mantiene constante, por lo tanto, pueden ser realizadas simulaciones en 2D imponiendo una condición de contorno de temperatura a las paredes de las tuberías en los diseños. Se han utilizado dos puntos distintos de vista para comparar los diseños. Ambos, se centran en la fase de fusión de la sal solar, cuando la energía en forma de calor latente está siendo almacenada. El primero de ellos compara los tiempos empleados por cada diseño para incrementar la temperatura de toda la sal solar por encima de 483K.

Diferentes diseños de tanques de almacenamiento han sido creados en 2D y 3D en el programa Autodesk Professional INVENTOR 2011 e importados al programa COMSOL Multiphysics v.4.

3 El segundo compara los tiempos que la temperatura media de la sal solar está entre 483K y 493K. Las temperaturas en los máximos y mínimos han sido tomadas para comparar la distribución de calor en el tanque de almacenamiento. Fig. Temperatura Mínima de 483K. ALETAS y CAVIDADES. 573K. 5TUBERÍAS. Se han realizado comparaciones desde los dos puntos de vista, así como desde la distribución de calor, de acuerdo con la temperatura del fluido y el número de tuberías usadas en el dispositivo. El segundo objetivo es determinar la altura aproximada de un diseño de tanque con 6 aletas de aluminio y una tubería para que sea compatible con un sistema de concentración de calor de pequeña escala (900W). El tanque de almacenamiento es cargado mediante un aceite especial (Syltherm800) y rellenado con sal solar hasta un 90% de su altura total. El dispositivo incrementa la temperatura del fluido en aproximadamente 50K.Por lo tanto, para obtener la máxima eficiencia, el descenso de temperatura producido en el líquido a su paso por el tanque durante la fase de fusión, cuando la

Se han realizado comparaciones desde los dos puntos de vista, así como desde la distribución de calor, de acuerdo con la temperatura del fluido y el número de tuberías usadas en el dispositivo.

4 temperatura es casi constante, tiene que ser igual al incremento producido en el fluido a su paso por el sistema de concentración de calor, transfiriéndose la misma cantidad de energía recogida al tanque. Varias simulaciones en 3D fueron realizadas centrándose, de nuevo, cuando la media de temperatura de la sal solar se encuentra entre 483K y 493K. Entre esos tiempos, las temperaturas medias de salida del fluido fueron tomadas y se realizó una media con ellas. Esta media restada a la temperatura de entrada del fluido debería ser alrededor de 50K. La altura del tanque de almacenamiento fue determinada, así como la cantidad de sal solar y la energía capaz de almacenar. Fig..Tanque de Almacenamiento 40cmX15cm. Temperatura media de la sal solar 493K

Entre esos tiempos, las temperaturas medias de salida del fluido fueron tomadas y se realizó una media con ellas.

5 PROJECT SUMMARY. ANALYSIS OF SOLAR SALT HEAT STORAGE FOR SOLAR ENERGY. Author: Pérez de la Blanca Castellano, Carlos. Director: Jorgen Nydal, Ole. Collaborating Institution: Norwegian University of Science and Technology (NTNU). PROJECT SUMMARY In an ongoing collaboration with some African universities, the Norwegian University of Science and Technology (NTNU) is investigating different methods for collection and storage of solar heat. Concentrating systems provide high temperature heat, and combined with the use of the solar salt (NaNO3-KNO %) as a storage material, promising results can be obtained. The solar salt is a binary mixture constituted by salt nitrates and which has a melting temperature of about 483K which is suitable for applications such as food preparation, sterilization or electric generation among others. This Phase Change Material (PCM) passes through the melting phase transition between 483K and 493K, maintaining its temperature almost constant and storing latent heat energy while changing state from solid to liquid. A general overview of solar salt, as well as different storage heat configurations that use them is presented in this document. The project work draws on the experiences and methods from previous analyses made on storage containers with conduction based heat transfer through aluminium fins. Different concepts for small scale concentrating solar heat collection systems were tested before. One of them was based on direct illumination of the storage unit (as the analysis with aluminium fins mentioned above), and a second was based on heat transportation from the focus point of a

PROJECT SUMMARY In an ongoing collaboration with some African universities, the Norwegian University of Science and Technology (NTNU) is investigating different methods for collection and storage of

6 PROJECT SUMMARY. reflector to the storage through a heat transfer fluid (HTF). It is this second approach that is of interest to this project. Different storage designs in 2D and 3D were created using Autodesk Professional INVENTOR 2011 and then imported into COMSOL Multiphysics v.4.2 where simulations were carried out and a thermal analysis of the designs was obtained. The first aim was to compare the charging efficiency of two different designs (aluminium fins and cavities filled with solar salt). In the simulations the designs were charged through 1 or 5 pipes. These designs are to be interfaced to a large scale concentrating solar heat collection system capable of providing water steam at the temperature of 523K or 573K (40 bar and 90 bar pressure in the system). The idea is to introduce water steam at these temperatures. The water steam will condensate as it passes the storage, becoming liquid towards the exit. The phase transition from vapour to liquid has been exploited for the project goal. In this phase the temperature remains constant, therefore simulations can be done in 2D imposing boundary temperature conditions to the pipe walls of the designs. Two different points of view were used to compare them. Both of them are focused on the melting phase, when latent heat energy is being stored. The first one compares the time each design took to increase the solar salt temperature of the entire surface above 483K. The second one compares the time the solar salt temperature average in each design was between 483K and 493K. The temperatures at the maximums and the minimums points have also been taken to compare the heat distribution in the storage.

2 where simulations were carried out and a thermal analysis of the designs was obtained.

7 PROJECT SUMMARY. Fig. Minimum of 483K. FINS and CAVITIES. 573K. 5PIPES. Comparisons have been made from the two points of view and the heat distribution according to the fluid temperature and the numbers of pipes used in the device. The second aim is to determine the approximated height of a 6 fins design with 1 pipe to be compatible with a small scale concentrating solar heat collection system (900W). The storage is charged with special oil (Syltherm800) and filled to 90% capacity with solar salt. The device increases the fluid temperature by approximately 50K. During the melting phase, the temperature of the phase change material is almost constant. Therefore, for maximum efficiency, the decrease in temperature experienced by the liquid as it passes through the storage during this phase should match the temperature increase produced in the fluid by the parabolic reflector, meaning that the same energy captured it is being transferred to the storage. Several 3D simulations have been run focusing again on the period when the average solar salt temperature is between 483K and 493K. Between those times,

The second aim is to determine the approximated height of a 6 fins design with 1 pipe to be compatible with a small scale concentrating solar heat collection system (900W).

8 PROJECT SUMMARY. the outlet fluid temperatures were taken in the different designs and an average was calculated. The difference between this average and the inlet fluid temperature should be around 50K. The height was determined, as well as the amount of solar salt and the energy that could be stored. Fig..40cmX15cm Storage at Solar Salt Temperature Average 493K

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