SIMULACIÓN DINÁMICA CICLO BRAYTON CON CO2 SUPERCRÍTICO COMO FLUIDO DE TRABAJO Y ENERGÍA SOLAR COMO FUENTE ENERGÉTICA

Abstract

Los ciclos Brayton con Dióxido de Carbono Supercrítico sCO2 son una tecnología emergente a usar como bloque de potencia con energía solar. Los ciclos Brayton con SCO2 parecen ser adecuados con las tecnologías de Concentración Térmica Solar (CST) de torres centrales de recepción combinadas con un campo de heliostatos y tienen el potencial de ser competitivos con el ciclo de vapor convencional Rankine. La mayoría de los estudios están enfocados en los análisis estacionarios de esta tecnología. Esta investigación contempla la creación del modelo Rankine para generar los 110 MW del proyecto solar “Atacama 1”, se compara con una de cinco configuraciones de ciclos Brayton con sCO2 que se desarrollan en estado transiente. En todos los modelos se utiliza enfriamiento en seco. La radiación solar y la temperatura ambiental son obtenidos de la estación meteorológica “Crucero II” en el Desierto de Atacama de Chile. Con el calor utilizado por el ciclo Rankine para generar dicha potencia, se establece un campo solar de diseño el cual se utiliza para los modelos transientes considerando la radiación del solsticio de verano al mediodía y una temperatura ambiental de 30°C, además de la conductancia de recuperación, la fracción de re-compresión y los flujos másicos. Los modelos transientes se conectan directamente al receptor solar calentando el sCO2 y la adición de calor varía todo el tiempo al igual que la temperatura ambiental. Estas configuraciones operan con una temperatura máxima de 700°C a la entrada de la turbina, incrementando la eficiencia en comparación a si se conecta a un circuito de almacenamiento con sales solares con temperatura de operación máxima de 565°C y recalculando los flujos necesarios para mantener dicha temperatura máxima. El análisis incluye algunos días característicos como los solsticios y equinoccios además de la operación completa durante el año de los modelos transientes. Las turbo-máquinas ajustan sus velocidades de manera acorde a los nuevos flujos másicos. El ciclo de recompresión permite explorar la relación entre las fracciones de recompresión y la temperatura ambiental. Se demuestra que la potencia generada puede incrementar desde los 115 MW to 122 MW (más de un 6%) si la fracción de recompresión en función de la temperatura ambiental.The Brayton cycles with supercritical carbon dioxide SCO2 are an emerging technology to use as a power block with solar energy. The Brayton cycles with SCO2 appear to be suitable with technologies Concentration Solar Thermal (CST) central reception towers combined with heliostat field and have the potential to be competitive with conventional steam Rankine cycle. Most studies are focused on the stationary analysis of this technology. This research involves the creation Rankine model to generate 110 MW solar project "Atacama 1", compared with five configurations Brayton cycles with SCO2 developed in transient state. In all models dry cooling is used. Solar radiation and ambient temperature are obtained from the meteorological station "Crucero II" in the Atacama Desert of Chile. With the heat used by the Rankine cycle to generate that power, a solar field design which is used for transient models considering the radiation of the summer solstice at noon and an ambient temperature of 30°C, plus recovery conductance, the fraction of recompression and mass flows. Transients models connect directly to the solar receiver SCO2 heating the heat and adding varies all the time as the ambient temperature. These configurations operate with a maximum temperature of 700°C at the entrance of the turbine, increasing efficiency compared to when connected to a storage circuit with solar salts with maximum operating temperature of 565 °C and recalculating the necessary flows for maintaining that maximum temperature. The analysis includes some typical days solstices and equinoxes as well as full operation during the transient models. Turbomachinery adjust their speeds accordingly to new mass flows. Recompression cycle allows exploration of the relationship between recompression fractions and ambient temperature. It is shown that the power generated can be increased from 115 MW to 122 MW (over 6%) if the fraction recompression changes depending on the ambient temperature.