COMPORTAMIENTO TERMO-MECÁNICO DE UN RECIBIDOR SOLAR DE GEOMETRÍA RECTANGULAR OPERADO CON SODIO DE UNA PLANTA DE CONCENTRACIÓN SOLAR DE POTENCIA

Abstract

Las plantas de concentración solar de potencia son una alternativa viable para la generación de energía renovable a través del calor entregado por el sol. Uno de los componentes críticos de este tipo de plantas, y que está expuesto a condiciones extremas de operación, es el recibidor solar, ya que este recibe la luz del sol reflejada a través de los heliostatos. El recibidor se encarga de traspasar el calor de la radiación hacia el fluido de transferencia de calor, por lo que se encuentra expuesto a esfuerzos térmicos considerables. La luz del sol deja de llegar durante la noche, lo que lleva a la fatiga, además existen otras variables que afectan al sistema, como la presión interna del fluido o la flotabilidad. Por otro lado, estas plantas están expuestas a un alto calor por un largo periodo de tiempo, por lo que el creep podría ser un componente importante. El factor más importante de este estudio es la geometría del recibidor. Tradicionalmente esta es tubular y en este trabajo se hará una equivalencia para trabajar con una geometría rectangular de razón 2:1, y así después estudiar cómo afectan variables como la curvatura de las esquinas, la presión interna o la flotabilidad a la distribución de esfuerzos y temperaturas. Los resultados muestran que, al aumentar la presión interna, aumentan los esfuerzos. La flotabilidad se mide a través del número de Richardson, y se llega a la conclusión de que cuando la flotabilidad está presente la transferencia de calor en las esquinas aumenta, mientras que disminuye en el centro. Finalmente está la curvatura de las esquinas, y se llega al resultado esperable de que cuando se tiene una esquina muy aguda se produce una concentración de esfuerzos en estas, por lo que el esfuerzo máximo disminuye al suavizarlas. Finalmente, se propone una metodología para estudiar los efectos del creep y la fatiga en el tiempo de vida del recibidor, para así saber, si con las condiciones en las que se trabaja se llegará a los 30 años de vida esperados sin que el creep dañe considerablemente al equipo. Se concluye que, para las condiciones de trabajo usadas en este estudio, el creep no es un factor importante a considerar, por lo que puede ser despreciado.

Concentrated Solar Power plants are a feasible alternative to renewable energy generation through solar radiation. One of the critical components of this type of plant is the receiver, which receives radiation through a set of mirrors called heliostats and is thereof exposed to extreme operation conditions due to the large amounts of radiation. The receiver transfers the heat from the radiation to the heat transfer fluid, which means it is exposed to substantial thermal stresses. On the other hand, there is no sunlight during nighttime, which means there is fatigue present. There are also other variables that affect the system, like the receiver’s internal manometric pressure or the buoyancy effect. Finally, these plants’ life expectancy is of 30 years, and considering that it is subject to high temperatures, creep should be considered. The most important factor in this study is the geometry of the receiver. Traditionally it is tubular, but in this work a rectangular geometry with a 2:1 ratio was studied through an equivalence made maintaining certain parameters from the tubular geometry constant. Different internal radii of curvature, manometric pressure values and buoyancy levels were studied, observing their effect on the temperature and von Mises equivalent stress. Results show that, when the manometric pressure increases, also increases the equivalent stress. On the other hand, when the buoyancy, measured via the Richardson number, increases, also increases the heat transfer in the corners while diminishing in the center. With respect to the curvature of the corners, the results show that sharp corners produce a stress concentration, therefore, stress levels diminish once the corners are smoothed out. Lastly, a life expectancy evaluation methodology is proposed based on the effects of creep and fatigue on the receiver. This way it can be known if the receiver can withstand the current operating conditions for the expected 30 years of continuous operation. Results show that, for the operating conditions used in this work, creep is not an important factor to be considered.