Design of polygeneration system based on solar power and solid oxide cells

Abstract

La finalidad de este proyecto es diseñar y crear un modelo para un prototipo de una planta de poligeneración basada en energía solar y células de combustible de óxido sólido. La planta consiste básicamente en un grupo de discos stirling produciendo electricidad a partir de la radiación solar, apoyados por células de combustible reversibles (RSOFC) haciendo la función de sistema de almacenamiento. Cuando la radiación es alta, parte de la energía generada en los discos stirling es utilizada en la RSOFC para producir hidrógeno (electrólisis); y en cambio cuando la radiación es baja, el hidrógeno producido es redirigido de nuevo a la RSOFC para producir electricidad extra. Para la electrolisis es necesario suministrar vapor de agua a la RSOFC y eso se consigue mediante un colector cilíndrico-parabólico. Por otro lado, la planta aprovecha gran parte del calor generado en el sistema de almacenamiento para desalinizar agua de mar mediante membranas de destilación de contacto directo. Las ventajas de esta planta son:  Mediante el sistema de almacenamiento de energía se consigue un alto grado de flexibilidad de producción de la planta lo cual es muy beneficioso para el control del equilibrio en la red eléctrica.  Teóricamente, no tiene ningún gasto de combustible y por lo tanto puede ser considerada autosuficiente.  La combinación de producir electricidad a partir de la energía solar y a la vez convertir agua de mar en agua potable parece ser muy acertada para zonas áridas con mucha radiación solar y poca lluvia. Gran parte del trabajo en este proyecto se concentra en la investigación, implementación y validación de los modelos matemáticos de la mayoría de los componentes de la planta. Los principales componentes modelados son: el colector cilíndrico-parabólico, la célula de combustible (modo electrólisis), el disco stirling y el módulo de desalinización. Los modelos han sido creados/programados para “DNA”, un software pensado para modelar y estudiar sistemas energéticos y que fue desarrollado por el departamento de mecánica en la Universidad Técnica de Dinamarca. Como resultado, el modelo de la planta en cuestión con todos los elementos interconectados fue creado de manera exitosa. Los puntos más relevantes e interesantes del diseño de la planta son comentados y mostrados mediante resultados. El rendimiento de la planta entera también ha sido evaluado en cuanto a electricidad y agua potable producida. Para ello se presenta un caso simple en el cual de estudia el desempeño de la planta bajo unas condiciones meteorológicas hipotéticas. Los resultados son bastante interesantes y aún más teniendo en cuenta que las tecnologías usadas tienen todavía un margen de mejora. Para tener una idea de la capacidad de la planta, el hipotético sistema con 200 uds de discos stirling (25 kW), 2x160 m de colector cilíndrico-parabólico y 70x150 células de combustible reversibles sería capaz de generar ininterrumpidamente 690 kW y producir alrededor de 6000 litros al día de agua potable. Al final, se recomiendan algunas líneas de estudio que ayudarían a completar el trabajo realizado como por ejemplo un estudio termo-económico, otras posibilidades de diseño o una evaluación de la planta durante un año completo bajo unas condiciones reales.