HIGH TEMPERATURE SOURCE SOLAR COOLING TECHNOLOGY

The solar cooling systems can be divided [1,8,42] into: Closed-cycle thermal systems divided in absorption and adsorption and are rated by their coefficient of performance (COP), which is the ratio of cooling energy produced to thermal energy required; Open cycle thermal systems based on a combination of air dehumidification by a desiccant that may be liquid or solid, with evaporative cooling; and Mechanical systems use of a solar-powered Rankine cycle engine connected to a conventional air conditioning system. These can be operated by any type of solar collector, even with PTC [43].

As above mentioned, most of worldwide studies and experiments are based to date on the use of stationary flat-plate collectors (FPC) [29], evacuated tube collectors (ETC), and, to a lesser extent, compound parabolic concentrators (CPC), as the solar heat source in an appropriate operating temperature range (below 100 ºC), mainly to feed a single-effect absorption chiller, but also an adsorption chiller or desiccant cooling system [1,4,13,16,44].

In addition to this, the recent developments in gas-fired double-effect absorption LiBr-H2O chillers, have made available in the market systems with COP 1.1–1.2 that may high temperature solar-powered sources [45] representing, together to the existing experiences with NH3–H2O absorption chillers, a promising alternative provided investment and maintenance costs of solar concentrators are reasonable. Linear concentrators, either parabolic trough [46–50] and Fresnel [25,33,51–53] are well suited for this function.

The double-effect absorption cycle permits to take advantage of the higher driving temperature presenting a higher COP, around twice of single-effect cycles [54]. There are two basic configurations for the double-effect cycle depending up on the distribution of the solution through the components, series and parallel flow.

The double-effect absorption cycle (Fig. 1) is characterized by the existence of two desorbers, the high-pressure generator (High-G) and the low-pressure generator (Low-G). PTC collectors provide external heat and vapour is generated in the High-G. The vapour flows to the Low-G, where it changes phase by rejecting heat at sufficiently high temperature that it can be used to separate vapour from the solution flowing through the Low-G. A schematic representation of a parallel flow double-effect LiBr–H 2O absorption cycle is shown in Fig. 1. In the present configuration, the diluted solution leaving the absorber is split into two circuits flowing in parallel. One part of the solution flows to the High-G by passing through the High solution heat exchanger (High-SHX), and the other one goes into the Low-G after passing through the Low solution heat exchanger (Low-SHX). Before entering the absorber, the concentrated solution passes through a Low-SHX where an exchange of sensible heat takes place. The concentrated solution reduces its temperature while the diluted solution gets

warmer. The vapour generated in the Low-G is driven directly to the condenser. Finally, the refrigerant separated in the High-G (and condensed in the Low-G) restores its thermodynamic conditions before entering the evaporator. Because optimised use of heat increasing the number of effects.

Fig. 1. Diagram of double-effect (2E) LiBr–H2O absorption chiller (parallel flow). Hot water driving with PTC.

PARABOLIC-TROUGH COLLECTORS FOR PROCESS HEAT AND SOLAR COOLING APPLICATIONS

PTCs are parabolic concentrating systems that focus the direct solar radiation parallel to the collector axis onto a focal line (see Fig. 2). A receiver pipe is installed in this focal line with a heat transfer fluid flowing inside it that absorbs concentrated solar energy from the pipe walls and raises its enthalpy. The collector is provided with a one-axis solar tracking system to ensure that the solar beam falls parallel to its axis.

The tracking mode may be of 1-axis or 2-axis. The solar energy received on the collector surface on the 2-axis moving is greater [55, 56] due to the lower angle of incidence. However the most of the PTC are 1-axis solar tracking, due to the lower cost and ease of installation. Concerning the orientation, when the PTC axis orientation is N–S (E–W tracking system) the annual incident energy received on the collector surface (Gt, annual) is greater, which results in a higher annual collector efficiency and smaller auxiliary energy requirement [57].

PTC solar technology is the best proven and lowest -cost large- scale solar power technology available today, mainly due to, in a first instance, the accumulated experience of the nine large commercial solar power plants SEGS (solar electric

generating systems) with LS-1, LS-2 and LS-3 PTC, developed by Luz International, (later acquired by Siemens-Solel Solar Systems) in the California Mojave Desert (USA) [58]. PTC reliability has been further confirmed thanks to other models like the Eurotrough [59] and Senertrough [60] as well as other very recent commercial developments used in the majority of the utility level CSP plants in operation or under construction all over the world. Technological feasibility of direct steam generation (DSG), an outstanding breakthrough in PTC, has already been also demonstrated [61].

PTCs used in solar thermal power plants are very reliable and work at temperatures of around 400ºC and big apertures. However, other eventual applications, such as industrial process heat and heat driven solar cooling, work at maximum temperatures of up to 180ºC and have strong solar fields pace constraints, because factories and commercial buildings are usually located in places where land is expensive, so rooftop installation should be a real possibility.

In order to ease these applications, some companies have undertaken specific efforts in the development of modular, small, lightweight and low cost PTC. These companies are: Industrial Solar Technology (IST) [62] (later acquired by Abengoa Solar), Sopogy [63,64], Cogenra solar and Solargenix energy in USA; Solitem[46] and Koluacik in Turkey; NEP Solar [65] in Australia; Absolicon Solar Concentrator [66] in Sweden, Soligua and Trivelli energia in Italy; Dr. Vetter [67], Smirro and Solarlite in Germany; Huayuan new energy project and Dezhou Mingnuo New Energy in China; IMK in Austria; Thermax in India; and Composites y Sol in Spain [68] market this type of collector. Reference to other prototypes as PARASOL [69] in Austria; PTC-1000 [70] and Prototype-Mithras in Germany; CHAPS [69] in Australia; Prototypes [71,72] in Mexico; Hitachi Plant Technologies [14] in Japan; and SALTO PTC [73,74] in Italy.

According the study carried out in this work, there are over 30 models of small PTC (aperture width lesser than 4m) that could be used in solar cooling systems. Table 1 summarizes the characteristics of the collectors. Of these, only few have been certified by present standards either by Sola Keymark (SK) [67] or by SRCC [64].

These developments allow have for a larger number of options of high temperature sources for double-effect absorption chillers, fulfilling at the same time basic requirements on cost sand operation.

Fig. 2. Schematic ofaparabolic-troughcollector.

REVIEW OF COOLING SYSTEMS WITH PTC

Air-conditioning and refrigeration facilities driven by a PTC solar field are still in frequent despite simulations studies confirms the functional feasibility of this technique in weather favourable regions [95, 96]. Several experimental and test facilities using this technology have appeared in the literature. The first two references in the literature go back to 1957. One of them is a prototype designed and erected at the Laboratoire del’Energie Solaire in Montlouis (France), where a 1.5-m2 east–west-oriented PTC was connected to an intermittent NH3–H2O absorption refrigeration cycle. The coolant was heated directly inside the solar collector, producing 6kg of ice per day [97]. The other facility erected in 1957 was an experimental plant at the University of Florida (Florida, USA). This facility had a 4.46-m2 PTC collector which used cottonseed oil at around 290ºC as the working fluid, and supplied thermal energy to an absorption chiller for air-conditioning [98].

A parabolic-trough collector field was installed on the roof of a building near Kuwait City (Kuwait). The solar field aperture was 63.18 m2, and it was used to supply thermal energy to a commercial LiBr–H 2O single-effect absorption chiller, the10.55-kW (3-ton) ARKLA Solaire Model 501-WF, for air-conditioning. The heat transfer fluid employed was pressurized water and the thermal storage subsystem consisted of an 8000-l water storage tank. The unit required a water temperature of 98.9 ºC in the generator for full-capacity cooling with condensing water at 29.5 ºC. The average solar field efficiency was 55% [99].

The Indian Institute of Technology Solar Energy Laboratory (Kharagpur, India), modified a commercial electric vapour-absorption refrigerator manufactured by Himalux, and connected it to a PTC for preservation of perishable food. The solar collector designed and constructed in the same project had a 1.5-m2 aperture area and 50% average efficiency, and the operating results were good enough to reach 3 ºC in the evaporator [100].

A PTC solar field was hooked up to an absorption chiller by the ENUSA Company, in Juzbado (Salamanca, Spain). The solar field aperture area was 1080-m2 and worked with Heliotermo 2550 thermal oil, supplying collector outlet temperatures of around 180 ºC. The facility operated satisfactorily from 1985 to 1988 [101].

A continuous solar system with no storage powering a LiBr–H2O absorption refrigeration cycle was designed and tested at the University of Jordan (Amman, Jordan). Both the solar collector and the experimental cooling unit were manufactured locally. The solar field was made up of 3.6-m2 flat-plate collectors, followed by a 0.15-m2 PTC to increase inlet generator temperature up to 95 ºC. The average coefficient of performance achieved during testing was0.55 [102].

A 2-kW NH3–H2O absorption prototype connected to a PTC for refrigeration in small rural operations was recently developed and tested in Spain. The heat transfer fluid was thermal oil and the collector supplied temperatures up to 150ºC [103].

A system with a 100kW cooling capacity, has an integrated triple-effect (3E) with vapour absorption chiller (VAC), COP rated=1.7, and PTC has been installed at India in 2011. The collector supplied temperatures up to 210ºC [104].

There are also other facilities of PTC for electricity production by PVT [66] or micro-CSP with organic Rankine-cycle [63], which are used to feed an electrical cooling system. The facilities have also been made with steam jet ejector chiller (SJEC) is a thermo- mechanical chiller for cold generation [105,106] and other installation of Arrow Pharm in Malta with electricity generation through Stirling engine connected to a field of PTC, (project DIGESPO) [107].

Fig. 3. Yearly evolution of PTC facilities connected to solar cooling systems.

Fig. 3 shows the yearly evolution of PTC facilities connected to solar cooling systems. In the last 12 years till 37 facilities have been implemented worldwide. An overview of the existing facilities is shown in Table 2.

Fig. 4. TRNSYS modelofsolarcoolinginstallation.

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TEMPERATURA ALTA TECNOLOGÍA FUENTE SOLAR COOLING

Los sistemas de refrigeración solar se puede dividir [1,8,42] a: ciclo cerrado dividido en sistemas térmicos de absorción y adsorción y se clasifican por su coeficiente de rendimiento (COP), que es la relación de energía de refrigeración producido a la energía térmica requerida ; sistemas abiertos ciclo térmico basado en una combinación de deshumidificación del aire por un desecante que puede ser líquido o sólido, con enfriamiento por evaporación, y sistemas mecánicos de utilizar un motor de Rankine con energía solar ciclo conectado a un sistema de aire acondicionado convencional. Estos se pueden operar a cualquier tipo de colector solar, incluso con PTC [43].

Como se mencionó anteriormente, la mayoría de los estudios y experimentos en todo el mundo hasta la fecha se basan en el uso de papelería colectores de placa plana (FPC) [29], los colectores de tubo de vacío (ETC) y, en menor medida, concentradores parabólicos compuestos (CPC) , como fuente de calor solar en un rango de temperatura de operación adecuada (por debajo de 100 º C), principalmente para alimentar a una máquina de absorción de simple efecto, pero también un enfriador de absorción o sistema de refrigeración desecante [1,4,13,16,44].

Además de esto, los recientes acontecimientos en base de gas de doble efecto de absorción de LiBr-H2O enfriadores, han puesto a disposición de los sistemas de mercado con COP 01.01 a 01.02 que puedan alta temperatura solar las fuentes de energía [45] que representa, junto a la ya existente experiencias con máquinas de absorción NH3-H2O, una alternativa prometedora siempre la inversión y los costes de

mantenimiento de los concentradores solares son razonables. Linear concentradores, ya sea de cilindros parabólicos [46-50] y Fresnel [25,33,51-53] son muy adecuados para esta función.

El ciclo de absorción de doble efecto permite tomar ventaja de la temperatura de conducción más alta que presenta un COP más alto, alrededor de dos veces de simple efecto ciclos de [54]. Hay dos configuraciones básicas para el ciclo de doble efecto según arriba en la distribución de la solución a través de los componentes, series y de flujo paralelo.

El ciclo de absorción de doble efecto (Fig. 1) se caracteriza por la existencia de dos desorbedores, el generador de alta presión (High-G) y el generador de baja presión (Low-G). Colectores PTC proporcionar calor externo y vapor se genera en el High-G. El vapor fluye a la baja-G, donde cambia de fase mediante el rechazo de calor a temperatura suficientemente alta que puede ser utilizado para separar el vapor de la solución que fluye a través de la Low-G. Una representación esquemática de un flujo paralelo de doble efecto LiBr-H 2O ciclo de absorción se muestra en la figura. 1. En la presente configuración, la solución diluida dejando el absorbente está dividida en dos circuitos que fluyen en paralelo. Una parte de la solución fluye a la alta G pasando a través del intercambiador de calor de alta solución (High-SHX), y el otro entra en la Low-G después de pasar por el intercambiador térmico de la solución bajo (Low-SHX). Antes de entrar en el absorbedor, la solución concentrada pasa a través de una baja SHX donde un intercambio de calor sensible se lleva a cabo. La solución concentrada reduce su temperatura, mientras que la solución diluida se calienta. El vapor generado en el Low-G es conducido directamente al condensador. Por último, el refrigerante separado en el High-G (y se condensa en el de baja G) restaura sus condiciones termodinámicas antes de entrar en el evaporador. Dado que el uso optimizado de calor aumenta el número de efectos.

Cilindro-parabólicos COLECTORES PARA PROCESO DE CALOR SOLAR Y APLICACIONES DE ENFRIAMIENTO

PTCs son sistemas de concentración parabólicos que concentran la radiación solar directa en paralelo al eje de colector en una línea focal (véase la fig. 2). Un tubo receptor está instalado en esta línea focal con un fluido de transferencia de calor que fluye en su interior que absorbe la energía solar concentrada de las paredes de la tubería y aumenta su entalpía. El colector está provisto de un sistema de seguimiento solar de un solo eje para asegurar que el haz de luz solar cae en paralelo a su eje.

El modo de seguimiento puede ser de 1-eje o eje 2. La energía solar recibida en la superficie del colector en el movimiento 2-ejes es mayor [55, 56] debido a la menor ángulo de incidencia. Sin embargo la mayoría de la PTC son 1-eje de seguimiento solar, debido a su bajo costo y facilidad de instalación. En cuanto a la orientación, cuando la

orientación del eje PTC es N-S (E-W sistema de seguimiento) de la energía incidente recibida anual sobre la superficie del colector (Gt, anual) es mayor, lo que resulta en una mayor eficiencia del colector anual y menor requerimiento de energía auxiliar [57].

PTC solar es la mejor tecnología probada y de menor costo a gran escala de la tecnología de energía solar disponible hoy en día, principalmente debido a, en una primera instancia, la experiencia acumulada de los nueve grandes plantas comerciales de energía solar SEGS (solares sistemas de generación eléctrica) con LS- 1, LS-2 y LS 3-PTC, desarrollado por Luz International, (más tarde adquirido por Siemens-Solel Solar Systems) en el desierto de Mojave, California (EE.UU.) [58]. PTC fiabilidad ha sido confirmada gracias a otros modelos como el Eurotrough [59] y Senertrough [60], así como otros desarrollos comerciales muy recientes usadas en la mayoría de las plantas de CSP nivel de utilidad en funcionamiento o en construcción en todo el mundo. Viabilidad tecnológica de la generación directa de vapor (GDV), un avance extraordinario en PTC, ya se ha demostrado también [61].

PTC se utilizan en plantas de energía solar térmica son muy fiables y el trabajo a temperaturas de unos 400 º C y las aberturas grandes. Sin embargo, otras aplicaciones posibles, como el calor de procesos industriales y el calor conducido refrigeración solar, el trabajo a temperaturas máximas de hasta 180 º C y tienen fuertes restricciones solares ritmo campos, porque las fábricas y edificios comerciales están generalmente ubicados en lugares donde la tierra es caro, por lo que en la azotea instalación debe ser una posibilidad real.

Con el fin de facilitar estas aplicaciones, algunas empresas han tomado medidas específicas en el desarrollo de modular, el coste pequeño, ligero y bajo PTC. Estas empresas son: Industrial Solar Technology (IST) [62] (más tarde adquirido por Abengoa Solar), Sopogy [63,64], Cogenra solar y Solargenix energía en EE.UU.; SOLITEM [46] y Koluacik en Turquía; NEP Solar [65] en Australia; Absolicon Concentrador Solar [66] en Suecia, Soligua y Trivelli energia en Italia, el Dr. Vetter [67], y Smirro Solarlite en Alemania; Huayuan nueva energía del proyecto y Dezhou Energía Mingnuo nuevo en China; IMK en Austria; Thermax en India y Composites y Sol en España [68] el mercado de este tipo de colector. Referencia a otros prototipos como PARASOL [69] en Austria; PTC-1000 [70] y en prototipos Mitra en Alemania; CHAPS [69] en Australia; Prototipos [71,72] en México, Hitachi Plant Technologies [14] en el Japón; y SALTO PTC [73,74] en Italia.

Según el estudio llevado a cabo en este trabajo, hay más de 30 modelos de pequeño PTC (ancho de abertura menor de 4 m) que podrían ser utilizados en sistemas de refrigeración solar. La Tabla 1 resume las características de los colectores. De éstos, sólo unos pocos han sido certificados por los estándares actuales, ya sea por Keymark Sola (SK) [67] o por SRCC [64].

Estos desarrollos permiten tener un mayor número de opciones de fuentes de alta temperatura para máquinas de absorción de doble efecto, cumpliendo al mismo tiempo las exigencias básicas en costo de operación arena.

REVISIÓN DE SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN CON PTC

Instalaciones de aire acondicionado y refrigeración accionados por un campo solar de CCP están todavía en frecuente, a pesar estudios de simulación confirma la viabilidad funcional de esta técnica en regiones favorables del tiempo [95, 96]. Varios experimental y las instalaciones de prueba con esta tecnología han aparecido en la literatura. Las dos primeras referencias en la literatura se remontan a 1957. Uno de ellos es un prototipo diseñado y construido en el Laboratorio Solaire del'Energie en Montlouis (Francia), donde un 1,5-m2 Este-Oeste orientado PTC se conecta a un intermitente NH3-H2O ciclo de refrigeración por absorción. El refrigerante se calienta directamente en el interior del colector solar, produciendo 6 kg de hielo por día [97]. La otra instalación erigida en 1957 era una planta experimental en la Universidad de Florida (Florida, EE.UU.). Esta instalación tenía un coleccionista 4,46 m2 PTC que utiliza aceite de semilla de algodón alrededor de 290 º C como fluido de trabajo, y se suministra energía térmica a una máquina de absorción para aire acondicionado [98].

Un campo de colectores cilindro-parabólicos se ha instalado en el techo de un edificio cercano a la ciudad de Kuwait (Kuwait). La apertura del campo solar fue 63,18 m2, y se utiliza para suministrar energía térmica a un comercial LiBr-H 2O máquina de absorción de simple efecto, the10.55 kW-(3-ton) ARKLA Solaire Modelo 501-WF, para aire acondicionado . El fluido de transferencia de calor empleado fue agua a presión y el subsistema de almacenamiento térmico consistía en un tanque de agua de 8000-l almacenamiento. La unidad requiere una temperatura del agua de 98,9 º C en el generador por completo la capacidad de refrigeración con agua de condensación en 29,5 º C. La eficiencia promedio del campo solar fue del 55% [99].

El Instituto Indio de Tecnología Solar Energy Laboratory (Kharagpur, India), modificado un comercial eléctrico de vapor de absorción refrigerador fabricado por Himalux, y conectado a un PTC para la conservación de alimentos perecederos. El colector solar diseñado y construido en el mismo proyecto tenía un área de abertura de 1,5 m2 y un 50% de eficiencia media, y los resultados de operación fueron lo suficientemente buenos para llegar a 3 º C en el evaporador [100].

Un campo solar de CCP estaba conectado a una máquina de absorción por la Sociedad ENUSA en Juzbado (Salamanca, España). El área del campo solar de apertura fue 1080-m2 y 2550 trabajó con Heliotermo aceite térmico, proporcionando temperaturas del colector de salida de alrededor de 180 º C. La instalación funciona satisfactoriamente desde 1985 hasta 1988 [101].

Un sistema solar continuo sin almacenamiento alimentar un ciclo de absorción LiBr-H2O de refrigeración ha sido diseñado y probado en la Universidad de Jordania (Amman, Jordania). Tanto el colector solar y la unidad de refrigeración experimental fueron fabricados localmente. El campo solar se compone de 3,6-m2 colectores de placa plana, seguido por un PTC-0.15 m2 para aumentar la temperatura del generador de entrada de hasta 95 º C. El coeficiente medio de rendimiento alcanzado durante la prueba was0.55 [102].

A 2-kW NH3-H2O absorción prototipo conectado a un PTC para la refrigeración en las pequeñas operaciones de campo fue desarrollado y probado recientemente en España. El fluido de transferencia de calor era aceite térmico y el colector de suministro temperaturas de hasta 150 º C [103].

Un sistema con una capacidad de refrigeración de 100 kW, cuenta con un sistema integrado de triple efecto (3E) con máquina de absorción de vapor (VAC), COP nominal = 1,7, y PTC se ha instalado en India en 2011. El colector suministra temperaturas de hasta 210 º C [104].

Hay también otras instalaciones de PTC para la producción de electricidad por PVT [66] o micro-CSP con ciclo de Rankine orgánico [63], que se utilizan para alimentar un sistema de refrigeración eléctrica. Las instalaciones también se han hecho con chorro de vapor enfriadora eyector (SJEC) es un enfriador termo-mecánico para la generación de frío [105.106] y la otra instalación de Arrow Pharm en Malta con la generación de electricidad a través del motor Stirling conectado a un campo de PTC, (proyecto DIGESPO ) [107].

La figura. 3 muestra la evolución anual de las instalaciones de PTC conectados a sistemas de refrigeración solar. En los últimos 12 años hasta 37 instalaciones se han ejecutado en todo el mundo. Una visión general de las instalaciones existentes se muestran en la Tabla 2.