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CARACTERIZACIÓN ENERGÉTICA DEL SISTEMA DE HIDROCONVERSIÓN DE LA LUZ SOLAR PARA
APLICACIONES DE MEDIA TEMPERATURA UTILIZANDO UNA LENTE DE FORMA PARABÓLICA
AUTOR : JORGE SUNTAXI
AGENDARESUMEN INTRODUCCIONDEFINICIÒN DEL PROBLEMAOBJETIVOS
General Especìficos
JUSTIFICACIÒNFUNDAMENTOS TEORICOSDESARROLLO EXPERIMENTALRESULTADOS OBTENIDOSAPLICACIONES FUTURASCONCLUSIONES
RESUMEN
El presente proyecto, comprende la investigación, el desarrollo experimental y la caracterización energética de un sistema de hidroconversión de la luz solar, para lo cual se utilizó de un concentrador parabólico esférico de 200 W térmicos, con diámetro de apertura de 0.7 m, para la recolección y concentración de la radiación solar directa, mediante el uso del agua como medio óptico, y una envolvente en material acrílico transparente. La luz solar que se dirige en forma perpendicular hacia la pared de apertura del concentrador, es refractada en las capas tipo sandwich entre el agua y el acrílico, para reorientarse y transmitir un haz de radiación térmica de forma cónica que se disipa en el absorbedor, produciendo temperaturas de hasta 419 ºC
La densidad energética obtenida, en la cámara de reacción, depende de la irradiancia solar, relación de concentración, y absortancia del absorbedor
INTRODUCCIÒNINTRODUCCIÒN
Existen dentro del estado del arte, aplicaciones de media temperatura de 100ºC a 400 ºC, se encuentran los concentradores parabólicos cilíndricos, y sobre los 400 ºC, las lentes de Fresnel, torres de potencia, hornos solares, espejos parabólicos esféricos, donde su óptica de alta concentración necesita de materiales avanzados de alta reflectividad, difíciles de encontrarlos en el medio.
Para que estas tecnologías de concentración por medios ópticos puedan ser implementadas, se necesita contar con radiación solar directa por lo menos unas 3 horas por día y valores de irradiancia dentro del rango de 500 a 1000 W/m², que se pueden obtener en los trópicos. En las zonas cercanas a la línea equinoccial, la dirección de la radiación solar directa, cae casi perpendicular, al plano horizontal, por lo que se pueden realizar importantes instalaciones para el aprovechamiento de este recurso.
DEFINICIÓN DEL PROBLEMADEFINICIÓN DEL PROBLEMA
OBJETIVOS
• Caracterización Energética del
Sistema de Hidroconversión de la
Luz Solar para Aplicaciones de
Mediana Temperatura utilizando una
Lente Parabólica Esférica.
• Determinar la radiación solar directa y la dirección reflejada sobre el absorbedor.
• Analizar el comportamiento óptico de la lente de agua y del cono de radiación térmica
• Realizar el balance energético del modelo de hidroconversión
• Determinar las especificaciones técnicas del sistema, con proyección al desarrollo de modelos de utilidad de mayor capacidad
JUSTIFICACIÓN
PETROLEO CARBON GASNUCLEAR
EFECTO INVERNADERO
BIOMASA HIDROELECTRICA SOLAR
FUNDAMENTOS TEÒRICOSRadiación solar local:
Para determinar la radiación solar directa y difusa, que inciden sobre una superficie
horizontal o inclinada, existen diversos procedimientos matemáticos muy complejos,
con los que se obtienen valores de radiación aproximados, ya que se ven afectados por
la presencia de microclimas, en las zonas de aprovechamiento. Para cuantificar la
radiación global sobre superficie horizontal, se debe tomar en cuenta la radiación
extraterrestre , que se define por:
Donde: Radiación extraterrestre en kJ/m²hr, Constante solar de 4871 kJ/m²hr, número de día del año, latitud, declinación, ángulo horario de la puesta de sol. Por otra parte, para determinar la duración del día se utiliza:
sinsin
360
2sincoscos
365
360cos033.01
24 sse
nIscH
eH Isc n
s
N
365
)28436045.23
nsen tantancos aWs
Según Page (1964), la irradiación global a nivel del suelo para superficie horizontal se determina con la siguiente expresión:
Donde: horas de insolaciòn o brillo solar, es la irradiación global diaria, media mensual sobre una superficie situada bajo la atmósfera, los coeficientes a y b dependen del tipo de clima, para el caso Ecuador , se tienen los siguientes valores:
Tabla 1 Coeficientes climáticos a y b para el Ecuador
La expresión:
Se la conoce como índice de nubosidad, y permite calcular la radiación difusa Hd, partiendo de la irradiación global
tantancos15
2 1 N
Región a bSierra 0.25 0.45Costa 0.28 0.54
oH
N
nbaK real
NrealnbaeHoH
realn
Para pasar la irradiación sobre superficie horizontal ha inclinada se utiliza el factor Rb, definido por:
Siendo la irradiación Hb, la diferencia entre global y difusa
Por lo que la irradiancia directa sobre superficie inclinada es:
Comportamiento óptico de la lente de agua:
Para explicar el índice de refracción en este tipo de medio, se realiza un esquema de superficies compuesto por acrílico, agua, y acrílico donde se observa que la luz sufre interferencias para atravesar los diferentes las sustancias .
sinsincoscoscos
sinsincoscos)cos(
bR
dob HHH
bbB RHH
)3108.32531.5027.439.1( KKKoHdH
Figura 1 Modelo para análisis de reflección y refracción de la luz
En forma matemática el índice de refracción para este caso, se expresa así:
= 1.57 = 1.33
Donde: Índice de refracción del acrílico, índice de refracción del agua. La ecuación para determinar el foco óptico de la lente dada por el fabricante , se determina por la siguiente expresión
2
2
OH
ac n
nn
an
OHn 2
2121
111)1(
1
rr
t
n
n
rrn
f c
cc
an OHn 2
Donde: Foco óptico, radio de la superficie de apertura, radio de la parábola, índice de refracción para paredes compuestas y el espesor de la lente
Volumen del paraboloide
Para hallar el volumen de un paraboloide de revolución, se necesita restar el volumen del cilindro de diámetro a y altura c, con el volumen de la región que se encuentra bajo el paraboloide. El modelo geométrico para hallar la fórmula de cálculo del volumen para la región interna, entre cilindro y paraboloide, se presenta a continuación
Figura 2 Paraboloide de revolución
f 1r
2r
cn
t
Entonces, el volumen buscado es cuatro veces el volumen mostrado en el corte de la Figura 2
Al restar el volumen del cilindro con el de la región, se obtendrá el valor para el volumen del paraboloide de revolución.
Análisis térmico
La máxima temperatura que se puede alcanzar en los colectores planos es de 100 ºC, la eficiencia de Carnot de una máquina térmica que opere a esta temperatura y la del ambiente es del 20 por ciento. En cambio al trabajar con concentradores que operen a temperaturas sobre los 300 ºC, la eficiencia de Carnot se incrementa al doble.
Balance de energíaRealizando un balance de energía, se puede determinar que los concentradores son más eficientes que los colectores planos. El calor útil entregado al fluido de proceso que puede ser agua o aceite térmico, está dado por la energía recibida por el absorbedor menos las pérdidas de calor al medio ambiente es decir:
2
0 0 0
2
4
a
k
zddzdV
raccabspabsu ATTUqqqq )(
Donde la energía recibida por el absorbedor está dada por:
Siendo: área de apertura del concentrador, área del absorbedor, radiación solar directa incidente sobre el colector, temperatura ambiente en ºC, temperatura del absorbedor en ºC, e coeficiente global de transferencia de calor y eficiencia óptica.
Figura 3 Desarrollo Experimental: Balance Energético
baoabs HAq
aA
rA aT
cT cU
ab
uc AH
q
bH
o
ab
uc AH
q
Además, la eficiencia instantánea del colector es:
Eficiencia óptica
El paraboloide de revolución es una superficie producida al girar una parábola alrededor de su eje. La eficiencia óptica de una lente de agua, se determina por
Transmitancia de la cubierta del absorbedor, Reflejancia de la lente, absortancia del absorbedor, imperfecciones en la superficie y dispersión de la radiación directa, fracción de apertura no sombreada, factor de suciedad, error en el seguimiento. Todos estos parámetros son adimensionales y sus valores típicos son del orden de 0,90 a 0,95 con excepción de cuyo valor está entre 0,75 y 0,85 según la calidad de medio óptico semitransparente.
Razón de concentraciónEs la razón entre el área de apertura del concentrador y el área del absorbedor, es decir :
Temperatura focal Para el caso de concentradores en forma de lente, que utilizan el agua como medio óptico, se puede alcanzar enormes temperaturas en el foco, que dependen de la razón de concentración, la calidad de materiales, y la irradiancia directa incidente sobre la superficie colectora.
ab
uc AH
q
tsaaLo fFk
a L
a F
sk
tf
L
r
ac A
AR
A continuación, se muestra la expresión matemática desarrollada en la presente
investigación.
Donde: Temperatura focal en ºK, razón de concentración, irradiancia, emisividad del recubrimiento del absorbedor, constante de Stefan- Boltzmann.
Figura 4 Modelo Experimental : Isometría
4
a
tsaLabcf
fFkHRT
cR bH
a
DESARROLLO EXPERIMENTAL
Equipo utilizado
Lente parabólico
CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS:
Diámetro del lente parabólico: 0,70 mCapacidad de almacenamiento: 25 litrosMaterial de la lente: acrílicoDistancia focal optimo: 2484,13 mmTemperatura focal máxima: 419 °C
Instrumentos de mediciòn
Temperatura ambiente y humedad relativa
Para medir la temperatura ambiental y el contenido de humedad relativa del aire en las inmediaciones del lente parabólico, se utiliza el higrotermómetro marca EXTECH
RANGO: Humedad relativa del aire: 0-100 %Temperatura ambiente: 0-100 °C
Radiación global y albedo
Para la medición de la irradiación global y el albedo o irradiancia reflejada por
el suelo se utiliza el piranómetro de célula calibrada marca Daystar, con rango
de 0 a 1200 W/m² , con una precisiòn de ± 3%, y una resoluciòn de 1 W/m²
Flujo, velocidad y temperatura del aire
Para la medición del flujo, la velocidad y la temperatura del aire, se utiliza el
termo anemómetro.
RANGO:
Velocidad del aire: 0,50 – 35,0 m/s
Flujo del aire: 0-999.900 m3/min
Temperatura del aire: 0 a 80 °C (32 a 175°F)
Temperatura en el absorbedor
Para la medición de la temperatura en el absorbedor, se utiliza un termómetro
infrarojo para alta temperatura. Este tipo de termómetros IR miden la
temperatura de superficie de un objeto. La óptica del termómetro detecta la
energía emitida, reflejada y transmitida. La electrónica del termómetro procesa
la información a una lectura de temperatura que es indicada en la pantalla LCD.
Accesorios complementarios
Cuerpo de prueba (absorbedor)
Elaborado en plancha metálica embutida
Pintura electrostática en color negro mate, puesto permite tener un índice de
emisividad igual
1
Equipo de protección
GAFAS GUANTES GORRO PROTECTOR
Por otra parte, se deben mitigar los riesgos físicos inherentes al experimento, producidos por radiación, calor, alta temperatura, y luminosidad mediante el uso de equipo de protección adecuado, para lo cual se utiliza : gafas , guantes y gorro protector.
PREPARACIÒN CONCENTRADOR PARABOLICO
ESTRUCTURA SOPORTANTE DEL CONCENTRADOR PARABOLICO
- Consta de tres partes, la primera un marco fijo, la
segunda un marco octogonal en el que se apoya el la lente de agua y permite el seguimiento al sol y un sujetador del concentrador
- El marco fijo , tubo cuadrado de 2 pulg.- Marco ortogonal, tubo rectangular de 1 x 2 pulg.- Sujetador del concentrador focal, tubo cuadrado de
1 pulg.- No se realiza el diseño estructural porque las cargas
que soportará son bajas- Es diseñada respecto al proceso de soldadura.
Resistencia mecánicaRobustezFacilidad de montajeBuena apariencia estéticaBajo costo
LENTE DE AGUA
Plancha de acrìlicoSe caliente electrònicamente hasta llegar a la temperatura de plasticidadPor efecto de la gravedad y aire a presiòn se forma la catenariaPara la construcciòn se define diàmetro y profundidadA pesar de ser muy parecida a la parábola no garantiza el perfil requerido cierto tipo de aplicaciones.Para el presente proyecto se considerò que el perfil es una paràbola
PARÁMETROS DEL EXPERIMENTO Para la ejecución de las pruebas de calentamiento con radiación concentrada, utilizando un medio óptico natural como es el caso del agua, se tiene que, calibrar los instrumentos de medición, pesar el fluido y colocarlo en el casquete parabólico, orientar la superficie plana, hasta que el eje normal se encuentre paralelo con la dirección de la radiación solar directa,
El levantamiento de datos de campo se realizó durante los dìas 13, 15 y 22 de julio 2012, se tomó las mediciones procurando que sea cada 5 minutos los mismos que fueron registrados y anotados en los respectivos documentos. Las variables medidas fueron:-Temperatura ambiente(°C)-Temperatura en el concentrador (°C)-Temperatura focal (°C)-Velocidad del viento(m/s)-Irradiancia global (W/m²)-Irradiancia difusa (W/m²)-Humedad relativa(%)
RESULTADOS OBTENIDOS
En lo que tiene que ver con la óptica geométrica, se puede indicar que la luz incidente sobre el plano superior de la lente, se refracta en el interior de la cámara de agua para formar un haz de radiación cónico de alta temperatura que se disipa en la cámara de reacción o absorbedor, la forma de este haz luminoso, donde la temperatura se incrementa conforme se aleja de la lente, hasta alcanzar un valor màximo a partir del cual desciende, se puede observar en la Figura, que se muestra a continuación.
Para realizar los cálculos de la energía disponible, calor útil, eficiencia de conversión, entre otros parámetros, se deben tomar los datos de temperatura, del ambiente, concentrador, absorbedor, y la irradiancia.
En la Tabla 2, que se observa a continuación, se puede indicar que los valores más representativos de temperatura en el absorbedor 419ºC, así como también la irradiancia directa 1002 W/m², se consiguen a las 12:50 horas, es decir con un ángulo horario de -15º.
Tabla 2. Temperatura focal real, teórica y error porcentual para 22 julio
Orden HoraIrradian
cia(W/m2)
Temperatura focal medida
(º C)
Temperatura focal
calculada(º C)
Error(%)
1 11h20 891 370 1570,17 -324,4
2 11h25 867 350 1561,34 -346,1
3 11h35 882 371 1566,88 -322,3
4 11h40 875 356 1564,30 -339,4
5 11h45 884 380 1567,61 -312,5
6 11h52 886 366 1568,34 -328,5
7 12h00 882 380 1566,88 -312,3
8 12h08 911 382 1577,38 -312,9
9 12h13 916 395 1579,17 -299,8
10 12h18 932 408 1584,84 -288,4
11 12h23 946 412 1589,74 -285,9
12 12h40 965 415 1596,30 -284,7
13 12h50 1002 419 1608,80 -284,0
14 13h05 972 325 1598,69 -391,9
15 13h10 928 329 1583,43 -381,3
16 13h15 939 350 1587,29 -353,5
17 13h20 977 318 1600,39 -403,3
18 13h25 895 340 1571,62 -362,2
19 13h32 954 330 1592,51 -382,6
20 13h37 947 320 1590,08 -396,9
21 13h42 956 303 1593,20 -425,8
22 13h47 986 250 1603,44 -541,4
APLICACIONES FUTURAS
Dentro de las aplicaciones de la Energìa Solar Concentrada(ESC) tenemos:
1.Fotovoltaica: Electricidad, señalización, bombeo de agua, desinfección de agua2.Tèrmica
▫ Diversas como secado, desalinización, calentamiento de agua, producción de energía eléctrica, refrigeración, eliminación de residuos químicos por foto catálisis
3.Modificaciòn de la superficie de materiales (MSM)
▫ Temple y revenido, aleación superficial, plaqueado(cladding), reacción gas-sòlido, síntesis autopropagada
3.2 Revenido: Sólo se aplica a aceros previamente templados, para disminuir ligeramente los efectos del temple, conservando parte de la dureza y aumentar la tenacidad.
3.1 Temple: Su finalidad es aumentar la dureza y la resistencia del acero.
3.3 El cladding o tratamientos termoquímicos son tratamientos térmicos en los que, además de los cambios en la estructura del acero, también se producen cambios en la composición química de la capa superficial, añadiendo diferentes productos químicos hasta una profundidad determinada. Estos tratamientos requieren el uso de calentamiento y enfriamiento controlados en atmósferas especiales.
CONCLUSIONES
Se logro cumplir con el objetivo principal del proyecto el de la caracterización del energética del sistema de hidroconversiòn de luz solar utilizando una lente de forma parabólica.
Resulta de vital importancia para este proyecto la ubicación del eje focal del concentrador coincidente hacia la ubicación del sol, de esta manera se evita: en primer lugar la generación de sombra en el concentrador y en segundo lugar, cuando no existe esta coincidencia, cambia la posición del foco, es decir, el calor se concentra en un sitio diferente al teórico, disminuyendo su eficiencia.
La ubicación del prototipo solar tiene que ser de tal manera que el eje de giro del concentrador sea perpendicular a la orientación este-oeste, en otras palabras, perpendicular a la trayectoria del sol.
Los concentradores solares al igual que los diversos elementos que utilizan energía solar nunca llegarán a eficiencias del 100%, debido a que una parte de la energía que se capta a través de los mismos es desperdiciada como pérdidas de calor de diferentes tipos, tanto por convección como por radiación.
•GRACIAS POR SU ATENCIÓN
•Jorge Suntaxi C.
•Enero 2014
