Prototipo a escala: Planta termosolar de concentración.
Resumen:
“Luchar contra el cambio climático es primordial, así que es esencial que el sector
de generación de energía sea prácticamente libre de CO2 tan pronto como sea
posible.” (Richter, 2009) en consecuencia, se han considerado como principales
desafíos la satisfacción de la creciente demanda de energía requerida para el
bienestar social y económico sin ser una amenaza medioambiental y en base en
esto se desarrolló la idea del uso de la energía solar térmica de concentración; la
producción de calor concentrando mediante espejos la luz del sol sobre un líquido
térmico (comúnmente agua o aceite sintético) y este, se calienta hasta los 400°C
de temperatura por la radiación solar, utilizándose para producir vapor de agua
que impulsa un turbogenerador para producir electricidad. Al aprovechar la luz
solar no hay combustiones y por tanto emisión de gases de efecto invernadero por
ejemplo la planta Mojave Solar que produce 280 MW en Barstow que abastece a
aproximadamente 91.000 hogares del estado de California “y evitará la emisión de
cerca de 223.440 toneladas de dióxido de carbono (CO2) anuales a la atmósfera”,
sobre Abengoa, empresa responsable de la Mojave Solar, sin considerar que su
fuente de energía es inagotable y que reduce el costo según José A, Roca en “El
periódico de la Energía” en 2016. Tomando esto como fundamento, decidimos
recrear estas plantas situadas en los países del sur de Europa, norte de África y
Oriente Medio, partes de la India, China, el sur de Estados Unidos y Australia,
donde la luz solar es abundante durante horas y que llegan a medir 64 m de largo
con una potencia de 50MW a 280 MW, con un tamaño compacto con materiales
de costo accesible y de fácil montado intentando tener la menor perdida posible de
energía, manteniendo los principios físicos que sustentan el método y haciéndola
funcional, aunque genere cantidades muy pequeñas de energía.
Con esto en mente armamos el reflector con media cubeta, 16 espejos, el tubo
absorbedor con un tubo de cobre y algunas piezas de plástico, la base de alambre
galvanizado, la turbina con partes recicladas de botellas y una polea de impresora,
obteniendo resultados favorables luego de la exposición a luz solar constante
durante 5 horas, comprobando que la energía producida por la radiación solar
podría ser una de las mejores alternativas a los combustibles fósiles en esta
región (México) pues con la cantidad de luz recibida es suficiente para ocuparse
en plantas de mayor tamaño y con esto comenzar a disminuir nuestra huella de
CO2 producida por el sector energético.
Introducción.
Marco teórico:
a) Funcionamiento general
De inicio se debe recoger la luz del sol para
convertirla en calor mediante la reflexión de
la misma enfocándola en un cuerpo que
almacene energía térmica, este calor luego
se trata para generar electricidad de las
maneras convencionales como las turbinas
de vapor o motores Stirling, o de ser
almacenada en diferentes medios como el
hormigón, las sales fundidas o cerámicas para ser utilizadas en las horas que no
se dispone de luz solar evitando que las turbinas dejen de trabajar. Un ejemplo de
esto es la planta Andasol de 50 MWe diseñadas para almacenar la energía
térmica hasta por 8 horas.
Las plantas pueden usar sistemas de espejos con enfoque puntual que pueden
concentrar la radiación hasta 1000 veces y producir temperaturas de trabajo de
1000°C, un ejemplo de este tipo de sistemas son los receptores centrales y los
sistemas de discos parabólicos. Otro tipo de enfoque es el lineal, que concentran
la radiación 100 veces con temperaturas de hasta 550 ° C, por ejemplo, los
1) Funcionamiento de un reflector
(imagen tomada de Energía
solar térmica de concentración
2009, Short R)
sistemas de canales parabólicos y sistemas de concentradores lineal de Fresnel.
(Richter, Teske 2009)
b) Óptica.
Reflectores de Fresnel: Principio de funcionamiento
El sistema concentrador está constituido por
superficies reflectoras con un elevado radio de
curvatura que interceptan, concentran y
reflejan la radiación solar dirigiéndola hacia el
tubo receptor, situado en un plano diferente al
de reflexión. Como el objetivo es concentrar
los rayos solares sobre la superficie del
receptor, el sistema concentrador debe
disponer de un mecanismo de control que le
permita seguir la trayectoria del sol de modo
que siempre se encuentre enfocado hacia él. Una vez que la radiación
concentrada llega al receptor, éste la convierte en energía térmica mediante una
transferencia de energía al fluido de trabajo. (Villa. 2009)
Canales Parabólicos:
Se usan reflectores de espejo en forma cilindro
parabólica para concentrar la luz solar en el tubo
contenedor del líquido de trabajo, este se posiciona
justo donde se forma el foco; al centro de la línea
focal de la parábola. El fluido (agua o aceite térmico
sintético) se calienta hasta los 92°C y se bombea
para producir más vapor y la mejor circulación de
este, luego de esto puede accionar las turbinas.
3) Canales parabólicos
(imagen tomada de
Energía solar térmica de
concentración 2009, Short
R)
2) Sistema de concentración de
Fresnel (imagen tomada de
Energía solar térmica de
concentración 2009, Short R)
(Richter. Teske 2009)
Ley de Snell
Esta ley nos ayuda a comprender la manera en que la luz trabaja sobre diferentes
materiales o concentraciones, variando la manera en que se propaga y su
velocidad (porque distintos medios ofrecen distinta resistencia al desplazamiento
de la luz) y produciéndose el fenómeno de la refracción, origina en el cambio de
velocidad de propagación de la onda, cuando pasa de un medio a otro.
n1·senα1 = n2·senα2
Donde n1 es el índice de refracción del primer medio (cómo de difícil le resulta a la luz avanzar a
través de él), n2 es índice de refracción del segundo medio, y a1 y a2 los ángulos de incidencia y
reflexión, respectivamente,
(Valenzuela, 2011)
Aberración esférica
Es la falta de coincidencia de los rayos luminosos que deben encontrarse
en el foco de una lente o de un espejo cóncavo. Afecta de manera diferente a
cada longitud de onda. Es proporcional a la cuarta potencia del diámetro de la
lente o espejo e inversamente proporcional al cubo de la longitud focal siendo
mucho más pronunciado en sistemas ópticos de corta focal.
(Ditchburn RW, 1982)
Imagen
La imagen óptica es el principio básico de todos los sistemas de captación o
registro de imágenes. Su generación se produce por la reflexión de los rayos de
luz, dado que no son los objetos en sí lo que vemos sino la luz que reflejan.
La reflexión es la propiedad por la cual un rayo luminoso es desviado de su
trayectoria inicial cuando en su camino se encuentra un cuerpo opaco. La luz se
refleja sobre los objetos despidiendo sus haces en todas direcciones y, según el
principio de la imagen óptica, en la punta de cada uno de esos rayos reflejados va
un punto de imagen del objeto que produjo el reflejo, de forma que cualquier
objeto puede ser entendido como un conjunto infinito de puntos, cada uno de los
cuales refleja la luz que recibe hacia todas direcciones.
( Universitat Politècnica de València, 2005)
Absorbancia y Transmitancia
La transmitancia nos habla de la propiedad de los materiales para reflejar la luz sin
conservarla como energía térmica esto nos es útil pues la transformación en
energía térmica en el reflector supone una pérdida de luz para el tubo de Fresnel.
La absorbancia es la capacidad de almacenar la energía recibida y emitir la menos
posible. Sería al igual que en los colores, el negro sería el de mayor absorbancia
(90- 98%) y menor transmitancia en contraste al blanco con mayor transmitancia y
menor absorbancia (14-20%) Son inversas proporcionalmente.
Transmitancia = P / P0 Donde:
T = Transmitancia. P = Intensidad de la luz transmitida. P0 = Intensidad de
la luz incidente.
La absorbancia se define como el logaritmo negativo de la transmitancia, y se
observa que la absorbancia y la transmitancia tienen una relación inversa:
Absorbancia = -log ( T ) = -log ( P ⁄ P0 )
(González, 2010)
c) Tubo absorbedor:
Ubicado en el foco de la parábola para mejor captación de la luz y aumento en
la transformación de calor, está compuesto:
1) Tubo absorbedor: hecho
generalmente de acero inoxidable
recubierto con algún material con el
que el líquido térmico de su interior
pueda circular correctamente.
2) Tubo de vidrio: Con recubrimientos
antirreflexivos para una mejor
transmisión del calor evitando la
pérdida de energía por formación de
imagen. Uso del efecto invernadero en su interior, además que el vacío entre
ambos tubos suprime el escape de calor del líquido de trabajo.
3) Dilatador o fuelle: absorbe dilataciones térmicas.
4) Getter: Mantiene el vacío entre ambos tubos.
(Abengoa Solar, 2015)
d) Generador de electricidad
Turbina de vapor:
El vapor de agua choca violentamente contra las aspas de la turbina donde la
presión es utilizada para que éstas giren más rápido. (González, sf)
Una turbina de vapor es una turbomáquina motora, que transforma la energía de
un flujo de vapor en energía mecánica a través de un intercambio de cantidad de
movimiento entre el fluido de trabajo (entiéndase el vapor) y el rodete, órgano
principal de la turbina, que cuenta con palas o álabes los cuales tienen una forma
particular para poder realizar el intercambio energético. Las turbinas de vapor
están presentes en diversos ciclos de potencia que utilizan un fluido que pueda
cambiar de fase, entre éstos el más importante es el Ciclo Rankine, el cual genera
el vapor en una caldera, de la cual sale en unas condiciones de elevada
temperatura y presión. En la turbina se transforma la energía interna del vapor en
energía mecánica que, típicamente, es aprovechada por un generador para
producir electricidad En una turbina se pueden distinguir dos partes, el rotor y el
estator. El rotor está formado por ruedas de álabes unidas al eje y que constituyen
la parte móvil de la turbina. El estator también está formado por álabes, no unidos
al eje sino a la carcasa de la turbina. (Fernández, 2005)
e) Motor:
Se trata de una máquina que se encarga de
convertir la energía eléctrica en energía mecánica
a través de la acción de los campos magnéticos
producidos por bobinas.
Pueden funcionar a la inversa, es decir no
solamente pueden ser utilizados para transformar
energía eléctrica en mecánica. También pueden
funcionar como generadores de electricidad.
(Mecafix, 2018)
f) Termodinámica
Ciclo de Carnot.
El ciclo de Carnot consiste en dos procesos donde con temperatura constante
donde la energía calorífica sea igual a 0 y por tanto la temperatura interna sea
igual al trabajo, esto quiere decir que toda la energía sería ocupada y nada sería
desperdiciado. Por tanto habría ciclos reversibles y la entropía no amentaría. Esto
no es posible, pues en todo sistema termodinámico hay un porcentaje de entropía,
o energía que es no es aprovechada y ésta tiende a aumentar.
El ciclo establece el uso ideal de la energía obtenida resultada en trabajo. No es
viable pues el calor es casi desconsiderable.
(Olmo, 2005)
Entalpia:
Es la energía transferida en forma de calor por un sistema a presión constante,
aun cuando el calor no es una propiedad del sistema, sí es una medida del cambio
en una propiedad fundamental del sistema en el momento que los procesos
ocurren manteniendo la presión constante.
La energía térmica útil recibida por el reflector viene dada, en términos de
incremento entálpico que experimenta el fluido de trabajo en el sistema, por:
(Qutil= Qm x H (Qsalida-Qentrada)
(Garritz, 2005)
Capacidad calorífica
La capacidad calorífica específica es la cantidad de energía necesaria para que un
gramo de sustancia eleve un grado centígrado su temperatura.
Si consideramos los procesos que ocurren a presión constante, hablamos de la
capacidad calorífica específica a presión constante (Cp). Mientras mayor sea la
capacidad calorífica específica de un sistema, mayor cantidad de energía se
requiere para elevar su temperatura. de la materia La capacidad calorífica
específica es igual al calor (q) dividido por el cambio en la temperatura (▲T Tf-Ti )
multiplicado por la masa.
La capacidad calorífica específica siempre será positiva, porque la masa es
siempre positiva, y q y ▲T son positivos los dos, o negativos los dos. Cuando el
calor es negativo significa que el sistema ha transferido energía hacia los
alrededores. Eso quiere decir que la temperatura del sistema disminuye y ▲T es
negativo. Si el calor es positivo es porque los alrededores han transferido energía
al sistema, su temperatura aumenta como consecuencia y ▲T es positivo.
(Garritz, 2005)
Características termodinámicas del agua:
“Se estima que cada 1000 m de altura el punto de ebullición del agua varía
3ºC. A nivel del mar el agua hierve a 100º C. En el DF, entre 94 y 95ºC, y en la
cumbre del Everest, a 8,850 msnm (multiplicamos 8x3=24), hervirá a unos 75ºC.”
(Xicoténcatl. A ,2011)
Eficiencia energética:
Para 2015 se esperaba asistir a la instalación anual de un mínimo de energía solar
térmica de concentración de 566 MW bajo un modelo conservador, hasta 6.814
MW (6,8GW) anualmente bajo un escenario avanzada el mundo podría tener una
potencia de energía solar combinada de más de 68 GW para el año 2020 y de 830
GW para 2050, con un despliegue anual de cerca de 41 GW, que representaría
entre el 1 y el 1,2% de la demanda global para 2020 y saltaría a 8,5 - 11,8% en
2050. En el escenario moderado los resultados económicos serían de más de
92.000 millones de euros en inversiones y de más de un millón de puestos de
trabajo al año.
En 2020, el ahorro en emisiones de dióxido de carbono sería de 148 millones de
toneladas de CO2 anuales. Aumentarían hasta 2.100 millones de toneladas en
2050. Bajo un escenario avanzado de desarrollo de la industria, con altos niveles
de eficiencia energética, la energía solar térmica de concentración podría
abastecer hasta el 7% de las necesidades mundiales para 2030 y hasta un tercio
para 2050.
(Short. R, 2009)
Objetivos:
Objetivo general:
1) Elaboración de una planta termo solar de concentración funcional con las
características de temperatura, altitud, latitud y calidad del aire de la Ciudad
de México que sea capaz de prender un led usando como fuente de
energía vapor producido con luz solar.
Objetivos específicos:
1) Lograr el ensamblaje sea llevado a cabo sin piezas prefabricadas.
2) Mantener su funcionalidad con materiales de bajo costo y obtención
accesible.
3) Evitar en lo posible perdidas de energía por imagen y transmisión.
4) Hacer el proceso semiautomático.
Planteamiento del problema:
El constante crecimiento poblacional ha creado una mayor demanda energética
pues actualmente la generación de ésta se está volviendo insuficiente, además
que compromete la sustentabilidad y la calidad del ambiente, así como nuestra
disposición de recursos como combustibles fósiles; el gas, petróleo y carbón
haciendo necesaria la construcción de alternativas más amigables con el ambiente
tanto en reducir la emisión de gases de efecto invernadero como el uso de las
energías renovables como, en este caso, la solar, de la que hacemos uso en este
proyecto calentando agua que pasa a través de un sistema para producir
electricidad.
Hipótesis:
Si el armado del sistema solar térmico de concentración es eficiente y la cantidad
de calor recibida es aprovechada por el sistema como debería de ocurrir entonces
este será capaz de generar energía y transmitirla a un led. Esto quiere decir que si
el foco formado por los espejos sobre el tubo de cobre, calienta este y el agua en
su interior para que ésta última pase a ser vapor y accionada con el embolo salga
a presión suficiente para hacer funcionar una turbina conectada a unos engranes
que harán trabajar un motor entonces este producirá la electricidad necesaria para
prender un led.
Procedimiento:
Materiales:
• 1 motor 12v
• 1 recipiente plástico rectangular con tapa
• 1 cubeta de 20 L partida por mitad sin fondo color blanco
• 12 espejos de 10x10 cm
• 4 espejos de 10x5
• 1 corcho
• 1/2botella de plástico
• 1/2 tubo de cobre ½ inc 50 cm de largo
• 1 engranaje de 60 dientes, 7.4 cm diámetro
• 1 engranaje 2.4 cm diámetro
• Polea 15.5 cm diámetro
• 2m alambre precocido
• 1 jeringa vidrio de 5 mL de doble cámara
• Silicón caliente
• Soldadura eléctrica
• 3 ganchos metálicos
• 1 Base metálica
• 1 Manguera de plástico
• 1 Led.
• 1 Boquilla de cobre de 0.5 In.
• 2 tapones de caucho de1.5 cm de diámetro con perforación al centro.
• Cinta aislante.
• Base metálica, acero 35cm
Sustancias:
1) Agua
Procedimiento general:
Para el reflector:
1. Dividir la media cubeta en dos partes iguales de manera vertical.
2. Colocar los espejos de 10x10cm de manera alineada (6 por media cubeta,
en dos filas de 3 espejos)
3. Colocar los espejos de 5x10 cm (2 en cada mitad de la cubeta)
4. Se repite la operación en ambos lados de la cubeta.
5. Perforar pequeños orificios en dos esquinas de cada cubeta, esto para el
montado a la base.
Para la turbina de vapor:
1. Cortar la parte curva de la botella en 8 rectángulos, estas piezas serán las
aspas de las turbinas.
2. Hacer 8 cortes al corcho de manera vertical donde embonaran las aspas.
3. Pegar las aspas al corcho.
4. Embonar el corcho por su superficie inferior al engrane grande,
5. En el recipiente plástico hacer dos orificios conectados por una abertura,
esta deberá ser del ancho de la polea para poder introducir esta.
6. Conectar la polea del engrane mayo al menor.
7. Unir el extremo del motor al centro del engrane menor.
8. Perforar el recipiente por debajo, esto para que se drene el agua luego que
el vapor se condensara.
9. Conectar a la manguera de plástico al orificio hecho anteriormente y sellar
con silicón para prevenir fugas.
10. Perforar al recipiente un círculo de 0.5 In por un costado al centro, esto para
introducir la boquilla de cobre del tubo absorsor.
11. En la tapa del recipiente perforar un pequeño orificio donde se pueda
introducir una varilla de plástico como soporte auxiliar de la turbina, para
que esta tenga espacio suficiente para girar adecuadamente.
Para el tubo Absorsor:
1) Por un extremo del tubo colocar un tapón de caucho y a continuación la
boquilla de cobre, esto para que la presión de salida de vapor aumente.
2) En el otro extremo, colocar el tapón de corcho.
3) Colocar la jeringa sin embolo en el orificio del tapón anterior.
4) Colocar la manguera de plástico en la jeringa, para cerrar el sistema y se
reutilice la mayor cantidad de agua posible.
5) Con alambre precocido cortar dos segmentos de 40 cm y girar sobre los
extremos del tubo para posteriormente montarlos a la base.
Montado:
1) Torcer ambos extremos del alambre para fijar el tubo a la base,
2) Dejar libres 20 cm para ensamblar el alambre por los dos orificios hechos
anteriormente a cada mitad de reflector.
3) Pasando por debajo de los reflectores y la base metálica el alambre para
asegurar el sistema.
4) Ensamblar las piezas faltantes.
5) Conectar el led a cada lado correspondiente del motor.
(Reflector A y B
tienen la misma
composición)
Imagen1.2: Parte A del
Reflector.
Imagen1.1: Pegado
del cristal.
Imagen 2.0 Corcho, aspas y engranaje
grande
Imagen 3: Engrane pequeño (blanco) Engrane
grande (negro)
Imagen2.1 Turbina (con
recipiente abierto)
Resultados:
Se dejo el sistema al sol durante 5 horas, en este periodo el cobre alcanzó una
temperatura de 94°, después se le inyectaron 200 ml de agua, con el émbolo
impulsamos el vapor en un diámetro de media pulgada, a lo largo de 50 cm por lo
cual, con una velocidad inicial de 1.6 m/s salió a una de 3.7 m/s, haciendo girar la
turbina que luego convertirá el motor a electricidad logrando prender un led
durante 5 minutos.
Imagen 4: Ensamblaje Prueba 1.
Análisis de resultados:
Se comprobó la hipótesis, el tubo de cobre recibió el suficiente calor para poder
evaporar el agua, que esta saliera a presión e hiciera girar al motor, con una
fuerza suficiente como para generar la energía para prender un led durante 5
minutos. Esto nos comprueba como las energías limpias son una opción, que sólo
necesitan ser apoyadas y optimizadas para que tengan un gran impacto en el
mundo.
Conclusiones:
1) El uso de la energía solar para aplicaciones tecnológicas va en constante
desarrollo, por lo que es muy importante que se apoye y se ayude al
desarrollo de nuevos proyectos, sobre todo en países de centro América
donde cuentan con mejores condiciones para la instalación de plantas.
2)
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