Sistemas termo solares con concetración óptica
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Sistemas termoconversores solares con concentración óptica
Curso Pre-Congreso ISES-ANES
Universidad del Caribe31 de octubre al 2 de noviembre de 2013
Cancún, Quintana Roo, México
IER
concentración óptica
Isaac Pilatowsky FigueroaRoberto Best y Brown
[email protected], [email protected]
Coordinación de Refrigeración y Bombas de Calor, Departamento de Sistemas Energéticos, Instituto de Energías Renovables, Universidad Nacional Autónoma de
México
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Antecedentes de la conversión fototérmica
• Siglos VII y VIII A. C., las sacerdotisas
vestales romanas prendían fuego con
espejos cónicos (Plutarco).
• 212 A. C., Arquímides defiende Siracusa
de la flota romana (Galeno).
• 77 D. C., Los romanos usaban lentes
para prender fuego y cauterizar heridas
(Plinio).
• 1000, Proclus repite la hazaña de
Arquímides durante el sitio deArquímides durante el sitio de
constantinopla (Ioanne Zonaras).
• 1615, Salomon de Caux construye la
primera máquina solar a partir de
diversos estudios sobre la
condensación y expansión del vapor.
• Mitad del siglo XVII, Athanasius Kircher
intenta repetir los espejos quemantes
de Arquímides
• Finales del siglo XVII, von Tschirnhus
construye lentes para derretir metales
y cerámicas.
(Cortesía del Dr. Oscar Jaramillo Salgado)
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• 1695, Targioni y Averani tratan de fundir
diamante con un espejo concentrador.
• 1747, Buffon prende fuego a una celdas de
madera a 65 metros de distancia, con un
sistema de 168 espejos planos.
• 1744, Joseph Priestly produjo oxígeno
calentando oxido mercúrico con un
concentrador solar. Concluyo que el aire es
una mezcla de gases
• Lavoisier también usó concentradores
solares en sus experimentos.
•Horno Solar de Antoine Lavoisier
solares en sus experimentos.
• Bessemer (siglo XIX) usó concentradores
para fundir cobre y zinc.
• Augustin Bouchot entre 1864 y 1882
construyo varios concentradores cónicos
solares para mover máquinas de vapor.
• Ericsson, máquina con concentrador de
canal parabólico en 1870.
• En 1912 Shuman construyó una planta de
canal parabólico de 55 kW para bombear
agua en Egipto.
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� En la década de 1970 se llevan a cabo
investigaciones muy importantes
para generar electricidad mediante
sistemas de engría solar.
� 1991, primera central eléctrica
comercial con una capacidad de 354
MWe, basada sobre el concepto de
energía solar concentrada (en
California, Estados Unidos). Esta
planta fue erigida sobre un área de 7
Exposición Universal de París, 1882
Estos dispositivos fueron los precursores
de los colectores parabólicos modernos
planta fue erigida sobre un área de 7
kilómetros cuadrados y suministraba
a la red cerca de 800 millones de
KWh/año.
� Sin embargo, la mayoría de las
plantas de energía solar concentrada
en operación siguen siendo
prototipos o plantas de demostración
y requieren de importantes subsidios
para su operación.
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Los sistemas a concentración
En los sistemas a concentración, la radiaciónEn los sistemas a concentración, la radiaciónsolar incide sobre la abertura y es dirigida haciaun absorbedor de superficie mas pequeña. Loanterior se obtiene gracias a una o múltiplesreflexiones (sobre espejos) o refracciones ( através de lentillas, prismas, etc.).
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Consideraciones de utilización
• Para una temperatura dada en el absorbedor, siendo este más pequeño, las pérdidas térmicas son inferiores que en un captador solar plano con la misma abertura.
• Las temperaturas obtenidas son más elevadas, • Las temperaturas obtenidas son más elevadas, pudiendo alcanzar cerca de los 4000 °C.
• El peso o el costo del sistema se pueden reducir remplazando un absorbedor plano por un sistema a concentración y un absorbedor más pequeño.
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Inconvenientes• 1. La radiación difusa prácticamente es poco aprovechada. En los sistemas
a concentración elevada solo la radiación directa se concentra.
• 2. Las pérdidas ópticas pueden ser importantes, Debidas a los fenómenos de reflexión y de refracción y a las características geométricas del sistema.
• 3. Los sistemas a concentración elevada requieren de montajes ópticos precisos y por consecuencia costosos.
• 4. Es necesario mantener las cualidades ópticas del sistema ( oxidación, polvos, etc)
• 5. Los sistemas a concentración elevada tiene un campo estrecho, siendo • 5. Los sistemas a concentración elevada tiene un campo estrecho, siendo necesario de apuntar para captar la radiación directa, necesitando mecanismos de orientación.
• 6. En la mayoría de los casos, el flujo no se distribuye de manera uniforme sobre el absorbedor.
• 7. El absorbedor esta sujeto a grandes variaciones de temperatura durante los pasajes de nubes.
La selección del captador a concentración resulta de un compromiso que debe tener en cuenta no solamente la propiedades del captador si no las del sistema en el cual se integra.
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A. Concentrador: Dispositivo óptico que permite concentrar la radiación sobreel absorbedor. Los concentradores se clasifican a). en lineales o a dosdimensiones, los cuales. concentran la radiación alrededor de una línea(cilindros y conos) y los b) puntuales de tres dimensiones, los cualesconcentran la radiación alrededor de un punto; estos sistemas presentan unasimetría de revolución alrededor de un eje.
SISTEMAS TERMOCONVERSORES CON CONCENTRACIÓN ÓPTICA
DEFINICIONES
B . Abertura : La abertura del concentrador es la superficie plana que se apoyasobre sus bordes y a través de la cual pasa el rayo incidente.
C. Angulo de campo: Es el ángulo máximo donde un rayo incidente puedesepararse de la normal a la abertura para alcanzar interiormente elabsorbedor, limita el campo del concentrador. Aquí se supone que el campoes simétrico con respecto a la normal a la abertura. Sin embargo, existenconcentradores llamados asimétricos.
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D. Concentración: Local (Cx) = f(distribución espacial de la radiaciónincidente)
rauniformenconapertuIluminació
nIluminació
I
ICLocal
A
CX ==)(
.)(
perturannormaalaaIluminació
bsrbidanpromedioaIluminació
I
ICRadiación C
R ==.perturannormaalaaIluminacióIa
R
Geométrica (C)
orbedoráreadelabs
turaáreadeaper
A
ACGeométrica
C
a ==)(
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Principio de conservación de energía
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LIMITES DE LA CONCENTRACIÓN
En las aplicaciones de concentración de la radiación solar, el campo mínimo y
el diámetro aparente del sol son: θC = θS = 16’. A partir de un análisis óptico y
los balances de transferencia de calor por radiación, considerando los
factores de forma, se puede demostrar que, la concentración máxima de un
sistema a dos dimensiones es:
215sen
12 ==
C
didealCθ
en donde θC es el semi-ángulo o punto de rencuentro de sus dos
lados.
Y similarmente, para un sistema a tres dimensiones:
46165sen
123 ==
C
didealCθ
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( ) S TC
T
4/1
1
−=α
τργη
TEMPERATURA MÁXIMA EN EL ABSORBEDOR
( ) S
didealC
SC T
C
CT
3
1
−=
ε
ατργη
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.
1.- Características ópticas: espejos, lentillas, prismas, formando
imágenes, no-formando imágenes.
2.- Características geométricas: dos dimensiones y tres
CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONCENTRACIÓN
Criterios de Clasificación
2.- Características geométricas: dos dimensiones y tres
dimensiones.
3.- Modos de enfoque: fijos o periódicamente orientados,
móviles, alrededor de un eje, móviles alrededor de dos ejes.
4.- Posiciones relativas del absorbedor y del concentrador: según
que uno sea móvil con respecto al otro o que los dos se muevan.
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5.- La concentración determina la temperatura de
utilización.
: - conncentraciones débiles:
c~ 1-10 Tc ~ 150ºC
concentraciones moderadas:
c ~ 10-100 Tc ~ 300ºC
concentraciones fuertes:
c~ 100 Tc ~ 500ºC
Este método es más conveniente, ya que permite
seleccionar fácilmente el tipo de concentrador en
función del uso específico.
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Sistemas de seguimiento
Sistema de concentración a tresdimensiones ( puntuales)
Sistema de concentración a dosdimensiones ( lineales)
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ESPEJOS PARABÓLICOS
En el caso de la concentración geométrica de espejos parabólicos; se pueden
integrar absorbedores: a) cilíndricos, b) esféricos y c) planos.
Absorbedor cilíndrico: sistema a dos dimensiones.
x sensen2 ϕϕ
πdi
max
CC
2,=
dim
C
m Ca
xC 2,
sen
sen
sen
2
2
π
ϕ
θπ
ϕ
π===
68=maxC
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Absorbedor esférico: sistema a 3 dimensiones.
La concentración geométrica para un paraboloide de revolución con un absorbedor esférico se define como:
dimm C
a
xC 3,
2
2
2
2
2
4
sen
sen4
sen
4
ϕ
θπ
ϕ
π
π=== di
Ca3,22 4sen44 θππ
Cmax = 11540
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ABSORBEDOR PLANO: SISTEMA A DOS DIMENSIONES
1sen
)cos(sen−
+=
−=
C
Cmm
d
dxC
θ
θϕϕ
31
2
3
2
12,2, −= didmax CC
Cmax,sd = 106
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CONCENTRADORES PARABOLICOS COMPUESTOS (CPC)
Son sistemas que no forman imagen
del sol. Son estructuras especulares
interesantes en los sistemas a dos
dimensiones, pues tienen la
concentración ideal. Esto no está
confirmado en los sistemas de tres
dimensiones.di
C
max CAB
CDC 2,
sen
1===
θ
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tecnología de colectores tecnología de colectores parabólicos compuestosparabólicos compuestos
COMO ES LA INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON EL CPC
CAPTA LA RADIACIÓN DIRECTA Y DIFUSA
NO REQUIERE DE SEGUIMIENTO SOLAR
ABSORBEDOR CON CAMPANA
vidrio
Absorbedor
caja
aislamiento
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Lentes y lentillas
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EFICIENCIA TÉRMICA DE LOS CONCENTRADORES.
IA
TTCm
IA
Q
a
sfefP
a
U)( ,, −
==&
η
I
TTUFF
sfef
LR
)()(
,, −′−= ρταη
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![Page 24: Sistemas termo solares con concetración óptica](https://reader031.fdocuments.co/reader031/viewer/2022013115/55a3eaec1a28abd7378b4633/html5/thumbnails/24.jpg)
CONCENTRADORES SOLARES
![Page 25: Sistemas termo solares con concetración óptica](https://reader031.fdocuments.co/reader031/viewer/2022013115/55a3eaec1a28abd7378b4633/html5/thumbnails/25.jpg)
CONCENTRADORES SOLARES
![Page 26: Sistemas termo solares con concetración óptica](https://reader031.fdocuments.co/reader031/viewer/2022013115/55a3eaec1a28abd7378b4633/html5/thumbnails/26.jpg)
● 10 MW(e)
● 72,540 m2 de
Helióstatos
● Sal de nitrato
fundida a650ºC
APLICACIONES DE CONCENTRADORES SOLARES
● Almacenada a
290ºC
● 6 horas de
almacenamiento
● Conectada a la
red de 1996 a 1999
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Tecnologías solares
Captador de canal parabólico modular,(130 – 300 °C)
Captador de canal parabólico Con cubierta, (80-300 °C)
(130 – 300 °C)
Captador de canal parabólico (100-200°C)
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Tecnologías solares
Captador de canal con foco fijoCaptador de canal con foco fijo(100-200 °C)
Concentrador lineal tipo Fresnel(100-400 °C)
Concentrador de canal parabólicoCombinado :calor-potencia 80-150 °C
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Planta de generación de potencia con captadores solares cilindricos parabólicos
![Page 30: Sistemas termo solares con concetración óptica](https://reader031.fdocuments.co/reader031/viewer/2022013115/55a3eaec1a28abd7378b4633/html5/thumbnails/30.jpg)
Instalaciones
de generación
Electrica en
California, USA
![Page 31: Sistemas termo solares con concetración óptica](https://reader031.fdocuments.co/reader031/viewer/2022013115/55a3eaec1a28abd7378b4633/html5/thumbnails/31.jpg)
Aplicaciones varias de captadores solares cilindros parabólicos
![Page 32: Sistemas termo solares con concetración óptica](https://reader031.fdocuments.co/reader031/viewer/2022013115/55a3eaec1a28abd7378b4633/html5/thumbnails/32.jpg)
Unidades de disco parabólico con generador de motor Stirling
EL DISCO/STIRLING CONSISTE DE UN CONCENTRADOR SOLAR CON FOCO PUNTUAL ACOPLADO A UN MOTOR/GENERADOR.
![Page 33: Sistemas termo solares con concetración óptica](https://reader031.fdocuments.co/reader031/viewer/2022013115/55a3eaec1a28abd7378b4633/html5/thumbnails/33.jpg)
El horno solar de 1000 kWOdeillo, Francia
![Page 34: Sistemas termo solares con concetración óptica](https://reader031.fdocuments.co/reader031/viewer/2022013115/55a3eaec1a28abd7378b4633/html5/thumbnails/34.jpg)
Plantas solares de generación eléctrica de torre central
Pueden operar a temperaturas de 500 hasta 1500 °C.
127 < t < 2727 oc con 100 ≤ c ≤ 1500 con
seguidor solar en dos ejes
Un sistema de receptor central consisteen una serie de HELIOSTATOS , oespejos que rastrean el sol, los cualesreflejan la energía solar a una torreque tiene montado un receptor masgrande, la concentrada cantidad decalor que recibe el receptor, estransferida al fluido de trabajo.
![Page 35: Sistemas termo solares con concetración óptica](https://reader031.fdocuments.co/reader031/viewer/2022013115/55a3eaec1a28abd7378b4633/html5/thumbnails/35.jpg)
Sistema de Torre Central
![Page 36: Sistemas termo solares con concetración óptica](https://reader031.fdocuments.co/reader031/viewer/2022013115/55a3eaec1a28abd7378b4633/html5/thumbnails/36.jpg)
Los sistemas TC presentan tres configuraciones generales. En la primera, los
helióstatos rodean totalmente la torre y el receptor, que es cilíndrico, tiene una
superficie exterior para la transferencia térmica. En la segunda configuración, los
helióstatos están localizados la norte de la torre (si se trata del hemisferio norte), y
el receptor incluye al absorbedor para llevar a cabo la transferencia de calor
radiativa a los otros dos mecanismos de transferencia de calor. En la tercera
configuración, los helióstatos están localizados al norte de la torre, y el receptor es
un plano vertical que ve hacia el Norte y es donde se lleva a cabo la transferencia
radiativa.
![Page 37: Sistemas termo solares con concetración óptica](https://reader031.fdocuments.co/reader031/viewer/2022013115/55a3eaec1a28abd7378b4633/html5/thumbnails/37.jpg)
![Page 38: Sistemas termo solares con concetración óptica](https://reader031.fdocuments.co/reader031/viewer/2022013115/55a3eaec1a28abd7378b4633/html5/thumbnails/38.jpg)
Que horizonte nos gustaría ver ?