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
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)
• 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.
� 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.
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.).
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.
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.
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.
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 ==)(
Principio de conservación de energía
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
( ) S TC
T
4/1
1
−=α
τργη
TEMPERATURA MÁXIMA EN EL ABSORBEDOR
( ) S
didealC
SC T
C
CT
3
1
−=
ε
ατργη
.
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.
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.
Sistemas de seguimiento
Sistema de concentración a tresdimensiones ( puntuales)
Sistema de concentración a dosdimensiones ( lineales)
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
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
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
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
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
Lentes y lentillas
EFICIENCIA TÉRMICA DE LOS CONCENTRADORES.
IA
TTCm
IA
Q
a
sfefP
a
U)( ,, −
==&
η
I
TTUFF
sfef
LR
)()(
,, −′−= ρταη
CONCENTRADORES SOLARES
CONCENTRADORES SOLARES
● 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
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)
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
Planta de generación de potencia con captadores solares cilindricos parabólicos
Instalaciones
de generación
Electrica en
California, USA
Aplicaciones varias de captadores solares cilindros parabólicos
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.
El horno solar de 1000 kWOdeillo, Francia
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.
Sistema de Torre Central
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.
Que horizonte nos gustaría ver ?