anÁlisis del rendimiento Óptico y tÉrmico del …

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PROGRAMA ACADÉMICO DE INGENIERÍA EN ENERGÍA ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO ÓPTICO Y TÉRMICO DEL COLECTOR CILÍNDRO PARABÓLICO UTILIZADO EN LA PLANTA CCC AGUA PRIETA ll, SONORA. Tesina presentada como requisito parcial para optar al título de: Licenciado en Ingeniería en Energía Presenta: García Chávez Luis Angel Asesor interno: Dr. Éber Enrique Orozco Guillén Asesor externo: M.E.R. Francisco Guillermo Castro Valdés Agua prieta, Sonora; Diciembre del 2015 Universidad Politécnica de Sinaloa

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Page 1: ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO ÓPTICO Y TÉRMICO DEL …

PROGRAMA ACADÉMICO DE INGENIERÍA EN ENERGÍA

ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO ÓPTICO Y TÉRMICO DEL COLECTOR

CILÍNDRO PARABÓLICO UTILIZADO EN LA PLANTA CCC AGUA PRIETA ll,

SONORA.

Tesina presentada como requisito parcial para optar al título de:

Licenciado en Ingeniería en Energía

Presenta:

García Chávez Luis Angel

Asesor interno: Dr. Éber Enrique Orozco Guillén

Asesor externo: M.E.R. Francisco Guillermo Castro Valdés

Agua prieta, Sonora; Diciembre del 2015

Universidad Politécnica de Sinaloa

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2

Dictamen de aprobación

Page 3: ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO ÓPTICO Y TÉRMICO DEL …

3

Dedicatoria

La presente tesina se la dedico a mi madre, que gracias a su apoyo y consejos he

podido crecer como persona. Es la persona que me ha orientado por un buen

camino y que en todo momento se ha preocupado por brindarme los recursos

necesarios para alcanzar mis objetivos personales y académicos.

Page 4: ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO ÓPTICO Y TÉRMICO DEL …

4

Agradecimientos

A mi madre, por apoyarme en todo momento, por sus consejos y por la motivación

que siempre me ha dado para seguir adelante en mis metas.

A mis hermanos, quienes muchas veces me brindaron su apoyo y forman parte

importante en mi vida.

A mis amigos, por todas las experiencias que tuvimos durante este periodo y por

siempre brindarme su confianza y apoyo.

A los ingenieros de la planta CCC Agua Prieta II, por brindarme su apoyo durante

todo el periodo de mi estadía.

A mis maestros de la Universidad Politécnica de Sinaloa, por brindarme su tiempo

y todo el conocimiento que me ayudo a mi formación profesional.

Page 5: ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO ÓPTICO Y TÉRMICO DEL …

5

Resumen

El proyecto tiene como objetivo obtener el rendimiento del sistema del campo solar

de la planta CCC Agua Prieta II, para ello se tomara en cuenta un análisis óptico,

geométrico y térmico durante su proceso, es decir, desde la captación de los rayos

solares por los colectores hasta el aumento de temperatura provocado al fluido

térmico que pasa por el tubo absorbedor. En esta investigación es necesario realizar

un estudio detallado de las condiciones climatológicas de la zona, el

posicionamiento del sol con respecto a la superficie del terreno y además las

características físicas, químicas y mecánicas de los materiales de construcción

utilizados en la tubería y los colectores cilindro parabólico, los cuales pueden afectar

al correcto funcionamiento del sistema para el calentamiento del fluido. De igual

manera, para complementar y obtener datos adecuados se deben tomar en cuenta

varios recorridos al sitio para conocer los diferentes equipos que integran el campo

solar, así como la orientación geográfica y el arreglo que utilizan los colectores para

lograr la mayor captación solar. A partir de lo anterior, se aplican fundamentos físico-

matemáticos para relacionar los datos adquiridos y poder obtener el resultado de la

capacidad energética producida por el campo solar para la producción de vapor, el

cual se hará llegar a las turbinas para generar electricidad y satisfacer la demanda

energética en diferentes zonas del país. La finalidad del proyecto es realizar las

comprobaciones teóricas del rendimiento del colector en su proceso, antes de poner

en completo funcionamiento el campo solar.

Palabras clave: Rendimiento, Colector, Energía, Térmica.

Page 6: ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO ÓPTICO Y TÉRMICO DEL …

6

Abstract

The present project aims to obtain the global performance of solar field of the CCC

Agua Prieta II, for this has been taken into account a optical, geometrical and thermal

analysis during the process, that is, since capturing the Sun's rays by collectors to

the increase in temperature caused to thermal fluid flowing through the absorber

tube. In this research, it is necessary to make a detailed study about climatic

conditions of the area, the positioning of the Sun with respect to the surface of the

earth and also the physical, chemical and mechanical characteristics of the

construction materials used in pipe and cylindrical parabolic collectors, which can

affect the proper functioning of the system for fluid heating. Similarly, to complement

and to obtain appropriate data should be taken several walks on the site to know the

different equipment’s that make up the solar field, as well as the geographic

orientation and arrangement used by collectors to achieve the greater solar

capturing. Based on the above, physico-mathematical foundations apply to relate

the collected data and to obtain the result of energy capacity produced by the solar

field for the production of steam, which will be sent to the turbines for generating

electricity to supply the energy demand in different parts of the country. The purpose

of the project is to make theoretical checks of the collector performance in its

process, before being put up in fully operational the solar field.

Key words: Efficiency, Collector, Energy, Thermal.

Page 7: ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO ÓPTICO Y TÉRMICO DEL …

7

Índice

Resumen ................................................................................................................. 5

Abstract ................................................................................................................... 6

Lista de figuras ........................................................................................................ 9

Lista de tablas ......................................................................................................... 9

Introducción ........................................................................................................... 10

Capítulo 1. Marco contextual ................................................................................. 11

1.1. La empresa .............................................................................................. 11

1.1.1. Antecedentes históricos ..................................................................... 11

1.1.2. Descripción del departamento de trabajo .......................................... 12

1.1.3. Organigrama de CFE – Producción Región Noroeste ....................... 13

1.2. Planteamiento del problema ..................................................................... 13

1.3. Justificación .............................................................................................. 13

1.4. Objetivos .................................................................................................. 14

1.4.1. Objetivo general ................................................................................. 14

1.4.2. Objetivos específicos ......................................................................... 14

Capítulo 2. Marco teórico ...................................................................................... 15

2.1 Energía solar térmica ............................................................................... 15

2.2 Radiación solar ........................................................................................ 15

2.3 Colector solar cilindro parabólico ............................................................. 16

2.3.1. Reflector ............................................................................................ 16

2.3.2. Tubo absorbente ................................................................................ 16

2.3.3. Sistema de seguimiento solar ............................................................ 17

2.4. Estructura del campo solar Agua Prieta ................................................... 17

2.5 Capacidad mundial de plantas termosolares ........................................... 18

Capítulo 3. Metodología ........................................................................................ 19

3.1 Análisis óptico-geométrico ....................................................................... 20

3.2 Análisis térmico ........................................................................................ 21

Capítulo 4. Resultados y discusiones .................................................................... 26

4.1. Resultados ............................................................................................... 26

4.1.1. Coordenadas geográficas .................................................................. 26

4.1.2. Condiciones climatológicas ............................................................... 26

Page 8: ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO ÓPTICO Y TÉRMICO DEL …

8

4.1.2.1. Temperatura ................................................................................ 26

4.1.2.2. Radiación solar ........................................................................... 28

4.1.3. Recorrido solar .................................................................................. 28

4.1.4. Características de los materiales del sistema del campo solar ......... 29

4.1.4.1. Bombas principales de recirculación ........................................... 29

4.1.4.2. Colector cilindro parabólico ......................................................... 30

4.1.4.3. Tubo absorbedor ......................................................................... 31

4.1.4.4. Aceite térmico ............................................................................. 32

4.1.6. Análisis óptico .................................................................................... 34

4.1.6.1. Angulo de incidencia ................................................................... 34

4.1.6.2. Eficiencia óptica .......................................................................... 35

4.1.6.3. Energía absorbida ....................................................................... 36

4.1.7. Análisis térmico .................................................................................. 36

4.1.7.1. Energía útil .................................................................................. 36

4.1.7.2. Eficiencia térmica ........................................................................ 39

4.2. Discusiones .............................................................................................. 39

Capítulo 5. Conclusión y recomendación .............................................................. 40

Bibliografía ............................................................................................................ 41

Anexos .................................................................................................................. 44

Page 9: ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO ÓPTICO Y TÉRMICO DEL …

9

Lista de figuras

Fig. 1. Organigrama del departamento “Subgerencia Regional de Generación

Termoeléctrica Norpacífico”...…………………………………………………………..12

Fig. 2. Organigrama de la Gerencia Regional de producción Noroeste…...………13

Fig. 3. Vista área de la ubicación geográfica de CCC Agua Prieta II.....................26

Fig 4. Tendencia de la temperatura promedio mensual en Agua Prieta…………..27

Fig. 5. Recorrido solar el 21 de junio en CCC Agua Prieta II………......…………..29

Fig 6. Módulo del colector cilindro parabólico………………………………………...44

Fig 7. Conjunto de módulos cilindro parabólico………………………………………44

Fig. 8. Plano del campo solar…………………………………………………………..45

Lista de tablas

Tabla 1. Componentes del campo solar ................................................................ 18

Tabla 2. Temperatura promedio mensual de Agua Prieta 2005-2010. .................. 27

Tabla 3. Radiación normal directa mensual en Agua Prieta 2005-2010. ............... 28

Tabla 4. Características de las bombas principales de recirculación. ................... 30

Tabla 5. Características del colector solar Astro 180. ........................................... 30

Tabla 6. Características del absorbedor SCHOTT PTR 70. .................................. 31

Tabla 7. Características del aceite Therminol VP-1. ............................................. 32

Tabla 8. Características del aceite Therminol VP-1 a diferentes temperaturas. .... 32

Tabla 9. Ángulos de declinación y de incidencia de los días promedio de cada

mes. ...................................................................................................................... 34

Page 10: ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO ÓPTICO Y TÉRMICO DEL …

10

Introducción

Durante los últimos años la energía solar ha tenido un amplio estudio para la

creación y mejora de nuevas tecnologías que puedan aprovechar la radiación solar

que llega a nuestro planeta. Este tipo de energía tiene diferentes aplicaciones, sin

embargo, un uso muy común es en el área térmica para el calentamiento de fluidos

tanto en el sector industrial o doméstico, a través de colectores cilindro parabólico.

Las investigaciones sobre nuevas fuentes de energía son muy importantes para

conocer su funcionamiento y ventajas, ya que pueden funcionar como una gran

solución a las problemáticas ambientales que se encuentran actualmente en nuestro

planeta, mitigando los gases de efecto invernadero que producen el uso excesivo

de combustibles fósiles y que traen como consecuencia el cambio climático.

Actualmente, México está comenzado a tener un mayor interés en el desarrollo de

proyectos renovables para la producción de energía eléctrica, uno de ellos es la

planta CCC Agua Prieta ll ubicada en el estado de Sonora. Esta planta cuenta con

un campo solar de colectores cilindro parabólico que utilizan aceite térmico a altas

temperaturas para la producción de vapor, el cual se utiliza en la turbina de vapor

para generar electricidad y entregarla a la red eléctrica nacional.

En esta tesina, se muestra un análisis óptico, geométrico y térmico del sistema del

campo solar instalado en la planta de Agua Prieta con solamente resultados

teóricos, debido a que la etapa de pruebas de equipos, puesta en servicio y pruebas

de desempeño no fueron posibles durante el periodo de investigación. Para obtener

un análisis adecuado del sistema, es necesario realizar un estudio de diferentes

factores que intervienen en el proceso, como las características de construcción del

colector cilindro parabólico y las condiciones climatológicas de la zona de

instalación, principalmente radiación solar y temperatura, las cuales pueden llegar

a afectar el rendimiento del colector cilindro parabólico al momento de querer elevar

a la temperatura deseada el aceite térmico.

Page 11: ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO ÓPTICO Y TÉRMICO DEL …

11

Capítulo 1. Marco contextual

1.1. La empresa

1.1.1. Antecedentes históricos

La Comisión Federal de Electricidad (CFE), fue creada por el gobierno federal el 14

de agosto de 1937, con el objetivo de organizar y dirigir un sistema nacional de

generación, transmisión y distribución de energía eléctrica, basado en principios

técnicos y económicos, sin propósitos de lucro y con la finalidad de obtener con un

costo mínimo, el mayor rendimiento posible en beneficio de los intereses generales.

Los primeros proyectos de generación de energía eléctrica de CFE se realizaron en

Teloloapan (Guerrero), Pátzcuaro (Michoacán), Suchiate y Xía (Oaxaca), y Ures y

Altar (Sonora). En 1938 CFE tenía una capacidad de 64 kW, misma que, en ocho

años, aumentó hasta alcanzar 45 594 kW, hacia 1960 la CFE aportaba el 54% de

los 2308 MW de capacidad instalada en el país. Sin embargo, a pesar de los

esfuerzos de generación y electrificación, para esas fechas apenas 44% de la

población contaba con electricidad. Por eso el presidente Adolfo López Mateos

decidió nacionalizar la industria eléctrica, el 27 de septiembre de 1960.

En esa década la inversión pública se destinó en más de 50% a obras de

infraestructura. Se construyeron importantes centros generadores, entre ellos los de

Infiernillo y Temascal, y se instalaron otras plantas generadoras alcanzando, en

1971, una capacidad instalada de 7,874 MW. Al finalizar esa década se superó el

reto de sostener el ritmo de crecimiento al instalarse, entre 1970 y 1980, centrales

generadoras que permitieron alcanzar una capacidad instalada de 17,360 MW.

En los años 80 el crecimiento de la infraestructura eléctrica fue menor que en la

década anterior, principalmente por la disminución en la asignación de recursos a

la CFE. No obstante, en 1991 la capacidad instalada ascendió a 26,797 MW.

A inicios del año 2000 se tenía una capacidad instalada de generación de 35,385

MW, cobertura del servicio eléctrico del 94.70% a nivel nacional, una red de

transmisión y distribución de 614,653 km y más de 18.6 millones de usuarios. A

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12

Fig. 1. Organigrama del departamento “Subgerencia Regional de Generación

Termoeléctrica Norpacífico”. [3]

partir octubre de 2009, CFE es la encargada de brindar el servicio eléctrico en todo

el país. [1] Para el año 2014, la infraestructura de generación estaba integrada por

215 centrales, con 1,081 unidades de generación. En conjunto, la capacidad

instalada era de 54,374.7 MW. [2]

1.1.2. Descripción del departamento de trabajo

La Subgerencia Regional de Generación Termoeléctrica Norpacífico, tiene como

objetivo principal dirigir la operación de las centrales termoeléctricas y planeación

de los mantenimientos, administrando los recursos humanos y materiales para

alcanzar los objetivos negociados en los índices de gestión y aplicando las políticas

de calidad. También, es la encargada de coordinar la elaboración y asignación del

presupuesto de gasto de inversión y explotación de sus centrales eléctricas, así

como vigilar y controlar el ejercicio del mismo, aplicando la planeación estratégica y

operativa para lograr los objetivos de los indicadores clave de la subgerencia

regional. Además, valida y autoriza sus estados financieros. [3]

Page 13: ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO ÓPTICO Y TÉRMICO DEL …

13

1.1.3. Organigrama de CFE – Producción Región

Noroeste

1.2. Planteamiento del problema

Se comienzan a realizar las pruebas de puesta en servicio en la planta CCC Agua

Prieta ll por lo que es necesario tener conocimiento previo y teórico sobre los

sistemas instalados, sin embargo, la empresa todavía tiene escaza información

sobre el funcionamiento y rendimiento del colector cilindro parabólico para el

calentamiento del fluido.

1.3. Justificación

Actualmente es muy importante realizar investigaciones acerca de producción de

energía a través de sistemas que funcionan con fuentes renovables, en este caso

colectores cilindro parabólico, debido a que es necesario comenzar una transición

energética. A partir de ello, es posible conocer más acerca de su funcionamiento y

la cantidad de energía térmica que puede ser aprovechada para la generación de

electricidad.

La empresa necesita un análisis más detallado sobre el rendimiento del colector

cilindro parabólico, donde es importante estudiar sus materiales y las condiciones

climatológicas de la zona geográfica en la que se encuentra ubicada la planta CCC

Fig. 2. Organigrama de la Gerencia Regional de producción Noroeste. [3]

Page 14: ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO ÓPTICO Y TÉRMICO DEL …

14

Agua Prieta, porque son factores que intervienen para estimar la cantidad de

energía útil que entrega el colector cilindro parabólico seleccionado. Con este

análisis se podrán realizar comprobaciones teóricas del sistema previas a su

funcionamiento y así tener un mayor conocimiento de la eficiencia energética a la

que deberá estar trabajando durante su puesta en servicio.

1.4. Objetivos

1.4.1. Objetivo general

Obtener el rendimiento máximo del sistema utilizado en el campo solar de CCC

Agua Prieta II, analizando las condiciones climatológicas y características de los

materiales de construcción utilizados, para estimar la capacidad energética

producida por el sistema solar térmico.

1.4.2. Objetivos específicos

- Conocer los equipos y sistemas del campo solar térmico.

- Estudiar las condiciones climatológicas de la zona de instalación del sistema del

colector solar.

- Investigar las características físicas, químicas y mecánicas de los materiales de

construcción del colector cilindro parabólico.

-Realizar un estudio óptico, geométrico y térmico del colector cilindro parabólico.

- Obtener la cantidad de energía útil generada por el colector cilindro parabólico.

- Obtener la eficiencia del sistema instalado en el campo solar.

Page 15: ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO ÓPTICO Y TÉRMICO DEL …

15

Capítulo 2. Marco teórico

2.1 Energía solar térmica

La energía más abundante en el planeta Tierra es la radiación solar. El fenómeno

físico habitual en la superficie terrestre es la conversión de la energía radiante en

energía térmica mediante la interacción continua de los rayos luminosos con la

superficie de los objetos. Al ser un fenómeno físico directo, la inversión económica

en esta transformación energética puede llegar a ser poca.

Una instalación solar térmica se define como aquella que está constituida por un

conjunto de componentes encargados de captar la radiación solar y transformarla

directamente en energía térmica al cederla a un fluido de trabajo. Este tipo sistemas

térmicos se puede clasificar en base al rango de temperatura, siendo un sistema de

baja temperatura cuando es inferior a 100ºC, media temperatura entre 100ºC y

400ºC y alta temperatura mayor a 400°C. [4]

2.2 Radiación solar

Es la transferencia de energía generada por ondas electromagnéticas que se

produce directamente desde la fuente hacia fuera en todas las direcciones. La

longitud de onda y la frecuencia de las ondas electromagnéticas, son importantes

para determinar su energía, su visibilidad y su poder de penetración. [5]

Existen tres tipos de radiación, causadas por los efectos de reflexión, absorción y

difusión:

Radiación directa: Son aquellos rayos que alcanzan la superficie terrestre sin

ser desviados.

Radiación Difusa: Es la que llega a la superficie terrestre después de haber

cambiado varias veces de dirección al atravesar la atmósfera.

Radiación Reflejada: La parte de radiación reflejada por el terreno y otros

elementos de la superficie terrestre y que puede ser reabsorbida por otros

objetos.

Radiación total: Es la suma de la radiación directa, difusa y reflejada. [6]

Page 16: ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO ÓPTICO Y TÉRMICO DEL …

16

2.3 Colector solar cilindro parabólico (CCP)

Un CCP es un sistema que concentra la energía solar en una línea focal en el cual

se encuentra un receptor o tubo absorbente, en donde se hace circular un fluido de

transferencia térmica, como aceite térmico sintético. Todo el sistema debe de seguir

al sol con la finalidad de que la radiación solar incida perpendicularmente sobre la

superficie reflectora. [7]

El fluido puede lograr temperaturas de hasta 400°C mediante los rayos solares

concentrados y se bombea por una serie de intercambiadores térmicos para

producir un vapor sobrecalentado, que se convierte en energía eléctrica en un

generador de turbinas de vapor convencional, que puede integrarse en un ciclo

combinado de turbinas de vapor y gas. [8]

2.3.1. Reflector

La función del reflector cilindro parabólico es reflejar y concentrar sobre el tubo

absorbente la radiación solar directa que incide sobre su superficie. Se trata en

definitiva de un espejo curvado en una de sus dimensiones con forma de

parábola. La superficie reflectora generalmente se consigue a base de películas

o planchas de plata o aluminio depositadas sobre un soporte que le da suficiente

rigidez.

2.3.2. Tubo absorbente

El eje absorbente de un CCP puede constar de un tubo o, más frecuentemente,

de dos tubos concéntricos conocido como tubo al vacío. En este último caso,

el tubo interior, por el que circula el fluido, es metálico y el exterior hecho de

cristal. El tubo metálico lleva un recubrimiento selectivo que le proporciona

una elevada absortividad y una baja emisividad en el espectro infrarrojo, lo

que le proporciona un elevado rendimiento térmico.

El tubo de cristal que rodea al tubo interior metálico tiene como objetivo reducir

las pérdidas térmicas por convección en el tubo metálico y protegerlo de las

Page 17: ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO ÓPTICO Y TÉRMICO DEL …

17

inclemencias meteorológicas. El tubo de cristal suele llevar también un

tratamiento anti reflexivo en sus dos caras, para aumentar su transmisividad a la

radiación solar y, consiguientemente, el rendimiento óptico del colector.

2.3.3. Sistema de seguimiento solar

El colector cilindro parabólico puede contar con un mecanismo de seguimiento

solar que lo mueva a lo largo del día de acuerdo a la trayectoria que sigue el sol,

de esta manera es posible captar la mayor radiación posible en el día. El sistema

de seguimiento solar más común consiste en un dispositivo que gira los

reflectores cilindro parabólicos del colector alrededor de un eje. [7]

2.4. Estructura del campo solar Agua Prieta

Un módulo de colector de cilindro parabólico cuenta con 28 espejos curvos

formando una parábola, al juntar 12 módulos se forma un colector cilindro parabólico

completo. Además, están acomodados en dos conjuntos creando una hilera

compuesta de 24 módulos, estos se conectan en dos hileras para obtener 48

módulos y formar un lazo. El campo solar está compuesto por 2 grupos de 13 lazos

cada uno, sumando un total de 26 lazos, a través de los cuales se hace circular el

aceite. Un lazo dispone de un tubo absorbedor lineal sobre el que se concentra la

radiación solar calentando el fluido térmico (aceite). Todos los lazos retornan el

aceite caliente a una tubería colectora en común que lo transporta hasta el

generador de vapor.

Por lo tanto, el campo solar cuenta con un total de 104 colectores, que a su vez

suman 1 248 módulos y 34 944 espejos con un área total de 89 107.2 m2.

El colector debe seguir al Sol desde el amanecer (Este o 0°) hasta el atardecer

(Oeste o 180°). En realidad el recorrido completo del colector es 210°, desde su

posición de seguridad o abatimiento (-30°), hasta la posición que se alcanza al final

de la jornada solar (180°). [8]

Page 18: ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO ÓPTICO Y TÉRMICO DEL …

18

Tabla 1. Componentes del campo solar [8].

Componente Cantidad

Número de Lazos 26

Número de total colectores 104

Número total de módulos 1,248

Número total de espejos 34,944

Área total de espejos 89,107.2m2

2.5 Capacidad mundial de plantas termosolares

Alrededor del mundo se encuentran en operación proyectos de colectores

cilindro parabólico de entre 14 y 80 MWe, y las plantas existentes están

proporcionando una potencia eléctrica de hasta más de 500 MW. Desde los años

80 se desarrollaron en el sur de California nueve centrales y se conectaron a la

red, formando unos 2 millones de m2 de espejos, denominados sistemas solares

de generación de electricidad (SEGS). [9]

Actualmente, el mercado solar sigue siendo el menos establecido en comparación

con otros mercados de energías renovables. No obstante, el sector continuó en

2014, como lo hace desde hace casi una década, con su sólido

crecimiento[10].Durante el pasado año, cuatro nuevos proyectos, con una potencia

agregada de 0,9 GW, aumentaron la potencia total instalada a nivel mundial en un

27%, para alcanzar casi los 4,4 GW. En cinco años que van desde 2009 a 2014, la

capacidad mundial termosolar en funcionamiento ha crecido una media anual de un

46%, siendo los colectores cilindro parabólico el mayor porcentaje de capacidad

instalada.

En EE.UU. se ha registrado un año récord, aumentando la potencia termosolar en

operación de 0,9 GW a algo más de 1,6 GW. Las plantas que entraron en operación

comercial incluyen: la central de torre Ivanpah (377 MW), así como Mojave (250

MW) y la segunda fase del proyecto Génesis (125 MW, para un total de 250 MW),

Page 19: ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO ÓPTICO Y TÉRMICO DEL …

19

estas dos últimas, plantas de colectores cilindro-parabólicos. En EE.UU. se espera

la suma de mucha menos potencia en 2015, pues tan solo se espera la puesta en

marcha del proyecto de colectores cilindro-parabólicos Crescent Dunes de 100 MW.

Sin embargo, España sigue siendo el líder mundial en potencia instalada con una

potencia termosolar de 2,3 GW, a pesar del hecho de que no se haya instalado

potencia alguna en 2014.

Las principales empresas termosolares en 2014 fueron Abengoa, Acciona, ACS

Cobra, Elecnor, Sener/Torresol Energy y FCC (todas españolas); Brightsource y

Solar Reserve (Estados Unidos); ACWA International Power (Arabia Saudí); y

Schott Solar (Alemania). Todas participaron bien en una combinación de actividades

que incluyen el desarrollo de proyectos, construcción, propiedad, operación y

mantenimiento, y la fabricación. Actualmente, Abengoa Solar mantiene la cartera

más grande del mundo de plantas en operación o en construcción. [11]

Capítulo 3. Metodología

Durante la realización de la tesina primero fue necesario recopilar información de

fuentes primarias y secundarias para tener una investigación fundamentada de

diferentes autores, donde la primaria hace referencia a la información original

proveniente del autor como libros o revistas científicas y la secundaria a la

información que puede complementar la anterior a través de una síntesis o análisis.

Después de haber recopilado toda la información sobre las condiciones

climatológicas de la zona, las características químicas, físicas y mecánicas de los

materiales de construcción y los modelos matemáticos necesarios, se prosiguió a

realizar el análisis del sistema instalado en el campo solar.

Cabe mencionar que la metodología y el estudio realizado se analizaron tomando

como ejemplo un solo módulo del colector cilindro parabólico, el cual cuenta con 28

espejos curvos en forma de una parábola.

Page 20: ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO ÓPTICO Y TÉRMICO DEL …

20

3.1 Análisis óptico-geométrico

En este análisis es importante determinar la posición angular de los rayos solares,

por lo tanto es necesario conocer el ángulo de incidencia, donde para una superficie

horizontal es igual al ángulo cénit, el cual se obtiene mediante la Ec. 1.

𝑐𝑜𝑠θ𝑧 = 𝑐𝑜𝑠𝜙 𝑐𝑜𝑠𝜔 𝑐𝑜𝑠𝛿 + 𝑠𝑒𝑛𝜙 𝑠𝑒𝑛𝜔 Ec. 1

donde, 𝜙 es la altitud de la zona, 𝜔 la hora solar y 𝛿 la declinación. Para obtener la

declinación es necesario aplicar la siguiente ecuación:

𝛿 = 23.45𝑠𝑒𝑛 (

360(284 + 𝑛)

365)

Ec. 2

Donde, 𝑛 es el día del año.

A partir de lo anterior es posible conocer el ángulo de incidencia de la radiación para

cualquier fecha del año y diferente hora del día, esto servirá para que el colector

cilindro parabólico aproveche la mayor captación posible de radiación y trabaje a su

máxima eficiencia.

Ahora, para conocer el valor de la eficiencia óptica del colector se toman en cuenta

las características del espejo y del tubo receptor. En este caso, también es

importante tomar un factor de pérdidas geométricas, las cuales son provocadas por

la sombra que genera el tubo absorbedor sobre el colector. Por lo tanto, la ecuación

para obtener la eficiencia óptica del colector cilindro parabólico es la siguiente:

𝜂𝑜𝑝 = 𝜌𝛾𝜏𝛼𝐹𝑒 Ec. 3

donde, 𝜌 es la reflectividad del colector, 𝛾 es el factor de interceptación, 𝜏 es la

transmitancia, 𝛼 grado de absorción y 𝐹𝑒 el factor del área del colector efectiva. Este

último factor se obtiene de la siguiente manera:

𝐹𝑒 =

𝐴𝑎

𝐴𝑀 Ec. 4

donde, 𝐴𝑀 el área del módulo y 𝐴𝑎 es el área efectiva, la cual alcanza a enviar los

rayos solares al tubo receptor y se obtiene mediante la Ec. 5.

Page 21: ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO ÓPTICO Y TÉRMICO DEL …

21

𝐴𝑎 = 𝐴𝑀 − 𝐴𝐶 Ec. 5

𝐴𝑎 = (𝑎𝑀 ∙ 𝑙𝑀) − (𝜋 ∙ 𝐷𝑒𝑟 ∙ 𝑙𝑀)

Donde, 𝐴𝐶 es el área de la cubierta de vidrio, 𝑎𝑀 es el ancho del módulo, 𝐷𝑒𝑟 el

diámetro externo del tubo receptor y 𝐿𝑀 el largo del módulo.

A partir de lo anterior, es posible conocer la cantidad de radiación absorbida por

unidad de área en la parte sin sombra del módulo, la cual alcanza a llegar al tubo

receptor. Este valor se obtiene por medio de la siguiente ecuación:

𝑞 = 𝐼𝑏𝜂𝑜𝑝 Ec. 6

donde, 𝐼𝑏 es la radiación solar que llega a la ciudad.

3.2 Análisis térmico

Para conocer la energía que es aprovechada para el calentamiento del fluido

térmico, se desarrolla la siguiente ecuación:

𝑄𝑢 = 𝐹𝑅𝐴𝑎 [𝑞 −𝐴𝑒𝑎

𝐴𝑎 𝑈𝐿(𝑇𝑖 − 𝑇𝑎)] Ec. 7

Donde, 𝐹𝑅 factor de eliminación de calor del colector, 𝐴𝑎𝑒 el área externa del tubo

absorbedor, 𝑈𝐿 el coeficiente de perdidas, 𝑇𝑖 la temperatura de entrada del fluido y

𝑇𝑎 la temperatura ambiente.

Para obtener el valor de la energía útil, primero es necesario obtener 𝑈𝐿, tomando

en cuenta las pérdidas de calor 𝑄𝑙𝑜𝑠𝑠, las dimensiones de la tubería y la temperatura

ambiente y del tubo, mediante la siguiente ecuación:

𝑈𝐿 =𝑄𝑙𝑜𝑠𝑠

𝜋 ∙ 𝐷𝑒𝑎 ∙ 𝐿𝑇 ∙ (𝑇𝑒𝑎 − 𝑇𝑎) Ec. 8

donde, 𝐷𝑒𝑎 es el diámetro externo del tubo absorbedor, 𝐿𝑇 el largo del tubo receptor

y 𝑇𝑒𝑎 la temperatura externa del tubo absorbedor.

Page 22: ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO ÓPTICO Y TÉRMICO DEL …

22

Lo siguiente, es obtener el valor de factor de eliminación de calor 𝐹𝑅, el cual es una

función del flujo del aceite que puede hacer cambios en la eficiencia del colector, se

aplica la siguiente ecuación

𝐹𝑅 = 𝐹´ ∙ 𝐹´´ Ec. 9

donde, 𝐹´ es el factor de eficiencia del colector y 𝐹´´ el factor de flujo del colector

Primero es necesario obtener el valor de factor de eficiencia del colector 𝐹´, por

medio de la Ec. 10.

𝐹´ =

1𝑈𝐿

1𝑈𝐿

+𝐷𝑒𝑎

ℎ𝑓𝑖𝐷𝑖𝑎+ (

𝐷𝑜

2𝑘𝑇𝑙𝑛

𝐷𝑒𝑎

𝐷𝑖𝑎) Ec. 10

donde, 𝐷𝑖𝑎 el diámetro interior del tubo absorbedor, ℎ𝑓𝑖 el coeficiente de

transferencia de calor en el interior del tubo y 𝑘𝑇 la conductividad térmica del tubo

absorbedor a su temperatura de trabajo.

Sin embargo, al no tener el valor del coeficiente de transferencia del aceite

Therminol VP-1 a su temperatura de entrada de 302°C, antes de sustituir los valores

en la Ec. 10, es necesario obtenerlo de manera teórica aplicando la siguiente

metodología:

Primero se debe obtener las variables de la Ec. 11:

ℎ𝑓𝑖 =𝑁𝑢 ∙ 𝑘𝑎

𝐷𝑖𝑎 Ec. 11

donde, 𝑘𝑎 es la conductividad del aceite y 𝑁𝑢 es el número de Nusselt, el cual se

define en base al tipo de flujo dentro del tubo absorbedor, ya sea laminar o

turbulento por medio del rango del número de Reynolds. Por lo que primero es

necesario conocer su valor, a partir de la Ec. 12.

𝑅𝑒 = 𝜌𝑓𝑐̅𝐷𝑖𝑎

𝜇 Ec. 12

donde, 𝜌𝑓 es la densidad a la temperatura de trabajo del fluido y 𝑐̅ es la velocidad

Page 23: ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO ÓPTICO Y TÉRMICO DEL …

23

del fluido. [12] Este último valor se obtiene aplicando la siguiente ecuación de

mecánica de fluidos para la velocidad media en una tubería.

𝑐̅ =

4𝑄

𝜋𝐷𝑖𝑎2 Ec. 13

donde, 𝑄 es el caudal del aceite térmico proporcionado por las bombas

principales[13].

Para conocer la velocidad del flujo, es necesario tomar en cuenta la división de las

tuberías en el campo solar, el cual se compone de una tubería principal por la que

circula el aceite térmico a través de todo el campo, donde se va dividiendo de

manera proporcional en 26 líneas independientes para entrar a la tubería receptora

del colector cilindro parabólico. [8] Otro aspecto importante a considerar, es que el

sistema está diseñado para funcionar con dos bombas. Relacionando los aspectos

anteriores, la velocidad media en la tubería receptora es la siguiente:

𝑐̅ =4

(0.1662 𝑚3/𝑠 ∙ 2)26

𝜋(0.0679 𝑚)2

𝑐̅ = 3.530 𝑚/𝑠

Sustituyendo los valores en la Ec. 12, se obtiene el número de Reynolds:

𝑅𝑒 = (814.8 𝑘𝑔/𝑚3)(3.530 𝑚/𝑠)(0.0679𝑚)

(0.000219 𝑘𝑔/𝑚𝑠)

𝑅𝑒 = 891 766.975

En este caso el número de Reynolds es mayor a 4000, por lo tanto es un flujo

turbulento. Para este tipo de flujos el número de Nusselt se obtiene de la siguiente

manera:

𝑁𝑢 = (

𝑓8) (𝑅𝑒 − 1000)𝑃𝑟1

1 + 12.7√𝑓8 (𝑃𝑟1

23 − 1)

(𝑃𝑟1

𝑃𝑟2)

0.11

Ec. 14

donde, 𝑓 es un factor de fricción de la superficie interior del tubo absorbedor y 𝑃𝑟 el

número de Prandtl.

Page 24: ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO ÓPTICO Y TÉRMICO DEL …

24

Primero se debe calcular el factor 𝑓, donde se toma en cuenta el número de

Reynolds del fluido, aplicando la siguiente ecuación:

Después, el valor de 𝑃𝑟 se obtiene a partir de los parámetros del aceite térmico a

dos temperaturas diferentes, la primera en base a la temperatura inicial del aceite

térmico y la segunda a la temperatura interior del tubo 𝑇𝑖𝑎. [14] Estos valores son

obtenidos de la siguiente manera:

𝑃𝑟 =𝜈

𝛼 Ec. 16

donde, 𝜈 es la viscosidad cinemática del aceite Therminol VP-1 y 𝛼 su difusividad

térmica, valor que se obtiene a partir de la siguiente ecuación:

𝛼 =𝑘𝑎

𝜌𝑓𝐶𝑝 Ec. 17

donde, 𝐶𝑝 es el calor especifico del aceite.

Como se mencionó anteriormente, el número de Prandtl se obtiene para dos

temperaturas diferentes. Sin embargo, el valor de 𝑇𝑖𝑎 se desconoce, por lo que se

tiene que obtener de manera teórica a partir de la ecuación de transferencia de calor

por conducción de una tubería (cilindro).

�̇� =2𝜋𝐿𝑇𝑘𝑇(𝑇𝑒𝑎 − 𝑇𝑖𝑎)

𝑙𝑛𝐷𝑒𝑎

𝐷𝑖𝑎

Ec. 18

donde, �̇� es la velocidad de transferencia de energía. Despejando de la ecuación la

temperatura interna de la tubería 𝑇𝑖𝑎 queda de la siguiente manera

𝑇𝑖𝑎 = 𝑇𝑒𝑎 −�̇�𝑙𝑛 (

𝐷𝑒𝑎

𝐷𝑖𝑎)

2𝜋𝐿𝑇𝑘𝑇

Ec. 19

𝑓 = (1.82𝑙𝑜𝑔10(𝑅𝑒) − 1.64)−2 Ec. 15

Page 25: ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO ÓPTICO Y TÉRMICO DEL …

25

Para conocer la cantidad de flujo de transferencia de calor �̇� que se encuentra en

todo el tubo absorbedor y que de igual manera será transferida hacia el interior del

tubo, se aplica la siguiente ecuación:

�̇� = 𝑞(𝐴𝑒𝑎) Ec. 20

A partir de este dato �̇� ya es posible obtener 𝑇𝑖𝑎 y después 𝑃𝑟2. [15] Con lo anterior

se pueden sustituir todos los valores en la Ec. 14, para conocer el valor de Nusselt.

Al tener el número de Reynolds y el número de Nusselt, ya es posible obtener el

coeficiente de transferencia de calor en el interior del tubo, para después aplicarlo

a la Ec.10.

Lo siguiente, es continuar con el factor de flujo del colector 𝐹´´, para el cual se aplica

la siguiente ecuación utilizando las condiciones de temperatura de entrada del

fluido.

𝐹´´ =

�̇�𝐶𝑝

𝐴𝑎𝑖𝑈𝐿𝐹´[1 − 𝑒𝑥𝑝 (−

𝐴𝑟𝑈𝐿𝐹´

�̇�𝐶𝑝)]

Ec. 21

donde, �̇� es el flujo másico del fluido dentro de la tubería absorbedora y 𝐴𝑎𝑖 el área

interior del tubo absorbedor. [12] Para obtener este valor se aplica la siguiente

ecuación:

�̇� = 𝐴𝑟𝜌𝑓𝑐 ̅ Ec. 22

donde, 𝐴𝑟 es el área interna del tubo receptor. [15]

Al obtener el valor �̇�, es posible sustituir todos los valores en la Ec. 21 y así poder

multiplicar los valores de 𝐹´ y 𝐹´´, como se muestra en la Ec. 9

Finalmente para obtener el calor aprovechado para el calentamiento del aceite

térmico se utiliza la Ec.7. Al tener el calor útil, es posible sustituir todas las variables

en la Ec. 23, para obtener la eficiencia térmica del colector.

𝜂𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 =

𝑄𝑢

𝐼𝑏𝐴𝑀

Ec. 23

donde, 𝐼𝑏 es la radiación solar que llega al colector cilindro parabólico. [16]

Page 26: ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO ÓPTICO Y TÉRMICO DEL …

26

Capítulo 4. Resultados y discusiones

4.1. Resultados

4.1.1. Coordenadas geográficas

La planta se encuentra ubicada en “Ejido Agua Prieta” entre la carretera Federal

Agua Prieta - Nacozari, en el municipio de Agua Prieta, Sonora. Las coordenadas

geográficas del lugar son 31°15’38" latitud norte y 109°35’38" longitud oeste. [17]

Fig. 3. Vista área de la ubicación geográfica de CCC Agua Prieta II. [18]

4.1.2. Condiciones climatológicas

4.1.2.1. Temperatura

La mayor parte del área de Agua Prieta presenta un clima árido templado con lluvias

en verano y escasas a lo largo del año; a su vez, cuenta con una característica

ambiental seca. En la siguiente tabla se muestra un promedio mensual para las

temperaturas mínimas, medias y máximas de la ciudad Agua Prieta, Sonora. [17]

Page 27: ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO ÓPTICO Y TÉRMICO DEL …

27

Tabla 2. Temperatura promedio mensual de Agua Prieta 2005-2010. [19]

Temperatura (°C)

Mes Media Máxima Mínima

Enero 8.97 19.85 -5.15

Febrero 10.25 25.85 -1.15

Marzo 13.23 26.85 -1.15

Abril 16.63 28.85 3.85

Mayo 21.31 36.85 5.85

Junio 25.94 35.85 12.85

Julio 26.55 36.85 15.85

Agosto 25.07 33.85 15.85

Septiembre 23.42 32.85 12.85

Octubre 18.74 30.85 0.85

Noviembre 14.40 25.85 -4.15

Diciembre 9.79 22.85 -3.15

Anual 17.86 36.85 -5.15

La temperatura media mensual más baja se presenta en los meses de enero y

diciembre con valores de 8.97 °C y 9.79 °C, respectivamente. En junio y julio se

presentan los valores de temperatura media más altos de 25.94°C y 26.55 °C. La

temperatura media anual en la ciudad es de 17.86 °C.

Fig 4. Tendencia de la temperatura promedio mensual en Agua Prieta.

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Ener

o

Feb

rero

Mar

zo

Ab

ril

May

o

Jun

io

Julio

Ago

sto

Sep

tiem

bre

Oct

ub

re

No

viem

bre

Dic

iem

bre

Tem

per

atu

ra

Máxima

Media

Mínima

Page 28: ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO ÓPTICO Y TÉRMICO DEL …

28

4.1.2.2. Radiación solar

La ciudad de Agua Prieta, Sonora, es una de los lugares con mayor radiación solar

en México, razón por la cual se consideró una zona ideal para la instalación de un

campo solar que pudiera aprovechar toda esa cantidad de energía. De acuerdo, al

National Renewable Energy Laboratory (NREL) Agua Prieta cuenta con una

radiación normal directa anual de 803.12 W/m2, siendo enero y febrero los meses

con mayor radiación solar al año. [19]

Tabla 3. Radiación normal directa mensual en Agua Prieta 2005-2010. [19]

Mes Radiación (W/m2)

Enero 862.85

Febrero 865.73

Marzo 831.77

Abril 816.98

Mayo 793.65

Junio 759.66

Julio 717.29

Agosto 729.58

Septiembre 791.56

Octubre 834.64

Noviembre 802.01

Diciembre 831.75

Anual 803.12

4.1.3. Recorrido solar

En la figura 2, se aprecia un ejemplo del recorrido que hace el sol respecto a la

ubicación de los colectores para el dia 21 de junio del 2016, siendo el solsticio de

verano. Al tener los colectores cilindro parabólico una orientación de este-oeste, ese

día se tendrá la mayor capación solar posible exactamente a las 12:21 pm [20],

Page 29: ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO ÓPTICO Y TÉRMICO DEL …

29

debido a que el ángulo entre cada colector y el sol será totalmente perpendicular,

es decir, un ángulo de 90°.

Fig. 5. Recorrido solar el 21 de junio en CCC Agua Prieta II. [20]

4.1.4. Características de los materiales del sistema del

campo solar

4.1.4.1. Bombas principales de recirculación

Las bombas principales se encargan de recirculan el aceite Therminol VP-1 a través

de todo el campo solar, es decir, por medio de variadores de frecuencia son capaces

de manejar la velocidad de flujo necesaria por los colectores cilindro parabólico para

realizar el calentamiento y alcanzar la temperatura deseada, si se desea aumentar

la temperatura de salida del fluido la velocidad será disminuida, en el caso contrario

para disminuir la temperatura de salida se debe aumentar la velocidad del fluido.

Es un sistema de bombeo integrado por tres bombas centrifugas con un motor

eléctrico marca WEG, donde 2 de ellas deben de estar en funcionamiento y una de

reserva. Las características de las bombas se encuentran en la tabla 4. [21]

Page 30: ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO ÓPTICO Y TÉRMICO DEL …

30

Tabla 4. Características de las bombas principales de recirculación. [21]

Condiciones de diseño

Presión 14/35.6 barg

Temperatura 400 °C

Potencia 500 kW

Especificaciones técnicas (Condiciones de operación)

Tipo de fluido HTF

Caudal 118.37 kg/s – 0.1662 m3/s

Presión succión 11.4 barg

Presión descarga 29.7 barg

Temperatura 302 °C

Dimensiones

Longitud 4.3 m

Ancho 2.2 m

Altura 2.4 m

4.1.4.2. Colector cilindro parabólico

Se usa el colector solar de la empresa Abengoa Solar, en este caso el modelo Astro

180, conformado por espejos de la empresa RIOGLASS, siendo uno de los más

avanzado tecnológicamente. Además, por sus materiales de construcción el costo

de fabricación, instalación y mantenimiento resulta económico pero al mismo tiempo

garantiza el rendimiento óptimo del campo solar.

El diseño particular de este colector le permite una rotación de 180°, lo cual

garantiza la máxima captación solar desde que sale el sol hasta que se oculta. [22]

En la tabla 5 se muestran las principales características del colector solar Astro 180.

Tabla 5. Características del colector solar Astro 180. [8]

Número de módulos 12

Espejos por módulo 28 (7 de largo x 4 de ancho)

Page 31: ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO ÓPTICO Y TÉRMICO DEL …

31

Dimensiones de cada espejo 1.7m de largo x 1.5m de ancho

Longitud de módulo 11.9m

Longitud del colector (módulos y conexiones)

150m

Reflectividad 94.5%

Factor de intercepción 95%

4.1.4.3. Tubo absorbedor

El tubo absorbedor utilizado en el campo solar es un tubo de vacío con vidrio de

borosilicato, ocasionando un aumento eficiente de temperatura al aceite térmico

HTF, debido a que la cubierta de vidrio logra disminuir las pérdidas de calor.

El tubo de vacío proviene de empresa SCHOTT con el modelo PTR 70, el cual está

diseñado para trabajar con aceite térmico sintético a temperaturas de hasta 400 °C.

El tubo interior cuenta con un alto porcentaje de absorción, capaz de obtener una

gran cantidad de radiación solar para convertirla en energía térmica. [23]

Tabla 6. Características del absorbedor SCHOTT PTR 70. [23], [24]

Absorbedor

Grado de absorción directa 95 %

Diámetro externo 70 mm

Diámetro interno 67.9 mm

Grosor de la pared 2.1 mm

Conductividad térmica (400°C) 21 W/m°C

Cubierta de cristal

Transmitancia 97 %

Diametro externo 125 mm

Page 32: ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO ÓPTICO Y TÉRMICO DEL …

32

4.1.4.4. Aceite térmico

El medio transportador de calor del campo solar hasta el intercambiador de calor

con el agua para la producción de vapor, es un aceite térmico o aceite HTF (Heat

Transfer Fluid). El aceite que se utiliza en el sistema solar es el Therminol VP-1.

Se seleccionó este aceite porque se considera un fluido con alta estabilidad térmica,

debido a que su temperatura en fase líquida va desde los 12°C hasta los 400°C.

Además tiene muy baja viscosidad, lo que le favorece para tener una mejor

circulación a través de la tubería. [25]

A continuación, en la tabla 7 se muestran las principales características térmicas,

mecánicas y químicas del aceite Therminol VP-1, además en la tabla 8 se puede

observar su comportamiento específico para diferentes temperaturas de trabajo.

Tabla 7. Características del aceite Therminol VP-1. [26]

Composición Difenilo/óxido de definilo

Apariencia Líquido claro sin sedimentos

Temperatura máxima en masa 400°C

Temperatura máxima de película 430°C

Viscosidad cinemática (40°C) 2.48 mm2/s

Densidad (15°C) 1068 kg/m3

Punto de destello (vaso cerrado) 110°C

Temperatura de inflamabilidad 127°C

Temperatura de autoignición 621°C

Punto de vertido 12°C

Punto de ebullición (1013 mbar) 257°C

Coeficiente de expansión térmica 0.00097 /°C

Peso molecular medio 166

Tabla 8. Características del aceite Therminol VP-1 a diferentes temperaturas. [26]

Temperatura °C

Densidad 𝑘𝑔

𝑚3⁄

Conductividad térmica 𝑊

𝑚. °𝐶⁄

Calor especifico 𝑘𝐽

𝑘𝑔. °𝐶⁄

Viscosidad dinámica

𝑘𝑔𝑚𝑠⁄

Viscosidad cinemática

𝑚𝑚2

𝑠∗∗⁄

Entalpía 𝑘𝐽

𝑘𝑔⁄

Calor vapor latente 𝑘𝐽

𝑘𝑔⁄

12 1071 0.137 1.523 0.00548 5.12 0 419.0

20 1064 0.136 1.546 0.00429 4.03 12.3 414.7

Page 33: ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO ÓPTICO Y TÉRMICO DEL …

33

30 1056 0.135 1.575 0.00328 3.10 27.9 409.3

40 1048 0.134 1.604 0.00260 2.48 43.8 403.9

50 1040 0.133 1.633 0.00212 2.03 60.0 398.6

60 1032 0.132 1.662 0.001761 1.707 76.4 393.3

70 1024 0.131 1.690 0.001492 1.458 93.2 388.1

80 1015 0.130 1.719 0.001284 1.265 110.3 382.9

90 1007 0.129 1.747 0.001119 1.111 127.6 377.8

100 999 0.128 1.775 0.000985 0.986 145.2 372.7

110 991 0.126 1.803 0.000875 0.884 163.1 367.6

120 982 0.125 1.831 0.000784 0.798 181.3 362.6

130 974 0.124 1.858 0.000707 0.726 199.7 357.5

140 965 0.123 1.886 0.000642 0.665 218.4 352.6

150 957 0.121 1.913 0.000585 0.612 237.4 347.6

160 948 0.120 1.940 0.000537 0.566 256.7 342.7

170 940 0.118 1.968 0.000494 0.526 276.2 337.7

180 931 0.117 1.995 0.000457 0.491 296.0 332.8

190 922 0.115 2.021 0.000424 0.460 316.1 327.9

200 913 0.114 2.048 0.000395 0.432 336.5 323.0

210 904 0.112 2.075 0.000368 0.407 357.1 318.0

220 895 0.111 2.101 0.000345 0.385 378.0 313.0

230 886 0.109 2.128 0.000324 0.366 399.1 308.0

240 877 0.107 2.154 0.000305 0.348 420.5 303.0

250 867 0.106 2.181 0.000288 0.332 442.2 297.9

260 857 0.104 2.207 0.000272 0.317 464.1 292.7

270 848 0.102 2.234 0.000258 0.304 486.3 287.5

280 838 0.100 2.260 0.000244 0.292 508.8 282.2

290 828 0.098 2.287 0.000232 0.281 531.6 276.8

300 817 0.096 2.314 0.000221 0.271 554.6 271.2

302 814.8 0.0958 2.319 0.000219 0.269 559.2 270.0

310 806 0.095 2.341 0.000211 0.262 577.8 265.6

320 796 0.093 2.369 0.000202 0.254 601.4 259.7

330 784 0.091 2.397 0.000193 0.246 625.2 253.8

340 773 0.089 2.425 0.000185 0.239 649.3 247.6

350 761 0.086 2.454 0.000177 0.233 673.7 241.3

360 749 0.084 2.485 0.000170 0.227 698.4 234.7

370 736 0.082 2.517 0.000164 0.222 723.4 227.8

380 723 0.080 2.551 0.000158 0.218 748.8 220.7

388 711.8 0.078 2.580 0.000153 0.2148 769.28 214.7

390 709 0.078 2.588 0.000152 0.214 774.4 213.2

399.98 694.03 0.076 2.627 0.000146 0.211 800.4 205.3

400 694 0.076 2.628 0.000146 0.211 800.5 205.3

Page 34: ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO ÓPTICO Y TÉRMICO DEL …

34

4.1.6. Análisis óptico

4.1.6.1. Angulo de incidencia

Es necesario determinar la posición angular de la radiación, por lo tanto se buscará

el ángulo de incidencia del campo solar de Agua Prieta. Para el estudio se

seleccionó un día promedio mensual del año, el 17 de enero.

Para poder desarrollar la ecuación se tiene que la altitud de la ubicación del campo

solar es 𝜃 = 31.27° y para la hora solar se manejará a las 12:00 p.m. 𝜔 = 0°, debido

a que en esa hora los rayos del sol se encuentran de manera perpendicular sobre

la superficie. Al aplicar la Ec. 2 se obtiene lo siguiente:

𝛿 = 23.45𝑠𝑒𝑛 (360(284 + 17)

365)

𝛿 = −20.917

A partir de lo anterior, es posible sustituir los valores en la Ec. 1 para obtener el

ángulo de incidencia.

𝑐𝑜𝑠θz = 𝑐𝑜𝑠31.27 𝑐𝑜𝑠0 cos (−20.917) + 𝑠𝑒𝑛31.27 𝑠𝑒𝑛0

𝑐𝑜𝑠θz = 0.80

θz = 38.36°

Para obtener la declinación y el ángulo de incidencia de los demás días promedio

de cada mes, simplemente se aplican las ecuaciones 1 y 2, siguiendo la misma

metodología y utilizando el valor de 𝑛 correspondiente. Los resultados obtenidos

para cada dia promedio se presentan en la tabla 9.

Tabla 9. Ángulos de declinación y de incidencia de los días promedio de cada mes.

Mes Día

promedio N Declinación Ángulo de incidencia

Enero 17 17 -20.917 37.022

Febrero 16 47 -12.955 33.594

Marzo 16 75 -2.418 31.354

Abril 15 105 9.415 32.519

Mayo 15 135 18.792 35.985

Junio 11 162 23.086 38.161

Page 35: ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO ÓPTICO Y TÉRMICO DEL …

35

Julio 17 198 21.184 37.158

Agosto 16 228 13.455 33.770

Septiembre 15 258 2.217 31.341

Octubre 15 288 -9.599 32.567

Noviembre 14 318 -18.912 36.042

Diciembre 10 344 -23.050 38.141

4.1.6.2. Eficiencia óptica

Las perdidas ópticas generadas en el proceso de calentamiento del fluido, es debido

a las imperfecciones que se encuentran en los espejos del colector cilindro

parabólico por ejemplo suciedad o rayaduras, las cuales impiden que parte de la

radiación no sea reflejada sobre el tubo absorbedor. Sin embargo, actualmente los

colectores se encuentran en buen estado, debido a que el sistema está recién

instalado. Para obtener la eficiencia óptica del colector, se aplica la Ec.3. Sin

embargo, es importante obtener la fracción del área efectiva del módulo de la Ec. 4,

donde a partir de las características del colector y la tubería receptora que se

encuentran en la tabla 5 y 6, respectivamente, se obtiene lo siguiente:

𝐴𝑎 = (6𝑚 ∙ 11.9𝑚) − (𝜋 ∙ 0.125𝑚 ∙ 11.9𝑚)

𝐴𝑎 = (71.4𝑚2) − (4.673𝑚2)

𝐴𝑎 = 66.727 𝑚2

𝐹𝑒 =66.727𝑚2

71.4𝑚2

𝐹𝑒 = 0.934

Finalmente, el rendimiento óptico del módulo se obtiene aplicando la Ec. 3:

𝜂𝑜𝑝 = (0.945)(0.95)(0.97)(0.95)(0.934)

𝜂𝑜𝑝 = 0.772 = 77.2%

Page 36: ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO ÓPTICO Y TÉRMICO DEL …

36

4.1.6.3. Energía absorbida

Como se muestra en la tabla 1, la radiación anual directa que incide en la ciudad de

Agua Prieta, Sonora es de 803.12 W/m2. Tomando en cuenta este valor es posible

obtener la radiación absorbida por el módulo a partir de la Ec. 6.

𝑞 = (803.12 𝑊/𝑚2)(0.772)

𝑞 = 620.551 𝑊/𝑚2

4.1.7. Análisis térmico

4.1.7.1. Energía útil

Este valor se obtiene a partir de la Ec. 7, para ello es necesario ir obteniendo las

variables que se encuentra en ella y al final relacionar los valores obtenidos.

Para obtener el coeficiente de pérdidas de la Ec. 8, se toma en cuenta que las

pérdidas de calor teóricas de la tubería absorbedora durante su funcionamiento a

400°C son de 250 W/m y la temperatura ambiente en Agua Prieta es de 17.86°C.

𝑈𝐿 =(250 𝑊/𝑚)(11.9 𝑚)

𝜋 ∙ 0.070 𝑚 ∙ 11.9 𝑚 ∙ (400°𝐶 − 17.86°𝐶)

𝑈𝐿 = 2.975 𝑊/𝑚2°𝐶

De igual manera, es importante obtener el factor de eficiencia del colector cilindro

parabólico de la Ec. 10, donde la única variable que falta es el coeficiente de

transferencia de calor. Por lo tanto, se puede conocer empezando por obtener el

número de Nusselt, de acuerdo a la metodología mostrada anteriormente.

𝑓 = (1.82𝑙𝑜𝑔10(891 766.975) − 1.64)−2

𝑓 = 0.011

En el caso de 𝑃𝑟1, se evalúa con las características del aceite térmico a su

temperatura inicial de 302°C, mostradas en la tabla 8.

𝛼1(302 °𝐶) =0.095 𝑊/𝑚𝐾

814.8 𝑘𝑔/𝑚3(2319 𝐽/𝑘𝑔𝐾)

Page 37: ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO ÓPTICO Y TÉRMICO DEL …

37

𝛼1 = 5.027 𝑥 10−8 𝑚2/𝑠

Entonces,

𝑃𝑟1(302°𝐶) =2.69 𝑥 10−7 𝑚2/𝑠

5.027 𝑥 10−8 𝑚2/𝑠

𝑃𝑟1 = 5.351

Para 𝑃𝑟2, las características a tomar serán en base al valor teórico de la temperatura

interna del tubo 𝑇𝑖𝑎. El único valor que falta por conocer para obtener 𝑇𝑖𝑎, es la

velocidad de transferencia de energía, por lo tanto se aplica la Ec. 20.

�̇� = 620.551𝑊

𝑚2[𝜋(. 07𝑚)(11.9𝑚)]

�̇� = 1623.948𝑊

A partir de la cantidad anterior y tomando en cuenta las características de la tubería

mostrados en la tabla 6, se obtiene la temperatura interior del tubo absorbedor

aplicando la Ec. 19.

𝑇𝑖𝑎 = 400°𝐶 −1623.948𝑊𝑙𝑛 (

0.07𝑚0.0679𝑚)

2𝜋(11.9𝑚)(21 𝑊𝑚°𝐶⁄ )

𝑇𝑖𝑎 = 399.98

A partir de la temperatura anterior de 399.98 se toman las características del aceite

Therminol VP-1, aplicando de nuevo las ecuaciones 16 y 17.

𝛼2(399.98°𝐶) = 0.076 𝑊/𝑚𝐾

694.03 𝑘𝑔/𝑚3(2627 𝐽/𝑘𝑔𝐾)

𝛼1 = 4.168 𝑥 10−8 𝑚2/𝑠

Entonces,

𝑃𝑟2(399.98°𝐶) =2.11 𝑥 10−7 𝑚2/𝑠

4.168 𝑥 10−8 𝑚2/𝑠

𝑃𝑟2 = 5.062

Page 38: ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO ÓPTICO Y TÉRMICO DEL …

38

Al tener los valores anteriores se obtiene el número de Nusselt para el flujo del aceite

térmico.

𝑁𝑢 = (

0.0118 ) (891 766.975 − 1000)5.351

1 + 12.7√0.0118 (5.351

23 − 1)

(5.351

5.062)

0.11

𝑁𝑢 = 3 347.609

Al conocer el valor del número de Nusselt, finalmente se obtiene el coeficiente de

transferencia de calor en el interior de la tubería a partir de la Ec. 11.

ℎ𝑓𝑖 =3 347.609 ∙ 0.095 𝑊/𝑚°𝐶

0.0679 𝑚

ℎ𝑓𝑖 = 4 683.694 𝑊/𝑚2°𝐶

Teniendo el coeficiente de transferencia y las características del tubo absorbedor y

del aceite térmico, es posible obtener el factor de eficiencia del colector 𝐹´.

𝐹´ =

12.975 𝑊/𝑚2°𝐶

12.975𝑊/𝑚2°𝐶

+0.070𝑚

(4 683.694 𝑊/𝑚2°𝐶)(0.0679𝑚)+ (

0.070𝑚2(21𝑊/𝑚°𝐶)

𝑙𝑛0.070𝑚

0.0679𝑚)

𝐹´ = 0.999

En el caso del valor del factor de flujo del colector 𝐹´´, la única variable que falta por

conocer es el flujo másico �̇�. Entonces, tomando en cuenta las características del

aceite térmico a su temperatura de entrada, las cuales se encuentran en la tabla 8,

el área de la tubería, se obtiene lo siguiente:

�̇� = (814.8 𝑘𝑔/𝑚3)(3.530 𝑚/𝑠) (𝜋 ∙ (0.0679𝑚)2

4)

�̇� = 10.414 𝑘𝑔/𝑠

Conociendo el flujo másico ya es posible obtener el factor de flujo del colector.

Page 39: ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO ÓPTICO Y TÉRMICO DEL …

39

𝐹´´ =(10.414 𝑘𝑔/𝑠)(2.319 𝑘𝐽/𝑘𝑔°𝐶)

(𝜋 ∙ 0.0679𝑚 ∙ 11.9𝑚)(2.975 𝑊/𝑚2°𝐶)(0.999)

[1 − 𝑒𝑥𝑝 (−(𝜋 ∙ 0.0679𝑚 ∙ 11.9𝑚)(2.975 𝑊/𝑚2°𝐶)(0.999)

(10.414 𝑘𝑔/𝑠) (2.319 𝑘𝐽/𝑘𝑔°𝐶))]

𝐹´´ = 0.858

Normalmente los valores teóricos de 𝐹´ y 𝐹´´no alcanzan la unidad, porque en ese

caso el sistema del colector cilindro parabólico seria completamente ideal.

Relacionando los dos factores anteriores por medio de la Ec. 9 se obtiene el valor

final de 𝐹𝑅.

𝐹𝑅 = (0.999)(0.858)

𝐹𝑅 = 0.857

Finalmente para obtener el calor que es aprovechado para el calentamiento del

aceite térmico se utiliza la Ec. 7.

𝑄𝑢 = (0.857)(66.727𝑚2)

[620.551 𝑊/𝑚2 −2.616𝑚2

66.727𝑚2 (2.975 𝑊/𝑚2°𝐶)(302°𝐶 − 17.86°𝐶)]

𝑄𝑢 = 33 591.107 𝑊

4.1.7.2. Eficiencia térmica

Aplicando la Ec. 22, es posible obtener finalmente la eficiencia térmica.

𝜂𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 =33 591.107 𝑊

803.12 𝑊/𝑚2(11.9𝑚)(6𝑚)

𝜂𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 = 0.585 = 58.5%

4.2. Discusiones

Para el análisis del módulo del colector cilindro parabólico, se realizaron diferentes

investigaciones para obtener la información correcta, donde surgieron algunos

Page 40: ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO ÓPTICO Y TÉRMICO DEL …

40

problemas porque algunos datos de las características del sistema fueron

complicados de encontrar en alguna fuente confiable. Muchos valores eran

específicos a cierta temperatura y con la información que tiene la empresa no era

suficiente para el análisis, por lo que muchas veces fue necesario interpolar los

valores de las tablas o de igual manera se encontraban por medio de modelos

matemáticos, como es el caso del coeficiente de transferencia de calor.

Por otro lado, el protocolo para entrar al campo solar era muy estricto, por lo que se

pudieron realizar pocas visitas para observar las dimensiones y materiales de cerca.

Capítulo 5. Conclusión y recomendación

El uso de la energía solar para la producción de energía eléctrica se está

desarrollando notablemente en nuestro país, lo cual ayuda a disminuir la

dependencia hacia los combustibles fósiles para iniciar una transición energética

hacia las energías renovables. Además, el utilizar este tipo de tecnologías en

plantas térmicas es viable económicamente y ambientalmente, debido a que no

gastan constantemente en obtener combustible, ya que utilizan un aceite térmico

para producir vapor que puede durar años circulando dentro del sistema, aspecto

que trae como consecuencia la disminución de emisiones de dióxido de carbono al

ambiente.

El campo solar, se encuentra ubicado en una zona geográfica adecuada debido a

que los valores radiación solar de la ciudad de Agua prieta, son de los más altos en

el país. Lo anterior, resulta una gran ventaja para el sistema, ya que puede captar

la radiación suficiente para elevar la temperatura del aceite térmico a 388 °C, la cual

es necesaria para la producción de vapor en los intercambiadores de calor y

posteriormente para la generación de energía eléctrica.

Los materiales utilizados en el espejo y el tubo receptor, cuentan con características

ópticas y térmicas necesarias para lograr un alto rendimiento en su proceso de

calentamiento del fluido. Es poca la cantidad de radiación solar desaprovechada por

Page 41: ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO ÓPTICO Y TÉRMICO DEL …

41

el espejo, ya que el colector cilindro parabólico instalado logra entregar al tubo

receptor más del 50% de la radiación incidida en la superficie. Además, esa

radiación es transferida al aceite térmico por medio de tubos al vacío, aspecto

importante que logra aumentar la eficiencia térmica del colector, porque ese tipo de

tuberías disminuyen las perdidas térmicas generadas durante el proceso de

transferencia de calor.

Para este tipo de investigaciones, es muy recomendable comparar los resultados

teóricos con pruebas de desempeño del colector cilindro parabólico utilizando

instrumentos de medición, ya que las condiciones del entorno no siempre serán las

ideales, ocasionando que la eficiencia real sea menor a la eficiencia teórica.

Además, a partir estas comparaciones es posible verificar si el sistema está

trabajando de manera adecuada.

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Anexos

Fig 6. Módulo del colector cilindro parabólico

Fig 7. Conjunto de módulos cilindro parabólico.

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Fig. 8. Plano del campo solar.