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Capítulo 1. Antecedentes. Sistema Disco Parabólico

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Capítulo 1. Sistemas de Disco Parabólico (SDP).

El sistema disco parabólico (SDP), como su nombre indica, está compuesto por una

superficie concentradora de forma parabólica capaz de concentrar la componente directa de

la radiación solar sobre el foco geométrico de dicha superficie. En el foco se sitúa un

elemento capaz de aprovechar la energía térmica alcanzada en esa zona. Normalmente este

elemento convierte la energía térmica incidente en energía mecánica a través de un motor

Stirling, cuya salida es aprovechada por un alternador para generar energía eléctrica.

Aunque ésta ha sido la principal aplicación, es posible aprovechar dicha energía térmica

para otras aplicaciones como generar vapor directamente [5] o utilizarlo como calor de

proceso [6].

La siguiente figura muestra esquemáticamente los componentes de un SDP. Como se

puede observar, todo el sistema está sostenido por un pedestal y una estructura que permite

el seguimiento solar en dos ejes, puesto que se trata de una concentración tridimensional.

Figura 1.1. Esquema de componentes de un sistema disco parabólico

En el presente capítulo se analizan brevemente los diferentes componentes que forman el

SDP completo. El concentrador y las diferentes configuraciones existentes, la cavidad y la

unidad de conversión de potencia.

En el caso del sistema Eurodish, en el que se centra este trabajo, la siguiente figura muestra

un esquema con todos sus componentes.


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Figura 1.2. Esquema del sistema disco parabólico Eurodish

1.1. Concentrador

Como toda tecnología de concentración solar, la reflexión de la componente directa de la

radiación solar se consigue a través de una superficie de alta calidad óptica para disminuir

posibles errores que se comentarán posteriormente. El concentrador de esta tecnología es

idealmente una superficie de revolución, que no es más que aquella generada mediante la

rotación de una curva plana (generatriz) alrededor de una recta directriz (eje de rotación)

situada en el mismo plano de la curva. La generatriz de esta curva es una parábola, cuyo

giro entorno a la directriz es la superficie de revolución denominada “paraboloide de

revolución” o “Concentrador Disco Parabólico” (CDP), cuya expresión es la siguiente:

(Ec. 1.1.)

Donde x e y son las coordenadas en el plano, y z es la coordenada que define los puntos de

la superficie que salen de dicho plano.

Esta superficie se caracteriza por tener un punto focal a una distancia f del vértice, en el

que todos los rayos que llegan paralelos al eje de la superficie son reflejados por ésta hacia

él. Así, las ondas incidentes (solar, sonido o radio) son concentradas hacia ese punto.


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Figura 1.3. Esquema de una superficie concentradora de disco parabólico [7]

Los sistemas termosolares de concentración históricamente han intentado acercarse lo

máximo posible a esta superficie ideal, ya sea por facetas o por grandes superficies

curvadas, como se puede observar en la siguiente figura.

Figura 1.4. Tipos de concentradores utilizados en la tecnología de disco parabólico [8]

Geométricamente, la curvatura del concentrador es expresada a través del “ángulo de

borde” o “rim angle” (Ψrim), en su término anglosajón. Dicho parámetro es el ángulo entre

el eje del concentrador y el borde del mismo, como se puede observar en la siguiente figura

para diferentes curvaturas con el mismo diámetro de concentrador.


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Figura 1.5. Diferentes curvaturas de concentradores de disco parabólico [9]

El ángulo de borde puede ser calculado por la siguiente expresión si se conocen tanto la

distancia focal como el diámetro del concentrador:

(Ec. 1.2.)

(

⁄

⁄ ⁄) (Ec. 1.3.)

Donde f es la distancia focal del concentrador y d es el diámetro del mismo [9].

Como se puede observar en la figura anterior, para valores del ángulo de borde menores de

50-55° aproximadamente, los rayos reflejados por el concentrador inciden sobre el plano

receptor por un mismo lado, por lo que en estos casos el receptor a utilizar es de cavidad.

Sin embargo, para valores superiores a este valor es muy difícil o casi imposible instalar

una cavidad para su recepción, por lo que se opta por utilizar receptores externos. Cabe

señalar que hasta día de hoy los discos parabólicos dotados con motor Stirling como

unidad de conversión de potencia han utilizado siempre receptores de cavidad.

La siguiente tabla muestra las propiedades ópticas de los concentradores utilizados en

diferentes discos, además del ángulo de borde estimado por la ecuación anterior.


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Tabla 1.1. Características de diferentes concentradores [3]

Concentrador SAIC/STM SBP SES WGA

(Mod 1)

WGA

(Mod 2)

Tipo Aproximado Paraboloide Aproximado Paraboloide Paraboloide

N° de facetas 16 12 82 32 24

Área (m2) 117,2 60,0 91,0 42,9 42,9

Diámetro (m) 12,00 8,50 10,50 7,24 7,24

Área apertura (m2) 113,5 56,7 87,7 41,2 41,2

Reflectividad 0,95 0,94 0,91 0,94 0,94

Longitud focal (m) 12,00 4,50 7,45 5,45 5,45

Ángulo de borde (°) 28,10 50,55 39,04 36,74 36,74

Como es de suponer, el ángulo de borde es un parámetro de diseño del concentrador que

influye sobre el factor de interceptación (que se definirá posteriormente), la razón de

concentración, el error de superficie y las pérdidas en la cavidad (radiantes y convectivas).

Esto es, el concentrador hace que todos estos factores dependan de él, por lo que el ángulo de

borde debe estar definido a la hora de diseñar la apertura de la cavidad donde está alojado el

receptor.

1.1.1. Especularidad

Es de suma relevancia mencionar aquellos factores que hacen que la reflexión de la

componente directa de la radiación solar no sea perfecta.

Como es sabido, en caso de que la especularidad de una superficie fuese perfecta, el ángulo

de incidencia es igual al de reflexión, cumpliéndose idealmente la ley de Snell. Sin

embargo, en la realidad esto no ocurre debido a imperfecciones a nivel tanto macro como

microscópico de la superficie concentradora. Los errores macroscópicos son aquellos que

generan una desviación global de la forma de la superficie ideal y están intrínsecamente

unidos al proceso de fabricación del concentrador, haciendo que en la realidad incluso el

punto focal quede desviado del ideal. Sin embargo, los errores microscópicos son aquellos

que localmente provocan una ligera desviación en la normal ideal de la superficie en dicha

zona, provocando que la reflexión de la radiación solar difiera del caso ideal [8].


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Figura 1.6. Errores macro y microscópicos superficiales [8]

Por otro lado, existen otros errores que provocan que la reflexión de la radiación solar no

sea como idealmente se supone. Estos errores son los siguientes:

- Seguimiento. Errores del sensor y de los actuadores.

- Suciedad. Afecta a la reflectividad.

- Apunte del receptor.

- Disco solar.

Estos errores provocan que en la realidad el desbordamiento aumente (disminuya el factor

de interceptación) y por tanto la energía absorbida por el receptor sea diferente. Por tanto,

para modelar un comportamiento suficientemente preciso de un sistema concentrador de

este tipo se han de tener en cuenta estos fenómenos. Los valores de estos errores se

representan como una desviación estándar en el sistema captador, como sigue en la tabla

siguiente.

Tabla 1.2. Valores típicos de errores para SDP [9]

Tipo de error Desviación estándar σ

(mrad)

Superficie (slope error) 2,5 (x2)

Sensor de seguimiento 2

Actuador de seguimiento

segssseguiseseguimiento

2

Apunte del receptor 2

Reflectividad 0,25 (x2)

Forma solar 2,8


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Así, el error total del CDP puede ser estimado por la siguiente expresión, que proporciona

un valor aproximado de 6,7 mrad de error [9].

√

(Ec. 1.4.)

El tema de la especularidad y las condiciones ópticas del concentrador será tratado con más

detalle en el Capítulo 2 del presente documento.

1.1.2. Tipos de concentradores

En este apartado se muestran diferentes tipos de concentradores utilizados en algunos de

los sistemas desarrollados en los últimos años. Como se ha comentado anteriormente, el

objetivo de todos ellos es acercarse lo máximo posible a la superficie ideal de disco

parabólico.

En primer lugar se presentan aquellos concentradores diseñados a partir de la disposición

de facetas independientes de alta reflectividad, curvadas y alineadas entre sí de forma que

la superficie final sea una superficie de revolución. Este tipo de concentrador fue diseñado

para el sistema Vanguard.

Figura 1.7. Imagen del concentrador del sistema Vanguard [7]

El principal problema de este diseño es la necesidad de conseguir un alineamiento muy

preciso de una gran cantidad de espejos, lo que encarece su coste de fabricación. Sin

embargo, al tratarse de espejos pequeños, la curvatura necesaria es fácil de conseguir en el

proceso de canteo.


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Por otro lado, se han desarrollado concentradores con una superficie continua, conseguida

mediante el uso de pequeñas facetas solidarias a una superficie trasera que sirve de lecho.

Dicha superficie es una membrana estirada, y ha sido utilizada por los diseños de Schlaig,

Bergermann und Partner (SBP) de este tipo de superficies. Este es el caso del concentrador

utilizado en el sistema Eurodish, que es sucesor de otros modelos anteriormente desarrollados

[7].

Figura 1.8. Concentrador del sistema Eurodish

Por último, se han desarrollado también concentradores formados por multifacetas, como

se puede observar en la siguiente figura, modelo SAIC de finales de los 90.

Figura 1.9. Concentrador del modelo SunDish de SAIC/STM [7]


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1.2. Receptor

Este elemento es aquel en el que se proyecta el flujo concentrado. Por tanto, se trata de un

elemento donde se presentan muy elevadas temperaturas y que hace la función de captar la

máxima energía térmica posible incidente para hacerla pasar al motor.

Como se ha comentado anteriormente, la superficie concentradora ideal redirige todos y

cada uno de los rayos que en ella inciden sobre el mismo punto. Sin embargo, existen dos

factores principales debidos a los cuales este fenómeno no ocurre: las irregularidades

superficiales anteriormente comentadas y la existencia de un cono solar debido al cual los

rayos del Sol no inciden paralelos entre sí sobre la superficie receptora. Por tanto, la

concentración solar se distribuye en una pequeña región más grande, lógicamente, que un

solo punto.

El tipo de receptor utilizado en este tipo de tecnología es siempre de cavidad con una

pequeña apertura para la entrada del flujo concentrado. La existencia de la cavidad se debe

a la reducción en lo posible de pérdidas térmicas, en su mayoría radiantes debido a las

elevadas temperaturas alcanzadas.

El absorbedor es aquel elemento situado en el receptor que es capaz de transferir la energía

térmica sobre él proyectada al objetivo final del mismo, ya sea el fluido de trabajo del

motor Stirling, la generación directa de vapor o el calor a proceso. Dicho elemento se

coloca en la parte más profunda de la cavidad para evitar que sobre él se proyecten picos

excesivos de flujo concentrado.

Existen dos tipos diferentes de receptores utilizados para motores Stirling. El primero de

ellos está formado por un banco de tubos, que directamente son iluminados por la

concentración de flujo, y por los que circula el fluido de trabajo del motor Stirling.

Figura 1.10. Receptor de tubos directamente iluminado


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La cavidad está cubierta por un material aislante capaz de soportar grandes

concentraciones de flujo y, por tanto, elevadas temperaturas. La concentración solar se

proyecta, o se intenta, únicamente sobre el absorbedor. Sin embargo, existen algunos

inconvenientes por lo que no ocurre así del todo, como se verá posteriormente.

El otro tipo de receptor utiliza un fluido intermedio para traspasar la energía térmica al

motor. Dicho fluido es un metal líquido que es evaporado cuando aumenta su temperatura

debido a la presencia de flujo concentrado y condensa sobre los tubos por los que circula el

fluido de trabajo del motor Stirling. También es llamado receptor de reflujo porque el

vapor del fluido condensa para ser calentado de nuevo. La siguiente figura muestra este

tipo de receptor.

Figura 1.11. Receptor de reflujo o de metal líquido

Con respecto al receptor del modelo Eurodish, se trata de una cavidad con un hueco de

apertura de 19 cm de diámetro, una sección troncocónica y un absorbedor hexagonal de

tubos directamente iluminados sobre un lecho cerámico de aproximadamente unos 26 cm

de diámetro.

La siguiente figura muestra el receptor formado por 78 tubos de 3 mm de diámetro exterior

fabricados de inconel, material capaz de soportar muy elevadas temperaturas.


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Figura 1.12. Receptor de tubos del SDP Eurodish

1.2.1. Desbordamiento

A causa de errores ópticos y de operación del sistema, la concentración no es ideal y por

tanto no todos los rayos alcanzan el mismo punto ideal localizado en el foco, sino que se

distribuyen en un cono a la salida del concentrador y, por tanto, al ser proyectados sobre el

plano receptor, se sitúan alrededor de dicho punto ideal no entrando todos ellos en la

cavidad. Este fenómeno es conocido como desbordamiento, y es un factor a tener en cuenta

en los Sistema Termosolares de Concentración (STC), como se muestra en la siguiente

figura:

Figura 1.13. Pérdidas por desbordamiento en torre


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En la Figura 1.13. se muestra el desbordamiento causado por el apunte del campo de

heliostatos sobre el receptor de la torre. Por tanto, el desbordamiento, “spillage” o factor de

intercepción, como también se conoce, es la cantidad de energía reflejada por el

concentrador que por distintas causas no es aprovechada por el receptor y suele expresarse

en un valor porcentual respecto al valor total de la energía concentrada.

A su vez, el efecto en el disco Stirling es similar, puesto que el campo de heliostatos es al

SDP su similar Fresnel. La siguiente figura muestra el desbordamiento en el disco Stirling

de la Escuela Superior de Ingeniería de Sevilla en funcionamiento.

Figura 1.14. Efecto de desbordamiento en el disco Stirling de la ESI [4]

Como se puede observar en la figura anterior, tomada con una cámara con sensor CCD, la

corona entorno a la apertura de la cavidad es considerable, siendo todo el flujo concentrado

alrededor pérdidas de borde, desbordamiento o “spillage”.

1.3. Motor Stirling

Este elemento convierte la potencia térmica en mecánica para ser utilizada por un

alternador. A diferencia de los motores de combustión interna alternativos, en este motor

no existe combustión ni consumo de combustible, por lo que en este tipo de sistemas el

calor es aportado externamente. Debido a esta forma de operación, el ciclo es

completamente cerrado, manteniéndose constante e invariable la cantidad de gas en los

cilindros, no existiendo entrada ni salida de éste en el motor. En este apartado se mostrará

cómo es el ciclo Stirling ideal y los tipos de motores existentes.


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1.3.1. Ciclo Stirling

El ciclo Stirling utiliza un gas de trabajo, que suele ser helio o hidrógeno, que es calentado

y enfriado alternativamente mediante procesos a temperatura y a volumen constantes.

Normalmente los motores Stirling incorporan un elemento capaz de elevar el rendimiento

del motor, pues se almacena energía térmica durante el enfriamiento del gas a volumen

constante para posteriormente cederla de nuevo al gas cuando éste se calienta en un nuevo

proceso que también se da a volumen constante.

Figura 1.15. Procesos del ciclo Stirling [7]

En el ciclo Stirling ideal se evacúa cierta cantidad de calor mientras que se realiza un

trabajo determinado por el gas de funcionamiento en el proceso de compresión a

temperatura constante, representado en la siguiente figura por el proceso 1-2. La cantidad

de trabajo requerida para este proceso queda representada bajo el área a-1-2-b en el

diagrama presión-volumen anteriormente mostrado, mientras que la cantidad de calor

transferido desde el gas de trabajo está representada por el área comprendida entre a-1-2-b

en el diagrama temperatura-entropía.

El segundo proceso es a volumen constante (2-3) y en él el gas de trabajo aumenta su

temperatura desde la temperatura de entrada TL a la temperatura de evacuación TH. En este

proceso no se produce trabajo, mientras que la adición de energía térmica viene

representado por el área entre los puntos b-2-3-c en el diagrama T-s.

El tercer proceso vuelve a ser a temperatura constante, pero en lugar de compresión se

produce la expansión del gas de trabajo (3-4). En este proceso se produce trabajo debido a

que se aporta energía térmica al gas. Dicho trabajo se representa por los puntos b-3-4-a en

el diagrama p-v mientras que la adición de calor lo hacen los puntos c-3-4-d en el diagrama

T-s.


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Para cerrar el ciclo queda un último proceso también a volumen constante, por lo que no se

produce trabajo en él (4-1). En éste, el gas de trabajo es enfriado a volumen constante, por

lo que dicha cantidad de calor viene representada por los puntos a-1-4-d del diagrama T-s.

Como es sabido, el trabajo se produce sólo en aquellos procesos a temperatura constante,

mientras que el calor se transfiere en todos los procesos. Así, la cantidad neta de trabajo

generado está representada por el área 1-2-3-4 del diagrama p-v, mientras que la neta de

calor lo está por 1-2-3-4 en el diagrama T-s.

El uso de un regenerador permite aumentar la eficiencia del motor mediante el pre-

enfriamiento del gas de trabajo cuando éste cambia desde el espacio de expansión al

espacio de compresión, al igual que pre-calentando el mismo cuando éste va desde el de

compresión al de expansión. Es decir, el calor evacuado en el proceso a volumen constante

(a-1-4-d) puede ser reutilizado en el proceso de calentamiento también a volumen

constante (b-2-3-c). De esta forma, el calor es añadido o evacuado únicamente en los

procesos a temperatura constante en los cuales se produce trabajo. Ésta es la gran ventaja y

la causa de que el motor Stirling alcance elevados rendimientos. Realmente, con el uso del

regenerador el rendimiento alcanzado en el ciclo ideal es exactamente el rendimiento de

Carnot, parámetro máximo alcanzable por una máquina térmica. La eficiencia alcanzable

por el regenerador puede ser incluso superior al 98% [10]. Los modelos de motores Stirling

aplicados a sistemas de disco parabólicos son:

- SOLO 161 con una potencia nominal de 10 kW. Utilizado en el sistema Eurodish.

- Kockums 4-95 con una potencia nominal de 25 kW. Implementado en el SDP del

modelo de Stirling Energy Systems (SES).

- STM4-120 con una potencia nominal de 25 kW.

La siguiente figura muestra un esquema del motor Kockums 4-95. En el proceso 1-2, el

pistón frío (azul) comprime el gas de trabajo mientras éste es enfriado. Posteriormente, el

gas frío es enviado a través del regenerador (proceso 2-3), en el que recibe energía térmica

almacenada en éste durante el ciclo anterior, mientras que el pistón caliente se mueve hacia

atrás para mantener el volumen constante, por lo que no se genera trabajo. Posteriormente

(proceso 3-4) el gas se calienta por la fuente térmica del motor y se expande contra el

pistón caliente, produciendo así trabajo. Por último, en el proceso 4-1 el gas es de nuevo

enviado al pistón frío cediendo calor, esta vez al regenerador.


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Figura 1.16. Procesos del ciclo Stirling [7]

Por tanto, el ciclo Stirling cuenta con grandes ventajas: máximo rendimiento alcanzable

para una máquina térmica operando entre las mismas temperaturas, posibilidad de

diferentes fuentes térmicas (solar, biomasa, geotérmica, etc.), mínimas vibraciones y tiene

el mayor trabajo específico de salida de cualquier ciclo regenerativo cerrado.

Sin embargo, existen algunos inconvenientes importantes, como la dificultad de mantener

una estanqueidad para gases como el helio y el hidrógeno o la baja potencia específica de

los motores, que lo hacen difícilmente implementables en la industria automovilística [10],

[11].

1.3.2. Tipos de motores Stirling

Existen dos configuraciones básicas de motores Stirling que se han desarrollado para la

generación de energía eléctrica. El primero de ellos es el llamado motor cinemático, que

son aquellos motores cuyo pistón principal (aquel que genera la potencia) está conectado al

cigüeñal mediante un mecanismo biela-manivela con el fin de eliminar esfuerzos sobre las

paredes de los cilindros. Normalmente, la unión entre el mecanismo biela-manivela se sella

para que no exista problemas entre las zonas de alta y baja presión, permitiendo de este

modo que las superficies de los cojinetes permanezcan lubricadas en la zona de baja


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presión mientras se evita el ensuciamiento del intercambiador de calor en la zona de alta

presión.

Este tipo de motores tienen varias configuraciones posibles, conocidas por las letras

griegas Alpha, Beta y Gamma. El motor tipo Alpha es aquel que tiene los dos pistones en

cilindros diferentes conectados en serie con el calentador, el regenerador y el enfriador,

como se observa en la siguiente figura. Es la configuración más sencilla de este tipo de

motores.

Figura 1.17. Configuración de un motor Stirling tipo Alpha [10]

Figura 1.18. Configuración de un motor Stirling tipo Beta [10]

Por otro lado, existe la alternativa de sustituir el cigüeñal por un plato circular

(swashplate). En este tipo de motores, los pistones presionan de forma secuencial a dicho

plato circular provocando la nutación de éste, que a su vez induce el giro de una barra

situada en su centro.


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Figura 1.19. Motor de cuatro cilindros con plato circular [10]

Por otro lado, el segundo tipo de motor Stirling existente es el llamado de pistón libre,

debido a que no hay conexión entre el cigüeñal y el pistón. Por tanto, la potencia mecánica

generada no se transmite a un eje giratorio, sino que es aprovechada directamente del

movimiento alternativo del pistón mediante un alternador eléctrico lineal, una bomba

hidráulica o un dispositivo coaxial. De esta forma se reduce el número de piezas móviles y,

por tanto, la necesidad de vinculación entre ellas y sus consecuencias presentadas como

pérdidas por fricción.

En algunos casos los efectos de la fricción son prácticamente eliminados mediante el uso

de rodamientos de gas, sin necesidad de contacto o suspensión mediante resortes planos.

Las ventajas de este tipo de motores es que sólo tienen dos partes móviles y no necesitan el

sellado entre las zonas de alta y baja presión, dado que la generación eléctrica es interna,

además de no necesitar lubricación. Esto provoca que los motores de pistón libre sean más

baratos, tengan una mayor duración de vida y no necesiten elevado mantenimiento con

respecto a los motores cinemáticos [7], [11], [12].

Actualmente, la compañía Infinia Corp. incorpora este tipo de motores en su sistema disco

parabólico con una potencia nominal de aproximadamente 3kW eléctricos [13].


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Figura 1.20. Motor Stirling de pistón libre

La siguiente figura muestra una tabla resumen con los motores Stirling utilizados en

diferentes SDP que poseen este elemento como modo de conversión de potencia.

Tabla 1.3. Especificaciones de los motores Stirling utilizados en diferentes SDP [3]

Motor SAIC/STM SBP SES WGA

(Mod 1)

WGA

(Mod 2)

Modelo STM 4-120 SOLO 161 Kockums/SES SOLO161 SOLO 161

Tipo Cinemático Cinemático Cinemático Cinemático Cinemático

N° cilindros 4 2 4 2 2

Volumen (cc) 480 160 380 160 160

Régimen de giro

(rpm) 2200 1500 1800 1800 800-1890

Fluido de trabajo Hidrógeno

Helio

Hidrógeno Hidrógeno Hidrógeno Hidrógeno

Control de

potencia

Recorrido

variable

Presión

variable

Presión

variable

Presión

variable

Presión

variable

Como se puede observar, el motor utilizado en el modelo Eurodish es el SOLO 161 de la

empresa alemana SOLO Kleinmotoren GmbH. Dicho motor está basado en el motor V-160

desarrollado originalmente por USAB (Suecia). Tiene una configuración Alpha con un

volumen de barrido de 160 cm3. La presión máxima de trabajo es de 150 bares con una

temperatura de operación de unos 650-700°C. Suministra una potencia nominal de 10 kW [3].


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Figura 1.21. Motor Stirling SOLO 161 [14]


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capítulo 1. sistemas de disco parabólico...

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