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

ipf@cie.unam.mx, rbb@ier.unam.ma

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 ?