solar
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Algo de concentradores solaresTRANSCRIPT
Aplicaciones de la óptica anidólica en concent ado es sola esen concentradores solares
18 de febrero de 2010
Eduardo A. Rincón MejíaUniversidad Autónoma de la Ciudad de México
P d E íPrograma de Energía
Obj ti d l t ióObj ti d l t ióObjetivo de la presentaciónObjetivo de la presentación
Hacer una breve introducción a la óptica de Hacer una breve introducción a la óptica de Hacer una breve introducción a la óptica de Hacer una breve introducción a la óptica de nono--enfoque, mencionar sus ventajas con enfoque, mencionar sus ventajas con
t l ó ti d f t t l ó ti d f t respecto a la óptica de enfoque, y presentar respecto a la óptica de enfoque, y presentar algunas aplicaciones exitosas de ésta en algunas aplicaciones exitosas de ésta en
concentradores solares diseñados en México concentradores solares diseñados en México para diversas aplicaciones.para diversas aplicaciones.para diversas aplicaciones.para diversas aplicaciones.
CONTENIDOCONTENIDOCONTENIDOCONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN 1. INTRODUCCIÓN ¿Por qué emplear la ¿Por qué emplear la energía solar ?energía solar ?energía solar ?energía solar ?
2. CONCENTRACIÓN SOLAR2. CONCENTRACIÓN SOLAR
3. LA ÓPTICA ANIDÓLICA (SIN FOCOS)3. LA ÓPTICA ANIDÓLICA (SIN FOCOS)
4 APLICACIONES EXITOSAS4 APLICACIONES EXITOSAS4. APLICACIONES EXITOSAS4. APLICACIONES EXITOSAS
5. CONCLUSIONES5. CONCLUSIONES5. CONCLUSIONES5. CONCLUSIONES
Al Sol, reactor nuclear de fusión a 150 millones de kilómetros de la Tierra, aún le resta una vida dede kilómetros de la Tierra, aún le resta una vida de
más de 4500 millones de años, a partir de ahora
La Constante Solar, las ventanas espectrales del ultravioleta, el visibley el infrarrojo cercano, y el espectro de absorción de la atmósferay j , y p
Sen θ 0 = r / R , θ 0 = 16 min
Distancia Tierra – Sol: 150 millones de kilómetrosDiá t d l S l 1 39 ill d kiló tDiámetro del Sol : 1,39 millones de kilómetros Diámetro de la Tierra: 12,7 mil kilómetros
Apertura angular del Sol: ~ 0,5309 grados
¡ La Tierra intercepta del Sol más de 10 mil veces la energía que se consume a nivel mundial !
¡ TODAS las fuentes NO renovables son insignificantes¡ TODAS las fuentes NO renovables son insignificantescuando se les compara con la energía solar !
NINGUNA fuente no renovable puede garantizar el abasto p genergético mundial en el largo plazo.
¡ La energía solar sí que podría satisfacer cualquier necesidad energética de la presente ycualquier necesidad energética de la presente y
las futuras generaciones… sin impactar negativamente al ambiente !
Tecnología para el aprovechamientotérmico de la energía solar
• Calentadores solares de agua de apariencia plana
• Hornos y comales solares para guisar con el Soly p g
• Generadores de vapor para diversas aplicaciones
• Secadores solaresSecadores solares
• Enfriamiento y refrigeración solar
• Generación de electricidad vía ciclos termodinámicos• Generación de electricidad vía ciclos termodinámicos
• Desalinización de agua
Calentadores de aire para calefacción de espacios• Calentadores de aire para calefacción de espacios
• Fundición de metales
O li i• Otras aplicaciones …
D fi i ió d C t ió S lD fi i ió d C t ió S lDefinición de Concentración SolarDefinición de Concentración Solar
PUNTO FUNDAMENTAL:
SIN VIOLAR LAS LEYES DE LA TERMODINÁMICA, ENPRINCIPIO SE PUEDEN CONSTRUIR CAPTADORESPRINCIPIO, SE PUEDEN CONSTRUIR CAPTADORESSOLARES PASIVOS, QUIZÁ UTILIZANDO LENTES OESPEJOS, QUE ALCANCEN TEMPERATURAS TEÓRICAS, QDE HASTA
¡¡ 6000 K !!¡¡ 6000 K !! ...AUNQUE CON SÓLO UNOS 3000 K SEGURAMENTE NOSALCANCE PARA LA APLICACIÓN QUE SE NOS VENGA A LAALCANCE PARA LA APLICACIÓN QUE SE NOS VENGA A LAMENTE
LÍMITE TERMODINÁMICO PARA LA Ó ÉCONCENTRACIÓN GEOMÉTRICA
Para un concentrador de luz proveniente de una fuentePara un concentrador de luz proveniente de una fuente luminosa esférica de amplitud angular plana, medida
desde el concentrador de 2θ0desde el concentrador de 2θ0
Concentrador bidimensional:C máx = n / Sen θ0
t d t idi i ly para un concentrador tridimensional:C máx = n 2 / Sen 2 θ0
( n es el índice de refracción del medio transparente )
Así por ejemplo para θ0 igual a 0 267° y n =1:Así por ejemplo, para θ0 igual a 0.267 y n 1:C2D = 2 14 y C3D = 46 000
MUY IDEALMENTE LA TEMPERATURAMUY IDEALMENTE, LA TEMPERATURA QUE ES POSIBLE ALCANZAR CON UN
CONCENTRADOR SOLAR ES:
T = T s [ C / C máx ] 1/4
En donde T = 6000 K es la temperatura de laEn donde T s = 6000 K es la temperatura de la “superficie” del Sol, C es la concentración geométrica y
C 46 000 l t ió id l á iC máx = 46 000 es la concentración ideal máxima
LAS TEMPERATURAS MÁXIMAS IDEALES, PARA ÓDIFERENTES VALORES DE LA CONCENTRACIÓN
SOLAR GEOMÉTRICA SON, POR EJEMPLO:
Concentración geométrica Temperatura ideal
1 137° C1 137 C2 214° C4 306° C4 306° C10 456° C
100 1 023° C1 000 2 031° C
10 000 3 824° C46 000 5 272° C
PROPIEDADES ESPECULARES DE LAS CÓNICASO S S CU S S CÓN C S1. Espejos parabólicos
PROPIEDADES ESPECULARES DE LAS CÓNICAS2 Espejos elipsoidales2. Espejos elipsoidales
PROPIEDADES ESPECULARES DE LAS CÓNICAS2 Espejos hiperbólicos2. Espejos hiperbólicos
Canales parabólicos para generación comercial de electricidad
APLICACIONES VARIAS DE CILINDROS PARABÓLICOSAPLICACIONES VARIAS DE CILINDROS PARABÓLICOS
CONCENTRADOR FOTOVOLTAICO
Sistemas de Disco – Motor Stirling – Alternador para generación de electricidad instalados en Almería, España.
Reflector de Reflector de FresnelFresnelcon receptor fijocon receptor fijop jp j
Foto: Dr. Valeriano Ruiz HernándezUniversidad de Sevilla (España)
ESPEJO DE SECCIÓNESPEJO DE SECCIÓN PARABÓLICA
INCONVENIENTES Se necesita:
1. Seguimiento solar, 2. Luz directa, 3. Espejos caros
Espejo parabólicoEspejo parabólicoNota: ¡ Un espejo paraboloidal perfecto apenas alcanzaría
¼ d l lí i di á i d l ió l !¼ del límite termodinámico de la concentración solar !
CONCENTRADOR PARABÓLICO COMPUESTOBaranov Melnikov Winston PlokeBaranov, Melnikov, Winston , Ploke ...
(1966)
CONCENTRADOR PARABÓLICO COMPUESTO (CPC)CONCENTRADOR PARABÓLICO COMPUESTO (CPC)CONCENTRADOR PARABÓLICO COMPUESTO (CPC)CONCENTRADOR PARABÓLICO COMPUESTO (CPC)
CONCENTRADOR PARABÓLICO COMPUESTO ó CPCLa concentración geométrica (bidimensional ) es: Cg = d1 / d2
CONCENTRADOR DEL TIPO PARABÓLICO COMPUESTO ÓPARA UN ABSORBEDOR DE SECCIÓN CIRCULAR
CALENTADOR DE AGUA CON CONCENTRADOR TIPO CPC CAPAZ DE GENERAR VAPORCALENTADOR DE AGUA CON CONCENTRADOR TIPO CPC CAPAZ DE GENERAR VAPOR HECHO EN CASA CON MATERIALES COMUNES Y BARATOS
Toluca, 1990
Truncation of a CPC according to Rincón’s Criterion
Solar Concentration: Cg = [2 x (t) – b] / b = 2 x ( t ) / b - 1
Cg max = 1 / sin θ 0 when t = π / 2 - θ 0
When t t = π / 2 – 3 θ 0 ( for Rincón’s Criterion )
h C ( θ ) ( θ ) / [ ( θ )]
g / /
Thus: Cg = 2 (1+ sin θ 0) sin (3θ 0) / [1- cos (4 θ 0)] - 1
The solution of the equation :
Cg = 2
is θ = 18 4808°is θ 0 = 18.4808°
CONCENTRACIÓN GEOMÉTRICA PARA UNCONCENTRACIÓN GEOMÉTRICA PARA UN CONCENTRADOR SOLAR DEL TIPO
PARABÓLICO COMPUESTOPARABÓLICO COMPUESTO
PARA UN CPC BIDIMENSIONAL:C = 1 / Sen ( θ0 )
Y PARA UN CPC TRIDIMENSIONALY PARA UN CPC TRIDIMENSIONAL:C = 1 / Sen 2 (θ0 )
Así por ejemplo, para θ0 igual a 30° :C2D = 2 y C3D = 42D y 3D
Nota: ¡ Los concentradores del tipo CPC sin truncar pueden alcanzar el límite termodinámico !
New Solar Air Heater Based on Non-Imaging Optics for High Temperature Applications
Eduardo A Rincón Mejía
p g p pp
Eduardo A. Rincón MejíaUniversidad Autónoma de la Ciudad de México
l d l d i lEstos calentadores solares de aire alcanzan temperaturas del orden de 200°C en
condiciones de estancamiento con cielo despejado, y calientan al aire contenido endespejado, y calientan al aire contenido en
cavidades formadas entre las partes posteriores de CPCs que circula porposteriores de CPCs, que circula por
convección natural o forzada, formando li i l f iremolinos que incrementan la tranferencia
de calor sin aumentar sensiblemente la caída de presión en su recorrido.
Secadores solares de productos agropecuarios de diversos tipos
Absorbedor
Los rayos que abandonan los CPC son reflejados por los espejos inferiores de sección circular hacia los absorbedores metálicos
que van colocados en las cavidades formadas entre las los espejos de los CPCespejos de los CPC.
Cross-sectional view of a two-dimensional CPC optimally truncated with a p ygeometric concentration Cg = 2. The half acceptance angle for these conditions is θ0 = 18,4808°. In order to increase this value to 23,5° to allow a fixed installation for the receiver (placed in an East-West direction with an inclination equal to thefor the receiver (placed in an East-West direction, with an inclination equal to the
latitude) the refractive prisms are used.
Trazado de rayos que inciden sobre la cubierta transparente del captador con un ángulo de 23,5° con respecto a la vertical, mostrando que todos los rayos
son captados y dirigidos hacia el lugar en donde se coloca el absorbedor.son captados y dirigidos hacia el lugar en donde se coloca el absorbedor.
Esquema del prototipo sin las cuñas.
Close-up of a troughThe prototype has a collection area of 2 m 2
Frontal area of the collectorRear view of the circular mirrors
(without thermal insulation).
p yp f
LOS HORNOS SOLARES TOLOKATSIN
Constan de un Concentrador Multicompuesto CMC de 8 espejos, distribuidos en cuatro pares, como se muestra en la figura.
Tienen un recipiente hermético cilíndrico que se calienta por la luz concentrada proveniente del CMCproveniente del CMC.
Dentro del horno se coloca un recipiente de acero inoxidable en donde se ponen los alimento. Este recipiente puede tener subdivisiones para preparar p p p p p
simultáneamente varios guisos.
Nada se puede quemar, ya que la temperatura no sobrepasa los 140° C.
Por ser hermético y esterilizador, mientras no sea abierto, los alimentos pueden conservarse durante días sin necesidad de refrigeración.
Los alimentos se pueden colocar dentro del horno antes de que amanezca, y abrirse a la hora que uno desee comer ( mediodía, por la tarde, en la noche, etc.)
Los alimentos quedan más sabrosos y nutritivosLos alimentos quedan más sabrosos y nutritivos.
EL HORNO SOLAR TOLOKATSIN COMBINA CPCsPARA ABSORBEDORES CIRCULAR Y PLANOPARA ABSORBEDORES CIRCULAR Y PLANO
De esta manera se logra una concentración tridimensional a partir de encorvar espejos planosa partir de encorvar espejos planos
ÓAl d d d 28 ill d i
MOTIVACIÓNAlrededor de 28 millones de mexicanos
comen alimentos guisados con leña (a nivel mundial son unas 2 mil millones de personas
las que se alimentan con comida cocinada con qleña )...
Y el resto comemos alimentos cocinados con gas L P o gas natural ...g g
Y cientos se accidentan cada año por quemaduras, intoxicaciones, explosiones ....
En el año 2000, casi 470 millones de toneladas de madera (leña)fueron consumidas en hogares del África Sub-sahariana enforma de leña y carbón vegetal, más madera "per capita" que encualquier otra región en el mundocualquier otra región en el mundo.
Más de 1,6 millones de personas, principalmente mujeres yniños, mueren prematuramente cada año en el planeta (400 milen el África Sub-sahariana) de enfermedades respiratorias
d l l ió d f d l ñ U t di tcausadas por la polución de fuegos de leña. Un estudio encuentraque el humo de fuegos de madera usada para cocinar causaráaproximadamente 10 millones de muertes prematuras entreaproximadamente 10 millones de muertes prematuras entremujeres y niños hacia el 2030 en África, y descargará al medioambiente unos 7 mil millones de toneladas de carbono en formade gases de efecto invernadero para el 2050, alrededor del seis porciento del total esperado para el continente africano.
Parte de un embarque de 480 pequeños hornos Tolokatsin( Toluca, 1997 )
. Lista de algunos platillos guisados en una sola etapa de cocción
con un horno Tolokatsin
SopaSopa dede verdurasverduras PancitaPancita
CarneCarne enen caldocaldo MixiotesMixiotes
CaldoCaldo dede pollopollo BarbacoaBarbacoa
TamalesTamales VerdurasVerduras cocidascocidas
CochinitaCochinita PibilPibil FrijolesFrijoles
CaldoCaldo dede pescadopescado FlanesFlanes
CaldoCaldo tlalpeñotlalpeño PastelesPasteles
ConejosConejos enen chileajochileajo StruedelStruedel dede manzanamanzana
Tiempos recomendados para la cocción de diferentes alimentos en un horno solar Tolokatsin adiferentes alimentos en un horno solar Tolokatsin, a
plena carga (8 kg) , con cielo despejado
AlimentoAlimento Tiempo (horas)Tiempo (horas)
PapasPapas11
ZanahoriasZanahorias 11
CarneCarne dede CerdoCerdo 22
CarneCarne dede pollopollo 11
SS dd dd 22SopaSopa dede verdurasverduras 22
FrijolesFrijoles 44
FlanFlan 22FlanFlanPescadosPescados 11
PanPan 22
BarbacoasBarbacoas 44
Comida solar para 260 comensales realizada en Sancomensales realizada en San
Juan del Río, Querétaro, el 22 de abril de 2005
Comida solar en Mexicali BC
Inauguración del Laboratoriode Energía Solar de la UABC
Septiembre de 2005p
Standard size solar cover glass (single orcover glass (single or double glass)
Large stationary Tolokatsin type solar cooker at outlet of kitchen building integrated CPC reflector trough
COMALES SOLARESCOMALES SOLARESUnUn comalcomal solarsolar eses unun dispositivodispositivo quequeconsisteconsiste enen unauna planchaplancha horizontalhorizontal metálicametálicaconsisteconsiste enen unauna planchaplancha horizontalhorizontal metálicametálicaoo cerámicacerámica queque sese calientacalienta concon radiaciónradiaciónsolarsolar concentradaconcentrada parapara tostartostar oo freírfreírsolarsolar concentradaconcentrada parapara tostartostar oo freírfreíralimentosalimentos..
ééEnEn México,México, loslos comalescomales convencionalesconvencionales sonsonindispensablesindispensables parapara lala preparaciónpreparación dede
áámuchosmuchos alimentosalimentos dede origenorigen prehispánicoprehispánico..
En la figura se muestra un comal “Tolokatsin 1”, que En la figura se muestra un comal “Tolokatsin 1”, que consta de cuatro pares de espejos planos, dos espejos consta de cuatro pares de espejos planos, dos espejos curvos y un gran espejo plano articulado que sirve curvos y un gran espejo plano articulado que sirve
d á td á tademás como tapa.además como tapa.
Principio de operaciónUn rayo de luz R1
que incida sobre elque incida sobre el punto extremo B, el cual es el borde delcual es el borde del espejo curvo CM, formando con laformando con la vertical un ángulo - θ0 , se reflejaráθ0 , se reflejará tangente a la plancha horizontal.plancha horizontal.
Principio de operaciónUn rayo de luz R2
que incida sobre el qpunto extremo B , formando con la
l á lvertical un ángulo +θ0 , se reflejará hacia el espejo plano PMespejo plano PM1(rayo R’2) y de allí se reflejará hacia el punto j pextremo E (rayo R’’2) de la plancha h i lhorizontal.
Principio de operaciónUn rayo de luz R4
que pase sobre elque pase sobre el punto E, el cual es el extremo de la plancha horizontal, formando un ángulo +θ0 con la
ti l i idi ávertical, incidirá sobre el punto G, que está en la unión deestá en la unión de los espejos planos PM1 y PM2 .
Trazado de rayos que inciden sobre el puntoTrazado de rayos que inciden sobre el punto extremo B
Trazado de rayos que incidenTrazado de rayos que incidenTrazado de rayos que inciden Trazado de rayos que inciden sobre los espejos planos y curvosobre los espejos planos y curvo
Trazado de rayos que incidenTrazado de rayos que incidenTrazado de rayos que inciden Trazado de rayos que inciden perpendicularmente sobre el comalperpendicularmente sobre el comal
El primer comal solar Tolokatsin(1999)
El comal solarEl comal solarEl comal solar El comal solar Tolokatsin 2Tolokatsin 2
El horno- comal solar Tolokatsin 2009
Prototipo de cocina solar Tolokatsin 2008 en operación. Nótese el espejo plano articulado transversal a losespejos curvos. Éste puede plegarse, al igual que los espejos curvos que sobresalen del absorbedor de
sección trapezoidal, en el que se han colocado unos “tlacoyos”, alimento del antiguo Anáhuak.
El horno- comal solar Tolokatsin 2008 es plegable y fácil de transportarEl horno- comal solar Tolokatsin 2008 es plegable y fácil de transportar
Tolokatsin con refrigerador solar (foto de la derecha) y comal solar (foto de la izquierda)
Concentrador solar de tres etapas ópticas
Centro de Ixcan, Chiapas
Los desarrollos habitacionales sustentables del futuro podrían emplearestos desarrollos en beneficio del ambiente y de los usuarios, que seh í l b tibl fó il l l ñ it í l i f iahorrarían el combustible fósil o la leña, se evitarían el riesgo a sufrir
quemaduras o intoxicaciones por respirar gases producto de la combustióno combustible no quemado, comerían y beberían más saludable y sabroso.
En conclusión :En conclusión :
Las aplicaciones Las aplicaciones fototérmicasfototérmicas de la energía solar son de la energía solar son muchísimas pueden emplear tecnología desarrolladamuchísimas pueden emplear tecnología desarrolladamuchísimas, pueden emplear tecnología desarrollada muchísimas, pueden emplear tecnología desarrollada en México, son muy económicas y efectivas…en México, son muy económicas y efectivas…
La ópticaLa óptica anidólicaanidólica es ideal para el diseño dees ideal para el diseño deLa óptica La óptica anidólicaanidólica es ideal para el diseño de es ideal para el diseño de concentradores solares para aplicaciones específicas. concentradores solares para aplicaciones específicas.
Se debe continuar con el desarrollo de sistemasSe debe continuar con el desarrollo de sistemasSe debe continuar con el desarrollo de sistemas Se debe continuar con el desarrollo de sistemas fototérmicosfototérmicos en nuestras universidades e institutos en nuestras universidades e institutos tecnológicos, para el beneficio de todostecnológicos, para el beneficio de todostecnológicos, para el beneficio de todos…tecnológicos, para el beneficio de todos…
