Instituto Tecnológico de

Lázaro Cárdenas Ingeniería Electromecánica

TEMA: Colector Solar Canal Parabólico

Fuentes de Ahorro de Energía José Alberto Contreras Gómez 05/08/2013

Introducción.

La energía es el motor de todas las actividades de los seres vivos sobre el planeta, incluidas las de los seres humanos. Las fuentes de energía son los recursos existentes en la naturaleza de los que se pueden obtener energía para sus actividades. Prácticamente toda la energía que llega a la tierra procede del Sol. Una parte es utilizada para mantener la vida orgánica en la biosfera y el resto se disipa al exterior.

En la actualidad, la estructura energética mundial se basa, en gran parte, en el consumo de las energías fósiles (carbón, petróleo y gas natural) y nuclear. Esta situación conduce a la emisión de gases de efecto invernadero, la generación de residuos contaminantes sólidos y líquidos, el riesgo de accidentes graves y el agotamiento de los yacimientos existentes.

La utilización de la energía solar tiene un doble objetivo: contribuir a la reducción de gases de efecto invernadero y ahorrar en el uso de energías no renovables. Los equipos que se utilizan en el aprovechamiento de la energía solar se clasifican en dos grandes categorías: sistemas fototérmicos y sistemas fotovoltaicos. En nuestro país, México, el uso de este tipo de energías es poco explotado, pues los biocombustibles son utilizados en forma rutinaria para la cocción de alimentos, fabricación de materiales de uso doméstico, entre otros.

A lo largo de este trabajo se describirán los conceptos básicos relacionados y el proceso de construcción de un equipo fototérmico. Se hará un seguimiento de la efectividad de un colector solar, y la viabilidad de su implementación en la región de Lázaro Cárdenas.

Índice.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. ................................................................................................. 4

DELIMITACIÓN DEL PROBLEMA. ..................................................................................................... 5

JUSTIFICACIÓN. .............................................................................................................................. 6

MARCO HISTÓRICO. ....................................................................................................................... 7

MARCO CONCEPTUAL. ................................................................................................................. 10

Concentrador ........................................................................................................................... 12

Tipos de concentradores con seguimiento del Sol. ................................................................... 14

Concentradores estacionarios. ................................................................................................. 14

Concentradores con seguimiento continuo. ............................................................................. 15

Concentradores con curva sencilla. .......................................................................................... 16

MARCO REFERENCIAL. ................................................................................................................. 28

MARCO CONTEXTUAL .................................................................................................................. 30

TIPO DE INVESTIGACIÓN. ............................................................................................................. 31

OBJETIVOS GENERALES Y ESPECÍFICOS. ........................................................................................ 32

HIPÓTESIS. ................................................................................................................................... 33

VARIABLES QUE INTEGRAN LA HIPÓTESIS. .................................................................................... 33

METODOLOGÍA Y ACOPIO DE INFORMACIÓN. ............................................................................. 34

CONCLUSIONES. ........................................................................................................................... 43

RECOMENDACIONES. ................................................................................................................... 44

Construcción del concentrador. ............................................................................................... 44

Montaje del concentrador........................................................................................................ 44

Operación del concentrador ..................................................................................................... 44

CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES. ................................................................................................. 45

BIBLIOGRAFÍA. ............................................................................................................................. 46

4

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. La utilización de las fuentes de energía no renovables ha causado problemas en el medio ambiente por medio de los gases de efecto invernadero los cuales son emitidos a la atmosfera como consecuencia de la quema de los combustibles fósiles (petróleo, gas, carbón).

El calentamiento de agua con la utilización de fuentes de energía no renovables para fines alimenticios, terapéuticos o de aseo, contribuyen al calentamiento global. La proporción de las emisiones de los gases de efecto invernadero por cada individuo es muy bajo, más sin embargo en los últimos 5 años se ha percibido los cambios climáticos en la ciudad, estado y en el país. Fuertes temporadas de sequias y las extendidas temporadas de lluvias son el resultado del calentamiento global.

En los últimos años se han desarrollado cada vez más tecnologías que utilizan energías alternativas, lo que está rebasando las expectativas de la humanidad. Diseños industriales o diseños caseros que utiliza la fuente de energía más abundante del sistema solar es una solución para el problema del ecosistema. Además, el alza de precios de los combustibles fósiles tiene un impacto para la economía de los ciudadanos, lo cual se debe encontrar alternativas energéticas para solucionar este problema adecuadamente.

5

DELIMITACIÓN DEL PROBLEMA.

Poder utilizar la energía del Sol implica diferentes etapas, como es captar la energía en forma de calor, transportar la energía y utilizar la energía.

El proyecto consiste en realizar el dispositivo que captara la energía del sol con una guía para su construcción casera, convertirla en energía calorífica, transportarla por medio de un flujo de agua hacia un depósito. La forma de utilizar la energía calorífica que tendrá el agua queda fuera de este proyecto, más sin embargo se recomienda utilizarla con fines alimenticios ya que las temperaturas que se esperan alcanzar son útiles para dicha área.

La construcción del dispositivo será de un concentrador solar cilíndrico-parabólico y el transporte del calor será por agua a través de una tubería de cobre.

6

JUSTIFICACIÓN. En los últimos años el consumismo, la producción en masa y el giro mercantil de las actividades ha generado un efecto colateral que se refleja en el medio ambiente. Por ello, se ha considerado reglamentar una serie de normatividades, tratados y políticas, para disminuir el impacto ambiental generado por las empresas y el consumidor mismo.

La contaminación ambiental es provocada por muchas de las actividades humanas como el transporte o los procesos de producción efectuados por las máquinas de combustión interna. Por ejemplo, los motores de los medios de transporte generan emisiones a la atmósfera, provocando el llamado efecto invernadero, dichas emisiones son una composición de gases principalmente de bióxido de carbono, vapor de agua y metano. Estos gases por su composición tienden a subir a la atmósfera que es donde se alojan formando una capa densa, capaz de absorber o emitir radiación infrarroja o calor.

Por otro lado, el petróleo actualmente es el mayor negocio del mundo puesto que es el generador de combustibles más utilizado en el planeta. El alza en los hidrocarburos, la contaminación y otros problemas; promueven el uso de energías alternativas o bien energías renovables, como es la utilización y aprovechamiento de la energía solar.

En cuanto al diseño de elementos para la cocción de alimentos, se ha buscado disminuir el uso de combustibles que requieran de la tala de árboles y que arrojen emisiones de bióxido de carbono, como los asadores que requieren carbón y los hornos de leña. Basándose en esta idea, se ha logrado desarrollar nuevos materiales para concentrar energía solar que alcanzan cargas térmicas iguales a las que se pueden lograr utilizando leña o algún biocombustible.

Las ventajas que nos proporciona el concentrador solar cilíndrico-parabólico son los siguientes:

• Cocinar comida sin necesidad de utilizar leña, petróleo u otros combustibles. • Hervir el agua para hacerla potable, se evitara enfermedades provenientes de

agua sin tratar. • Evitar la contaminación ambiental mientras se cocina. • Utilizar la energía sin costo alguno.

7

MARCO HISTÓRICO.

Un panel solar es un módulo que aprovecha la energía de la radiación solar. El término comprende a los colectores solares utilizados para producir agua caliente (usualmente doméstica) y a los paneles fotovoltaicos utilizados para generar electricidad.El concentrador más simple y conocido que muchos hemos usado para quemar pequeños objetos es la clásica lupa.

Históricamente, la idea de concentrar la radiación solar para obtener más energía, fue anterior a la de los colectores planos. Un relato muy famoso de la antigüedad nos cuenta cómo en el año 212 a.C. a petición del rey Herón, Arquímedes, quemó las naves romanas que sitiaban la ciudad de Siracusa, utilizando un gran espejo cóncavo.En sus trabajos de óptica, Euclides menciona que es posible obtener temperaturas elevadas mediante un espejo cóncavo.

En el año 1767, Horace de Saussure(1740 - 1799) realizó los primeros experimentos con hornos solares de tipo caja para la preparación de alimentos, como el que se muestra en la figura siguiente.

Estufa Tipo Caja concepto de Saussure

La máxima temperatura lograda con este horno solar fue de 88 °C, que posterior- mente al incorporar una superficie negra dentro de la caja alcanzó los 110 °C. También predijo que “algún día este ingenio que actualmente es pequeño, barato y fácil de fabricar, puede ser de gran utilidad”. Este científico fue un visionario, a pesar de que sus experimentos quedaron en el olvido por un largo tiempo ya que hasta principios del siglo XX, las técnicas para cocinar se basaron en asar, cocer y freír.

8

En 1860 Auguste Mouchotingeniero francés quien comenzó a explorar losconocimientos generados anteriormente para la cocción de alimentos con energía solar. Conbase a sus investigaciones en 1866 diseñó una cocina portátil , para el ejército de NapoleónIII, que consistió en un recolector solar con forma de cilindro parabólico.

Concentrador solar cilíndrico-parabólico

Entre 1940 y 1970, la doctora María Telkesrealizó grandes aportes en eldiseño de innovadores hornos solares que inspiraron a investigadores en todo el mundo.Este horno denominado también Solar Cooker, queestá formado por una caja con una puerta trasera para introducir o sacar los alimentos y enla parte superior de la caja tiene un reflector formado por espejos que atraen la energía solary la transmiten a los alimentos.

María Telkes Solar Cooker

9

En 1960 un estudio de las Naciones Unidas llega a la siguiente conclusión: “las cocinassolares son un instrumento idóneo y solamente es necesario un poco de voluntad y una ciertaadaptación de las costumbres para poder iniciar su utilización a gran escala”

En 1987 se creó Solar Box CookersInternational(SCI), que es una organización no gubernamental ubicada en Sacramento, California, Estados Unidos de América. Esta organizacióntiene como propósito apoyar a familias de escasos recursos económicos que habitan en áreascon abundante luz solar para ofrecerles una forma de cocinar sin combustibles. SCI organizóen 1992 la primera conferencia mundial sobre cocinas solares, este acontecimiento reunió ainvestigadores de 18 países, convocando en 1994 a 16 países latinoamericanos en Guatemala,con quienes formó la Red Latinoamericana de Cocinas y Hornos Solares (RECOSOL).

Para referirnos a un aparato construido más recientemente podemos citar el horno solar de Odeillo construido en 1969. Es uno de los dos mayores hornos solares del mundo, con una potencia térmica de 1000 kW. Funciona por concentración de los rayos solares mediante espejos reflectantes. Una primera serie de filas de espejos orientables (63 en total) y situados sobre una ligera cuesta, recogen los rayos solares y los transmiten hacia una segunda serie de espejos "concentradores" que forman la enorme parábola en el edificio principal. Los rayos convergen a continuación hacia la zona superior del edifico central que los concentra sobre un objetivo, una superficie circular de 40 cm de diámetro, 18 metros delante de la parábola. Usando este método, la temperatura en el objetivo puede alcanzar los 3400° C.

En Latinoamérica el ingeniero chileno Charles Wilson, en Las Salinas, instalo un destilador solar de aproximadamente 5000 metros cuadrados de superficie, que producía alrededor de 21500 litros por día de agua dulce para la población que trabajaba en las faenas mineras del Salitre. Esta instalación funcionó durante cuarenta años hasta que la mina fue abandonada. Fue por lo tanto la primera aplicación industrial de la energía solar en gran escala.

10

MARCO CONCEPTUAL. Los concentradores estacionarios se caracterizan por su concentración: mayor de 1 y menor de 10, no requieren un seguimiento preciso sino sólo un ajuste ocasional a lo largo del año. En cambio, los concentradores con razón de concentración dentro del intervalo de 10 a 3000 necesitan que su curvatura geométrica sea muy precisa, al igual que su mecanismo seguidor. Algunas definiciones necesarias para entender los concentradores son:

• Radiación solar: Energía radiante recibida del Sol en su forma directa y difusa. La componente directa es la que se recibe directamente del Sol sin haber sufrido ninguna desviación en su trayectoria; la difusa se debe a su dispersión al atravesar la atmósfera y reflexión sobre la Tierra.

• • Colector solar: Dispositivo que absorbe la radiación solar y trasfiere su energía a un fluido. • Concentrador: Dispositivo que concentra la componente directa de la radiación solar sobre un absorbedor. • Concentrador: Dispositivo que concentra la componente directa de la radiación solar sobre un absorbedor. • Absorbedor: Componente de un dispositivo solar que tiene como función

captar y retener la mayor cantidad de radiación solar. • Área del absorbedor: Área que recibe la radiación concentrada. • Área de apertura: Área del captador que intercepta la radiación solar. • Razón de concentración: Se define como el coeficiente entre el área de apertura

colectora y el área del absorbedor. • Angulo de aceptancia: Amplitud de la zona angular dentro de la cual la radiación es

captada por el absorbedor de un concentrador. Por ejemplo, el valor mínimo de aceptación es del orden ½° y se debe al tamaño finito del Sol, mientas que en un colector plano tiene un ángulo de aceptación de 180°

• Eje de concentrador: Línea que pasa por el foco y su vértice.

• Angulo de borde: Angulo formado por el eje de un concentrador y la línea imaginaria que va desde su borde al punto focal.

• Absortancia: Razón de la radiación solar absorbida a la radiación incidente.

11

• Emitancia: Razón de radiación emitida por la superficie de un cuerpo a la radiación emitida por un radiador perfectamente a la misma temperatura.

• Eficiencia óptica de un colector: Razón de la energía captada por el colector solar a la energía solar incidente sobre el colector.

• Helióstato: Dispositivo que sirve para reflejar la componente directa de la radiación solar sobre el blanco fijo.

• • Reflejancia: Razón de radiación reflejada de un material a la radiación incidente sobre

el mismo. • Reflejancia especular: Esta consiste cuando una fracción de la energía incide sobre un

espejo con un ángulo de incidencia particular, entonces ésta es reflejada donde de un cierto ángulo sólido que estará centrado alrededor de un rayo saliente con un ángulo al de incidencia respecto a la normal.

• Factor de forma: Razón de la energía incidente sobre el absolvedor a la radiación directa incidente sobre el área de apertura del concentrador.

• Transmitancia: Razón de la energía radiante trasmitida por un material dado a la energía solar incidente. • Eficiencia óptica de un colector: Razón de radiación que recibe la apertura de un colector ideal en dirección al Sol a la que es eventualmente absorbida por el absolvedor de un colector real que puede no estar dirigido directamente hacia el sol. Esta eficiencia depende de la reflejancia del espejo, trasmitancia de la envolvente que pueda existir sobre el absorbedor, absortividad del absolvedor, factor de

forma del sistema concentrador y del ángulo de incidencia de los rayos concentrados hacia el absorbedor.

Transmitancia de la energía solar

12

La conversión de la energía solar en calor mediante colectores comprende tecnología bien conocida. La complejidad de los dispositivos de conversión depende del nivel de temperatura que se desea alcanzar. En forma general, un colector solar es el dispositivo que trasforma la energía solar en calor para transferirlo a un fluido apropiado.

Los colectores solares pueden dividirse en tres clases: captadores planos, concentradores de enfoque que siguen el Sol y concentradores estacionarios.

Los captadores planos son los más sencillos, capaces de obtener temperaturas que van desde algunos grados arriba de la temperatura ambiental hasta otras del orden de 100°C; en estas clases se encuentran colectores planos para el calentamiento de agua o aire, los estanques solares y los destiladores de agua.

Los dispositivos que aumentan la intensidad solar sobre una superficie absorbente, la cual recibiría solamente el flujo solar debido a su apertura, se llaman concentradores. La concentración de la radiación solar se logra mediante dispositivos ópticos que reflejan o refractan la radiación solar de manera que concentran el flujo incidente sobre un absorbedor de área mucho menor que la apertura.

La principal ventaja de un concentrador sobre el colector plano es que el flujo de energía es mayor por unidad de superficie de absorción, por lo que se reducen pérdidas térmicas, ya que el área del absorbedor es menor, lográndose en esta forma temperaturas más altas.

Concentrador Son dispositivos en los que se obtiene alta densidad de energía sobre un absorbedor, suficiente para lograr temperaturas mayores de 200°C, pudiendo llegar hasta 3800°C. Para logar altas concentraciones se requiere mecanismos muy precisos para seguir el movimiento virtual del Sol.

Ventajas del empleo de concentradores.

1) La cantidad de energía colectada sobre la superficie de absorción por unidad de área se aumenta, con lo cual se pueden alcanzar altas temperaturas aprovechables en algún ciclo termodinámico o en dispositivos termoiónicos, termoeléctricos, magnetohidrodinámicos u otros.

2) Reduciendo las pérdidas de calor al utilizar un absorbedor de menor área no sólo se mejoran las eficiencias térmicas sino que también se reducen efectos transitorios, ya que la masa térmica es mucho más pequeña que en colectores planos.

3) Los costos se reducen pues se reemplaza un absorbedor costoso por un área reflectora o reflectora menos costosa.

Principales desventajas de los concentradores.

13

1) Trabajan sólo con la componente directa de la radiación solar; el criterio de selección de estos sistemas debe incluir características geográficas, quedando restringida su utilización a lugares de alta insolación.

2) La calidad óptica de la superficie reflectora requiere mantenimiento y protección intensiva contra la exposición a la intemperie.

Se ha mencionado que la temperatura máxima que se puede lograr con los colectores planos es del orden de 100°C; la eficiencia de Carn ot de una máquina térmica que opere entre esta temperatura y la del ambiente, se limita a 20 por ciento aproximadamente, por lo que utilizarlos en un sistema termodinámico que incluya una máquina tal no resulta atractivo. En cambio al trabajar con temperaturas del orden de 300°C, misma que puede logar con captadores de enfoque, la eficiencia de Carnot aumenta al doble.

Una aplicación importante de concentradores en países desarrollados o en vías de desarrollo sería en los procesos industriales, por ejemplo, se conoce que las necesidades de calentamiento en dichos procesos, operando a temperaturas menores de 100°C es sólo de 5 por ciento, correspondiendo el restante a mayores temperaturas, por lo que un impacto significante del empleo de la energía solar en este sector sería con captadores de enfoque.

Con un balance de energía se puede ver cómo, a una temperatura dada, los concentradores son inherentemente más eficientes que los colectores planos. El calor útil entregado al fluido de trabajo está dado por la energía recibida por el absorbedor, menos las pérdidas de calor a medio ambiente, es decir:

�� = ���� − �� = ŋ��� − ���� − ���� (1)

Siendo � = Á������������� � = Á��������������� �� = ����� �ó!��"������ ���! ���!��������" �"� ��� �� = ��#����������"�����#���!��, �!°% �� = ��#����������"����������, �!°% � = %��&� ��!��'"���"�����!�&���! ���� �"�� ŋ = (&� ��! ��ó��� �

Si la eficiencia instantánea del colector es:

ŋ� = �����

�2�

Entonces:

ŋ� = ŋ − ���� − �������

�3�

Debido a que las pérdidas de un colector plano en el que ,-,.

= 1 crecen al aumentar la

temperatura, la ganancia de energía a altas temperaturas es baja. En cambio, en

concentradores al aumentar la razón de concentración % = � �0 , manteniendo Aa

constante, las pérdidas térmicas se reducen, permitiendo alcanzar altas temperaturas. Sin embargo, las perdidas por reflexión, factor de forma y la no concentración de radiación

14

difusa en los concentradores, reducen la energía absorbida comparada con la que un colector plano. En la siguiente figura se muestra como está construido un colector plano, comparándolo con un colector solar cilíndrico-parabólico.

Colector Plano Colector cilíndrico-parabólico

Para los colectores planos % = 1 y para concentradores % > 1. De la ecuación 3 es evidente que entre mayor sea C, más grande será la eficiencia; este tipo de análisis es muy simple, ya que no refleja la reducción en la eficiencia óptica que ocurre debido al uso de espejos o lentes imperfectos. Además, para altas temperaturas es más complicado obtener � debido a que las pérdidas por radiación son muy importantes y proporcionales a la temperatura elevada a la cuarta potencia.

Cuanto más alta es la temperatura a la cual la energía va a ser entregada en un concentrador, mayor deberá ser la razón de concentración; para lograr esto, la geometría del concentrador necesita ser la más precisa posible, así como del sistema que permite seguir al Sol.

Tipos de concentradores con seguimiento del Sol. Los concentradores se pueden clasificar según las siguientes características:

1. Temperatura de operación 2. Exactitud en el seguimiento aparente del Sol 3. Tipo de seguimiento.

Concentradores estacionarios. Los concentradores menos complejos son los que no requieren seguimiento continuo del Sol; éstos tienen un ángulo de aceptancia muy grande, concentración baja y diseño con base en alguna curvatura sencilla: su orientación debe ser en dirección este-oeste a fin de obtener mejor aprovechamiento de los ángulos de aceptancia grandes; las concentraciones pueden llegar hasta 10 con un tiempo de captación del orden de 7h, con ajustes una vez al día.

15

Los concentradores estacionarios de mayor concentración son los llamados parabólicos compuestos (CPC) desarrollados por Welford y Winston (1978) y Rabl (1976). Están formados por dos segmentos parabólicos simétricamente colocados alrededor de un eje; el foco de cada parábola se localiza en el extremo de la superficie absorbedor coincidente con la parábola opuesta. El ángulo de cada eje de la parábola proporciona el ángulo de aceptancia del concentrador.

Algunos valores respectivos de los concentradores CPC son:

Razón de concentración Angulo de aceptancia Número de reflexiones en el espejo

10 5.7 1.25 5 11.5 0.99

1.4 36 0.25 Otro tipo sencillo de concentradores se puede construir con dos espejos de forma V. Con este sistema es factible obtener concentraciones hasta de 3. A continuación se indican algunos intervalos de temperaturas con concentradores estacionarios:

Concentrado estacionario Temperatura máxima de

operación sobre el absorbedor, en °C

Concentración C

CPC fijo 100 sin vacío 120 con vacío 1.5 a 2

CPC con ajuste de inclinación por año 160 con vacío 3

CPC con ajuste diario de inclinación 180 con vacío 3 a 10

Espejos en V con 2 ajustes de inclinación por

año 120 con vacío 2

Espejos en V con ajuste diario de inclinación 140 con vacío 3

Concentradores con seguimiento continuo. Cuando se necesitan concentraciones mayores de 10 por periodos diarios de 6 h o más a lo largo de todo el año, se requieren sistemas con seguimiento del Sol. Existen dos tipos diferentes de concentradores al respecto: los de curvatura simple o concentradores cilíndricos, ya sea con curvatura circular o parabólica, y los de curvatura compuesta, o tipo platillo con los paraboloides de revolución y los casquetes semiesféricos. Los

16

concentradores de curvatura simple necesitan mecanismo seguidor con un grado de libertad (foco lineal), y los de curvatura compuesta dos grados de libertad mecánica (foco puntual).

En estos sistemas, el seguimiento del Sol se hace generalmente a través de sensores fotosensitivos que envían una señal de naturaleza eléctrica a un sistema electrónico y un servomecanismo.

Concentradores con curva sencilla. Uno de los sistemas que más se ha desarrollado en los últimos años es el concentrador cilíndrico-parabólico. En general, en los sistemas que están operando actualmente, el absorbedor y el concentrador puede o no girar simultáneamente; el objetivo principal es que exista un buen enfoque sobre el tubo absorbedor que se encuentra a lo largo del foco de la parábola.

La concentración en dichos sistemas está en el intervalo de 15 a 80, y las temperaturas de trabajo alcanzables entre 200 y 400 °C.

Estos sistemas pueden operar con orientación N-S, E-O, o polar. Conforme su orientación, el movimiento angular necesario para seguir el Sol será más lenta o más rápida. La selección de la orientación dependerá de la cantidad de energía requerida a lo largo del día y a lo largo del año.

En la figura 8 se muestra la eficiencia de los concentradores según la temperatura del tubo absorbedor, se observa que las pérdidas por reflexión debidas a la reflejancia de los espejos son de 15 por ciento; estas pérdidas no se pueden eliminar, ya que técnicamente sería difícil fabricar espejos baratos con mejores características ópticas. Las pérdidas por el factor de forma son las que se deben a la concentración de una buena geometría durante la construcción de cilindros parabólicos; este factor puede empeorar a lo largo del tiempo si la geometría se deforma.

Un aspecto muy importante en el funcionamiento de un concentrador es el absorbedor. Como intento inicial para fijar el diámetro del absorbedor, es apropiado tratar de captar toda la energía reflejada por el espejo parabólico. El diámetro del receptor dependerá del tamaño angular del Sol, magnitud de error cometido en el seguimiento, error de curvatura del espejo, irregularidad de la superficie reflejante y de la absortancia angular característica de la superficie receptora.

Las pérdidas térmicas son directamente proporcionales al diámetro del receptor, para tener un receptor con el menor diámetro posible y así reducir las pérdidas térmicas, es necesario seleccionar un ángulo de borde para el espejo de tal forma que se logre minimizar la distancia máxima (�2�3) de la superficie reflejante al foco. Como se observa en la figura 9, el cono de radiación aumenta su sección circular conforme se incrementa la distancia reflector-receptor, ya que ésta aumenta al irse alejando del foco; es por eso que se requiere minimizar la distancia reflector-receptor. Un ángulo de borde de 90° minimiza dicha distancia.

17

Cuando la apertura del concentrador se conoce, el diámetro del receptor se puede calcular tomando en cuenta las características ópticas del espejo. Una vez que la radiación solar llega al absorbedor, es importante sea captada en la mayor medida posible, por eso es necesario cubrir el absorbedor con sustancia de alta absortividad.

Otro tipo de pérdidas importantes en estos concentradores son las debidas a la convección y conducción de calor al medio ambiente, por lo que es necesario reducirlas mediante el encierro del tubo absorbedor dentro de un tubo de vidrio y bajar la presión del espacio intermedio.

El concentrador cilíndrico-parabólico, como su nombre lo indica es una parábola explosionada de tal manera que tiene la forma de un “cilindro”. La parábola es el lugar geométrico de un punto que se mueve en un plano de tal manera que su distancia de una recta fija, situada en el plano, es siempre igual a su distancia de un punto fijo del plano y que no pertenece a la recta. El punto se llama foco y la recta fija directriz de la parábola.

La ecuación de la parábola con el vértice en el punto de origen es:

4 = 56

4�

Donde “p” es la coordenada del punto foco de la parábola.

Grafica de una parábola

La parábola tiene una importante propiedad focal basada en el siguiente teorema:

La normal a la parábola en un punto P1(x1 , y1) cualquiera de la parábola forma ángulos iguales con el radio vector de P1 y a la recta que pasa por P1 y es paralela al eje de la parábola.

18

Propiedad de la tangente en la parábola

El método para encontrar la tangente es por medio de la primera derivada de la ecuación de la parábola con respecto al punto a analizar. Lo cual nos otorga el valor pendiente de la ecuación de la recta.

48 = 592�

�4 − 49� = :592�; �5 − 59�

Al tener los valores de la variable dependiente e independiente de la ecuación se puede construir la línea tangente de la parábola en el punto x1.

Uno de los métodos de construcción con un buen margen de resultados positivos es el siguiente:

Primero se necesita contar con un molde macho, en el que la geometría de la parábola sea lo más precisa posible. La elaboración de un buen molde macho puede hacerse como a continuación se indica:

a) Reproducir manualmente la geometría de la parábola en una planilla de lámina de aluminio de alrededor de ½ de espesor, que se usará como patrón, y compararla con una parábola dibujada en papel cartoncillo con el método de tangentes, el más simple para trazar una parábola.

b) Construir una estructura de madera y metal que formara el molde macho, consistirá en tres arcos de madera de aproximadamente 1 1 2"⁄ que simulen tanto como se pueda la parábola deseada. Posteriormente se construye una estructura como la de la figura 21, que se cubre con una lamina de fierro de 1/16” de preferencia con acabado espejo.

Una vez construido el molde macho se hace las conchas cilíndricos-parabólicos que servirán para soportar los espejos; éstas pueden ser de fibra de vidrio, poliuretano, triplay o algún otro tipo de material moldeable.

19

De acuerdo a la información de la UNAM del resultado de los trabajos de investigación de Ignacio Galindo, Sergio Castro y Mauro Valdés como autores, presentan la Radiación Solar Global determinada con el método de Tarpley, en las diferentes estaciones del año en la República Mexicana presentadas gráficamente como mapas.

También en una forma más detalla, se tienen los mapas de la Radiacion Solar Global en el territorio de la República Mexicana en cada mes.

20

21

22

23

24

25

26

27

Los resultados que se obtienen en estos mapas que trazan las isolíneas de Radiación Solar Global, de acuerdo a lo graficado, en la región que se encuentra la Ciudad Lázaro Cárdenas tiene una Radiación Solar Global promedio al año de 19.25.

28

MARCO REFERENCIAL. Tomando como referencia de este anteproyecto podemos citar unas Instituciones Educativas y Centros de Investigación, como es la Universidad Autónoma de México (UNAM), Universidad Autónoma de Ciudad Juárez (UACJ), Centro de Investigación en Energía.

Con respecto a la Universidad Autónoma de México, como referencia están los proyectos realizados por Almanza, R., Valdés, A. y Montes, E., en el año de 1981, con el nombre de proyecto como Concentradores Solares.

En la Universidad Autónoma de Ciudad Juárez se han realizado diferentes proyectos sobre la energía solar utilizando concentradores y colectores. Jenaro Carlos Paz Gutiérrez presento un proyecto titulado Colectores Solares Planos en el año 2006, lo cual explica el tratamiento teórico de los colectores planos, además presenta tablas de la incidencia solar de cada mes en la región donde se ubica la localidad de Ciudad Juárez, Chihuahua.

Como último tenemos como referencia, las investigaciones por parte del Instituto de Energía Renovables, localizada en Temixco, Morelos. Dentro del Instituto, contiene varios departamentos, lo cuales son: Departamento de Materiales Solares, Departamento de Sistemas Energéticos y Departamento de Termociencia. El Departamento de Sistemas Energéticos es el cual podemos encontrar la área de investigación de Concentración Solar, la Coordinación de Concentración Solar en su último informe, presento sus principales logros lo cual uno de ellos tiene referencia a este anteproyecto.

“Se llevó a cabo una evaluación preliminar del desempeño del Horno Solar de Alto Flujo Radiativo (HSAFR) con su óptica completa obteniendo resultados que indican un nivel de concentración pico por arriba de los 18,000 soles.”

"Comparación exergo económica entre un concentrador solar de canal parabólico y un sistema de concentración solar tipo fresnel" (2010-2012), DGAPA-PAPIIT IN113310. Resp. Dr. Oscar A. Jaramillo Salgado.”

Anteriormente, en un viaje de visita industrial se pudo acceder a las instalaciones del Centro de Investigación de Energía, para observar algunos resultados de los experimentos que han realizado los encargados de la Coordinación de Concentración Solar. El Centro de Investigación de Energía es uno de las mejores referencias que se puede tener en México.

Resultado del experimento del Horno Solar en una placa de acero.

Horno Solar del Centro de Investigación de Energía

Concentrador Solar de Cilindrico

ado del experimento del Horno Solar en una placa de acero.

Horno Solar del Centro de Investigación de Energía

Concentrador Solar de Cilindrico-Parabólico del Centro de Investigación de Energía

29

ado del experimento del Horno Solar en una placa de acero.

Parabólico del Centro de Investigación de Energía

30

MARCO CONTEXTUAL En México, existen avances tecnológicos en la captación de la energía solar y en el aprovechamiento de la misma en los colectores solares, ya sean colectores planos, cilíndricos-parabólicos, parabólicos en revolución, concentración tipo Fresnel, etc.

En la Ciudad de Lázaro Cárdenas, Michoacán al contar con una incidencia de Radiación Solar Global promedio de 19.25 se considera un lugar apropiado para implementar este sistema de calentamiento de agua; haciendo una aclaración, este sistema no es capaz de generar vapor a alta presión para que sea utilizada en turbinas generadores de energía eléctrica, ya que para dicho procesos se requiere mayor Radiación Solar Global promedio, mayor área del concentrador, un aceite sintético que realizara el intercambio de calor.

El concentrado solar cilíndrico-parabólico pude ser utilizado con fines didácticos en las instalaciones del Instituto Tecnológico de Lázaro Cárdenas, en el área verde del edificio H. Además de fines didácticos, la implementación de este sistema para los usuarios que deseen calentar agua para fines alimenticios que es el principal objetivo del proyecto.

En las enramadas que ofrecen el servicio de comida se implementaría este sistema para la preparación de mariscos, lo cual reduce las emisiones de gases contaminantes y a la concientización del usos de las energías verdes.

31

TIPO DE INVESTIGACIÓN.

Esta investigación es del tipo experimental, ya que se realizaron varios experimentos,

hasta que se obtuvieron los resultados deseados. Se hicieron diversas pruebas con

diferentes materiales, configuraciones y métodos de calentamiento hasta obtener el

modelo que tenemos actualmente.

Con este tipo de investigación se pretende impulsar el desarrollo de la tecnología solar

en la región, de manera que pueda ser accesible a la mayoría de la población.

32

OBJETIVOS GENERALES Y ESPECÍFICOS.

El objetivo general de esta investigación es el poder construir un prototipo de un colector solar del tipo cilindro-parabólico, el cual sirva para poder calentar agua sin necesidad de utilizar ningún combustible fósil en este proceso.

Como objetivos específicos, nos planteamos los siguientes objetivos:

• Desarrollar la geometría del colector para poder obtener un concentrador funcional y eficiente, y de esta manera reducir significativamente el uso de combustibles fósiles en el proceso de calentamiento de agua.

• Construir un tipo de colector a un bajo costo, ya que se pretende que este tipo de tecnología sea accesible para casi cualquier persona.

• Fomentar el uso de la tecnología solar en la región, y que este tipo de proyectos sean punta de lanza para el desarrollo e implementación de este tipo de tecnología en diferentes procesos en la región, ya que nuestra zona es una región en la que puede florecer el uso de este tipo de equipos.

• Hacer frente a los problemas de contaminación que actualmente afectan nuestra ecología.

• Realizar el modelado del colector solar canal parabólico en el software SolidWords.

33

HIPÓTESIS. La hipótesis que se a generado y desarrollado en el transcurso del escrito se plasma la hipótesis la cual es que la luz procedente del Sol se aprovechara para el calentamiento de agua o cualquier fluido por medio de un colector que la reflejara al punto focal del colector trasmitirá el calor que incide en el colector al fluido.

VARIABLES QUE INTEGRAN LA HIPÓTESIS. La hipótesis contiene diferentes variables que permiten la sustentación de lo anteriormente dicho.

Las variables son:

• Radiación Solar

• Curvatura del colector solar cilíndrico-parabólico.

• Longitud del colector solar cilíndrico-parabólico.

• Reflejancia del papel reflejante del colector

• Absortancia de la tubería de cobre.

• Orientación solar.

• Temperatura ambiente

34

METODOLOGÍA Y ACOPIO DE INFORMACIÓN. La metodología que se utilizo se basa en el diseño de nuevos productos para los sistemas de concentración de energía solar que cumplan con los requerimientos y necesidades de los ciudadanos que desean contribuir al cuidado del medio ambiente, implementando este sistema en sus hogares o negocios.

De tal forma que esta investigación considerará los siguientes factores de vital importancia, como son ligeros, portátiles y funcionales, implementando el diseño por sujeción, aumentando la eficiencia del producto al momento de ser utilizado por el usuario.

El diseño del producto se realizó en base a una secuencia de pasos, los cuales son mostrados en el siguiente diagrama de flujo, donde se presenta la metodología para el diseño y desarrollo del sistema propuesto, observando como máxima prioridad la determinación de las necesidades del ciudadano, que posteriormente se desarrollaran a través de una lluvia de ideas, optando por la más adecuada para la generación del diseño de ingeniería que al implementarlo cubrirá las expectativas y necesidades del usuario.

Sin problemas de

fabricación

Con problemas de

fabricación

Mal diseño

Buen diseño

Lluvia

de Ideas

Selección del

concentrado

Diseño

Preliminar

Implementación

de Ingeniería

Fabricación

del prototipo

Instalación del

concentrador

35

Como se muestra en el diagrama, la lluvia de ideas es el inicio de cualquier proyecto. Las ideas estaban relacionadas sobre la aplicación del concentrador solar, lo cual la aplicación que se eligió fue para fines alimenticios y didácticos.

De todos los tipos de concentradores se selecciono el concentrador solar cilíndrico-parabólico de acuerdo a la temperatura que se pudiese alcanzar.

El bosquejo o diseño preliminar es importante, ya que se plasma en papel el conjunto de ideas del posible producto terminado. Hubo varias modificaciones en el diseño del concentrador una vez realizado la implementación de la ingeniería.

Terminado los planos para la construcción del concentrador, se procedió en la fabricación del concentrador, sin embargo, en todo procesos de diseños alternos a los que se consideran comunes existen complicaciones en la fabricación, por lo cual debemos seleccionar un nuevo concentrador solar que no puedan presentar dificultades técnicas en la construcción que el anterior.

Por último, al terminar la fabricación se procede a la instalación del concentrado que consiste en la orientación y abastecimiento de agua.

Se utiliza la teoría recopilada por medio de libros, artículos y documentales de colectores solares para poder realizar los cálculos necesarios para la fabricación de dicho colector.

Como primer paso fue la realización del bosquejo del canal parabólico en el software Derive. Insertamos la ecuación de la parábola como:

4 = 56

80

Al utilizar la herramienta de graficar la ecuación nos proporciona la imagen siguiente.

Esto nos proporciona una idea de las dimensiones que se partira en el dieño definitivo del colector cilíndrico-parabólico.

30

36

De acuerdo a la información proporcionada procedemos a utilizar el software SolidWorks para mayor rapidez de diseño, ya que el programa tiene una gran variedad de herramientas que nos permiten modificas rápidamente el diseño del colector. Se procede realizando la lámina donde será reflejada la luz proveniente del Sol.

Canal de colector solar cilíndrico-parabólico

El colector tiene una apertura de 80 centimetros y una altura de 20 centimentros; la profundidad del canal es de 110 centimetros. En la figura siguiente se muestran el croquis de la parabola.

Croquis del canal parabólico

Este canal debe tener una base lo cual se montara. Esta base debe soportar los esfuerzos estaticos debido al peso del canal.

31

37

Base del Colector Solar

Croquis de la base del Colector Solar

La tubería de media pulgada se acopla en el eje focal dentro del programa de computadora, lo cual nos proporciona una vista del ensamble del colector solar.

38

Ensamble del Colector Solar Cilíndrico-Parabólico

Una vez realizado el modelado, se procede en la construcción del colector. Se presenta una lista de los materiales que se utilizaron a lo largo de toda la manufactura del colector.

Nombre Cantidad Nombre Cantidad Nombre Cantidad

Solera de ½” in 6 metros Codos de

1/2” X 90° 2 piezas Pintura Negra ½ Litro

Lamina galvanizada 1 pliego Válvula de

globo ½” in 2 piezas Papel aluminio 2 pliegos

Tubular 1” X 1/2” in 9 metros Abrazadera

½” in 2 piezas

Pija

autotaladrante 10 piezas

Tubo de cobre ½” in 2 metros Abrazadera

1” in 2 piezas Electrodo 6013 6 piezas

Resistol Blanco 250 ml Tubo

galvanizado

1”

30 cm Soldadura

Plomo-Estaño 50 gr

39

Al igual que una lista de los materiales que se utilizaron en la construcción del colector, se presenta una lista de las herramientas que se utilizaron.

• Maquina de Soldar • Tijeras de corte de lamina • Taladro • Pulidora • Maquina de corte de disco • Sujetadores • Soplete

En el siguiente enlistado, se presenta la secuencia de la construcción de cada uno de los componentes del colector solar.

1. Corte, dobles de la solera. 2. Aplicación de soldadura de arco eléctrico para la unión de la solera para la

formación del esqueleto del canal. 3. Fijación de la lámina galvanizada al esqueleto del canal. 4. Cubrimiento de la lámina galvanizada con papel aluminio en toda la superficie

donde se reflejara los rayos del Sol. 5. Corte del tubular de 1” X ½” in. 6. Aplicación de soldadura para la unión del tubular a la forma deseada en la

construcción de la base del colector. 7. Corte de la tubería de cobre. 8. Aplicación de soldaduraplomo-estaño para la unión de la tubería con los codos y

válvulas de globo. 9. Montaje de la tubería de cobre con los accesorios al canal. 10. Montaje del canal a la base del colector. 11. Aplicación de pintura negra en la tubería de cobre y en la estructura del colector.

La siguiente secuencia de fotografías muestra el desarrollo de la construcción del colector solar cilíndrico-parabólico.

40

Corte, dobles de solera y aplicación de soldadura para el esqueleto del canal.

Aplicación de soldadura en eje/esqueleto del canal. Esqueleto del canal terminado

Aplicación del

papel aluminio a la lámina galvanizada Aplicación del papel aluminio a la lámina galvanizada

(1/4 del área cubierta) (3/4 del área cubierta)

Aplicación del papel aluminio a la lámina galvanizada

(100% del área cubierta)

41

Corte del tubular a los ángulos requeridos

Montaje de los componentes para la

aplicación de soldadura

Aplicación de Soldadura para la

construcción de la base del colector

Montaje y pintado del colector solar

Montaje de la tubería de cobre en el

colector solar

Puesta en funcionamiento del Colector Solar

Cilíndrico-Parabólico

42

Vista frontal del Colector Solar Cilíndrico-Parabólico

Vista del eje focal del Colector Solar Cilíndrico-Parabólico

43

CONCLUSIONES. La utilización de las fuentes de energía renovables es optima cuando la construcción de los

dispositivos es lo más precisa posible.

Los concentradores solares cilíndricos-parabólicos no han sido fomentados para utilizarlos en el

calentamiento de agua para fines alimenticios, terapéuticos o para aseo personal; por el hecho de

que existen los colectores solares planos que el costo de fabricación es más bajo que el de un

colector solar cilíndrico-parabólico. Una de las limitaciones que presenta esta utilización es la

necesidad de un mecanismo seguidor del sol, que conlleva a elevar el costo de operación del

colector y también los costos de mantenimiento preventivo.A pesar que el colector cilíndrico-

parabólico pueden llegar a obtener 500% de eficiencia que tiene un colector plano, la tecnología

no se ha inclinado para el desarrollo para el uso domestico que favorece tanto a la economía

familiar y a la conservación del medio ambiente.

Un uso que seria de interés para los ciudadanos es de utilizarlo como asador de carnes o troncos

de carnes en los días de campo o reuniones al aire libre en el cual se desea ingerir alimentos que

se necesitan ser cocinados, rostizados o asados.

Como parte del objetivo general es el calentamiento de agua para fines alimenticios en el hogar,

resultaría un mayor impacto en los negocios que ofrecen comida (Restaurant) en sus cocinas, para

esto el tipo de fluido debe tener diferentes propiedades físicas para que pueda ceder el calor

obtenido del colector hacia los platos que se utilizan para cocinar. Aclarando que el diseño del

colector no varia, solo la conexión hacia el intercambiador de calor.

44

RECOMENDACIONES. Las siguientes recomendaciones son tanto para la construcción, montaje y la operación del concentrador solar cilíndrico-parabólico.

Construcción del concentrador. • Realizar un molde para obtener la curvatura de la parábola, prensando la solera

para que adopte la forma del molde. • El soldador debe realizar su trabajo con calidad. Si no se cuenta con un soldador y

desea soldar por si mismo, se recomienda practicar antes de soldar las piezas del concentrador.

• Pinte el concentrador antes de cubrir al canal cilíndrico-parabólico con papel reflejante.

• Al momento de cubrir el canal cilíndrico-parabólico debe estar limpio y seco. Evite la formación de burbujas entre el canal y el material con que se cubrirá.

• Utilice tubería mayor o igual a 1/2 pulgada de diámetro.

Montaje del concentrador. • Antes del montaje, limpie la superficie reflejante y la tubería de cobre con un

pañuelo suave. • Montar el concentrador a una distancia considerable de objetos grandes o

montarlos en un área despejada. • Procure montarlo en una superficie plana. Nivelar el concentrador si es necesario. • Orientar el concentrador de Norte a Sur. • Orientar el canal de forma perpendicular al Sol. Como una orientación más exacta,

utilice como guía la sombra de la tubería de cobre con el eje del canal.

Operación del concentrador • Reorientar el canal cada 10 minutos para poder mantener la eficiencia del concentrador.

• No toque la tubería de cobre. Puede producirse quemaduras de primer grado.

• Utilizarlo entra las 10:00 am y 5:00 pm.

• No deje la tubería de agua completamente vacía.

45

CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES.

Fecha

Actividad 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4

Realización de lluvia

de ideas y bosquejo

Acopio de

información

Modelado del

cocentrador

Compra de material

para la fabricación

del concentrador

Fabricación del

concentrador

Realización de

pruebas de

eficiencia

Realización del

protocolo del

proyecto

Presentación del

Proyecto

Febrero Marzo Abril Mayo

46

BIBLIOGRAFÍA. “Concentradores Solares”; Almanza R. Valdés; Series del Instituto de Ingeniería, UNAM.

El libro de la Energía Solar Pasiva; EdwarMazria; Ediciones G. Gilí, S.A.

Geometría Analítica; Lehmann, Editorial LIMUSA, S.A. de C.V.