MAESTRÍA EN ENERGÍAS RENOVABLES VICERRECTORADO DE INVESTIGACIÓN Y TRANSFERENCIA DE TECNOLOGÍA    MAESTRÍA EN ENERGÍAS RENOVABLES IV PROMOCIÓN    TESIS DE GRADO DE MAESTRÍA EN ENERGÍAS RENOVABLES TEMA : “ESTUDIO Y DIMENSIONAMIENTO ÓPTIMO DE CONCENTRADORES CILINDRICO PARABÓLICOS PARA EL DESARROLLO DE CENTRALES TERMOSOLARES, MEDIANTE LA TEORÍA DE ANTENAS REFLECTORAS”    AUTOR: ING. MARÍA CRISTINA PAUTE M.   DIRECTOR: ING. MSc. JOSÉ GUASUMBA OPONENTE: DR. KLEBER ANDRADE Sangolquí, 20 de Julio 2016

CONTENIDO RESUMEN INTRODUCCIÓN 1.- Generalidades 2.- Marco teórico ESPE RESUMEN INTRODUCCIÓN 1.- Generalidades 2.- Marco teórico 3.- Estado del arte 4.- Dimensionamiento del sistema de concentración 5.- Análisis de resultados 6.- Conclusiones y recomendaciones

RESUMEN ESPE La presente investigación comprende el estudio y aplicación de la óptica geométrica, similar a la que se utiliza en el dimensionamiento de antenas de comunicaciones, para el desarrollo de sistemas de concentración de la energía solar, utilizando de manera experimental, la de forma diédrica, cilíndrico parabólico y paraboloide de revolución para determinar su potencial energético de captación.

INTRODUCCIÓN ESPE En la actualidad el Ecuador cuenta con diversas instalaciones para calentamiento de agua de uso doméstico, en las cuales se utilizan colectores planos o de tubos al vacío, que corresponden a aplicaciones de baja temperatura. En lo referente a sistemas de concentración utilizando reflectores, en el estado del arte a nivel del país no se conoce de estas aplicaciones, por lo que en esta investigación se pretende analizar la factibilidad técnica del desarrollo de sistemas de concentración, diseñados de acuerdo con los parámetros geométricos tales como f/D y RC.

1. .- GENERALIDADES 1.1 Antecedentes ESPE 1.1 Antecedentes En el desarrollo de tecnologías de concentración de la luz solar se utilizan reflectores de diversas formas geométricas, especialmente los cilíndricos parabólicos, que son utilizados en la generación de electricidad en plantas termosolares; como la PS10 y PS20. En cuanto a las eficiencias energéticas de estas centrales termosolares, tienen un rango que van del 17 al 27 % muy superior a las instalaciones fotovoltaicas que alcanzan el 8%.

1.2 Definición del problema ESPE 1.2 Definición del problema En los análisis técnicos sobre nuevas aplicaciones de energía solar de media y alta temperatura, existen dificultades en el dimensionamiento de sistemas ópticos de concentración cuando se requiere desarrollar concentradores cilíndrico parabólicos, lentes de Fresnel o espejos convencionales, debido a que es necesario conocer en detalle, parámetros energéticos, geométricos y ópticos.

ESPE 1.3 Objetivo general   Desarrollar un procedimiento que permita aplicar los conceptos básicos utilizados en la teoría de antenas parabólicas de comunicaciones, para el dimensionamiento geométrico y ensayo de concentración de la luz solar con CCP. 

1.4 Objetivos específicos Analizar los parámetros energéticos que inciden sobre los concentradores cilíndricos parabólicos. Analizar las variables de la radiación solar directa que inciden sobre los concentradores. Caracterizar los datos experimentales de rendimiento óptico, calor útil, temperatura focal.

ESPE 1.5 Alcance Para conocer los dispositivos de mayor potencial en la captación y concentración de la luz solar, se desarrollan y ensayan los siguientes reflectores: diédrico, cilíndrico parabólico y paraboloide.

1.6 Justificación e importancia ESPE 1.6 Justificación e importancia En el país existe retraso en la concepción y desarrollo de sistemas de concentración de la radiación solar, para generación de electricidad o calor, para lo cual es necesario conocer los procedimientos geométricos adecuados al diseño óptimo de reflectores, que se realiza en la presente investigación a fin de generar nuevas posibilidades y aplicaciones energéticas alternativas que permitan contribuir al fortalecimiento de la Matriz Energética Nacional.

𝐸 Irradiancia solar, en W/m2 2. MARCO TEÓRICO ESPE Propiedades ópticas de un material expuesto a la luz solar: Reflectancia Absortancia Transmitancia Emisividad  Energía que entra al sistema = Energía que sale del sistema  𝐸=𝜌𝐸+𝜏𝐸+ 𝛼𝐸 𝐸 Irradiancia solar, en W/m2   

Reflectividad del suelo y CCP ESPE Reflectividad del suelo y CCP La reflectividad del suelo ρ=0.4 y espejo reflector (Milar aluminizado) ρ=0.799

Arena, ripio, piso de cemento ESPE Coeficiente de reflectividad de suelo Suelo Reflectividad Tierra seca, suelo 0.2 Hierba húmeda 0.3 Arena, ripio, piso de cemento 0.4 Nieve, pintura blanca 0.6 Fuente: Comunidades rurales y energía solar fotovoltaica, ISF, Cooperación y tecnología, IEPALA, 1999

Película de aluminio Mylar ESPE Reflectividad de materiales Material Reflectividades Plata brillante 0.92 Aluminio electro-abrillantado 0,90 Chapa galvanizada 0,58 Espejo 0,85 Acero inoxidable 0,57 Película de aluminio Mylar 0,83 Papel de aluminio 0,79 Fuente: www.inenco.net

ESPE Tipos de Reflectores: Diédrico

ESPE Cilíndrico

ESPE Parabólico

Relación 𝑓 𝐷𝑎 comprendidas entre 0,25 y 0,5 ESPE Geometría de reflector parabólico Relación 𝑓 𝐷𝑎 comprendidas entre 0,25 y 0,5 (Cardama, Antenas, 2004. pag. 289)

Altura del reflector parabólico ESPE Altura del reflector parabólico 𝐶= 𝐷𝑎 16. 𝑓 𝐷𝑎

3. ESTADO DEL ARTE ESPE Antenas Reflectoras Diédrico Cilíndrico

Cassegrain, Antena parabólica con reflector primario y secudario ESPE Parabólico "Arthur", la primera antena parabólica satelital del mundo en la Estación Terrana Goonhilly Cassegrain, Antena parabólica con reflector primario y secudario

Aplicaciones de reflectores en energía solar ESPE Aplicaciones de reflectores en energía solar CCP con 3 reflectores cilíndrico parabólicos

4. DIMENSIONAMIENTO DE SISTEMAS DE CONCENTRACIÓN ESPE Balance de energía en el reflector y absorbedor 𝑞 𝑢 = 𝑞 𝑎𝑏𝑠 − 𝑞 𝑝 = 𝑞 𝑎𝑏𝑠 − 𝑈 𝑐 𝑇 𝑐 − 𝑇 𝑎 𝐴 𝑟 𝑞 𝑎𝑏𝑠 = 𝜂 𝑜 𝐴 𝑎 𝐺 𝑑 𝜂 𝑜 = 𝜚 𝑅 𝜏𝛼𝛾 𝐹 𝑓 𝑡

Eficiencia instantánea ESPE Eficiencia instantánea 𝜂 𝑐 = 𝑞 𝑢 𝐺 𝑑 𝐴𝑎 𝜂 𝑐 = 𝜂 𝑜 − 𝑈 𝑐 𝑇 𝑐 − 𝑇 𝑎 𝐺 𝑑 1 𝑅𝐶

Rango de aplicación de sistemas de concentración ESPE Rango de aplicación de sistemas de concentración 𝑅𝐶= 𝐴 𝑎 𝐴 𝑟 𝐴𝑎=𝐿.𝐷𝑎

Dimensionamiento de espejos de concentración a) Diédro, 30 x 30 cm b) Cilíndrico Parabólico 1,5 x 1,2 m b) Paraboloide, Da = 0,6 m Tipo Aa [m2] Aabs Tabs [°C] Qabs [W] Qpr Qpc Qu Ncr PP 0.03 40.18 22.66 15.70 3.88 3.07 6050 Cd 0.09 0.04 53.75 54.88 23.27 9.14 22.48 828 CCP 1.80 0.05 43.28 693.98 72.19 6.56 604.13 31 PR 0.41 0.00035 83.20 198.55 5.49 3.03 190.03 98

5. ANÁLISIS DE RESULTADOS ESPE Análisis de la radiación solar Método HSP (kWh/m2día) I (W/m2)  NASA  4.25   MAPA INAMHI 4.00 – 4.50 ISOCAD 4.99 PIRANÓMETRO 726.03

Razón de concentración y temperatura ESPE Razón de concentración y temperatura

Análisis comparativo del CCP de 3 reflectores ESPE Análisis comparativo del CCP de 3 reflectores Ensayo 1 Temperaturas de entrada T1 y salida T2 del aceite térmico, ΔT = 16,46 °C

Análisis comparativo con la CCP de 3 concentradores ESPE Análisis comparativo con la CCP de 3 concentradores Ensayo 1 Temperaturas de tubo absorbedor (Tp) y cubierta de vidrio (Tc), ΔT = 10 °C

Análisis comparativo con la CCP de 3 concentradores ESPE Análisis comparativo con la CCP de 3 concentradores Ensayo 1 Flujo másico de aceite térmico, de 5 a 6 Kg/min

Análisis comparativo con la CCP de 3 concentradores ESPE Análisis comparativo con la CCP de 3 concentradores Ensayo 1 Velocidad del viento, Vprom = 7,78 m/s

Análisis comparativo con la CCP de 3 concentradores ESPE Análisis comparativo con la CCP de 3 concentradores Ensayo 1 Irradiancia solar, Iprom = 696,14 W/m2

Análisis comparativo con la CCP de 3 concentradores ESPE Análisis comparativo con la CCP de 3 concentradores Ensayo 1 Eficiencia energética del CCP, nc = 46.3%

Análisis comparativo con la CCP de 3 concentradores ESPE Análisis comparativo con la CCP de 3 concentradores Ensayo 1 - 8

6. CONCLUSIONES ESPE A partir del estudio de la óptica geométrica utilizada en el dimensionamiento de antenas parabólicas, se ha logrado determinar los parámetros energéticos fundamentales para el diseño de la Central Solar Térmica de 18.604 W, donde la relación f/Da puede variar de 0,25 a 0,5, si se toma el valor superior el reflector tiene menor curvatura y al seleccionar 0,25 el foco se ubica cerca al reflector, aumentando la temperatura del espejo.

6. CONCLUSIONES ESPE Se ha determinado que un reflector diédrico tiene una RC de 2,25, el cilíndrico parabólico de 40 y el paraboloide de revolución alcanza 1148, esta relación indica que a mayor RC se puede alcanzar altas temperaturas, superiores a 1000°C.

6. CONCLUSIONES ESPE Para el dimensionamiento del Proyecto de Central Solar Térmica se selecciona los concentradores cilíndricos parabólicos, por su facilidad de fabricación y costos razonables.

6. CONCLUSIONES ESPE Al haber analizado el reflector diédrico de 4 espejos, cilíndrico parabólico (CCP) y paraboloide de revolución, como dispositivos de captación de energía solar, de acuerdo con los datos obtenidos para alcanzar un calor útil de 18.604 W, se necesitan 828 reflectores diédricos y una área de apertura de 74 m2; en el caso de los CCP 31 unidades y área requerida 56m2 y finalmente al utilizar paraboloides de revolución el requerimiento es de 98 unidades y un área de apertura 40m2.

RECOMENDACIONES ESPE A partir de la investigación de reflectores de concentración de la luz solar, es necesario continuar con el estudio para el mejoramiento de las superficies de reflección y absorción de la radiación, pudiendo utilizarse recubrimientos selectivos, es decir materiales con alta absortancia y baja reflectancia para los absorbedores.

RECOMENDACIONES ESPE Realizar análisis para verificar el comportamiento energético de los fluidos, mediante la variación de los diámetros del absorbedor y cubierta para determinar la ganancia instantánea de energía térmica. Determinar el tipo de fluido más adecuado para uso en procesos de media temperatura, en el rango de 100 °C a 400 °C.

GRACIAS