Optica de Sistemas de Concentración Solar

Presentación del tema: "Optica de Sistemas de Concentración Solar"— Transcripción de la presentación:

1 Optica de Sistemas de Concentración Solar
Dr. Camilo Arancibia Bulnes Centro de Investigación en Energía UNAM, Campus Morelos

2 Contenido Introducción Fundamentos Concentradores parabólicos
Concentradores de no-imagen Aplicaciones

3 Introducción

4 Colectores sin concentración
Termo-tanque Radiación solar

5 Definición de concentración
Pc = Gs Ac qr = Pr / Ar asumiendo que no hay pérdidas Pc = Pr qr = C Gs C=Ac/Ar

6 La hazaña de Arquímedes
Dibujo renacentista del concepto de los espejos quemantes

7 Concentrador de Mouchot y Pifre (1878)
Exposición Universal de París, 1882

8 Fundamentos

9 Sistemas de foco puntual y foco lineal

10 Angulo de aceptación Angulo de aceptación es el tamaño del cono para el cual todos los rayos inciden en el receptor

11 Concentración y ángulo de aceptación

12 Si sólo se acepta radiación proveniente del cono solar
Δs=4.7mrad Si sólo se acepta radiación proveniente del cono solar se alcanza la máxima concentración posible

13 Límites físicos a la concentración solar
Clim, 3D = 45,300 Tlim, 3D =Tsol =5777 K Clim, 2D = 213, Tlim, 2D = Tsol 213-1/4 =1600 K ¡El receptor no puede estar más caliente que el sol !

14 La declinación solar www.cie.unam.mx Sol Orbita Jun 21 δ=23.45º
Trópico de Capricornio Cáncer Ecuador Eje polar Equinoccio de primavera Mar 21 de otoño Sep 22 Solsticio de verano Jun 21 Solsticio de invierno Dic 21 Orbita δ=23.45º δ= º Jun 21 Dic 21 Mar 21, Sep 22

15 Radiación directa y difusa

16 Diseño del colector Colector de alta Concentración Alta temperatura
Seguimiento Sólo radiación directa Colector de baja Concentración Baja temperatura Sin seguimiento Radiación directa y difusa

17 Leyes básicas de la óptica geométrica
ni nt Ley de reflexión θi = θr Ley de Snell ni sen θi = nt sen θt

18 Principio de Fermat La longitud de camino óptico entre dos puntos es un mínimo n1 l1 n2 l2 n3 l3 n4 l4 P P’ Caminos ópticos iguales P P’

19 Concentradores parabólicos

20 La parábola lf = ld li + ld = cte li + lf = cte lco = li + lf
Definición de parábola lf = ld pero li + ld = cte entonces li + lf = cte lco = li + lf lco = cte La parábola enfoca los rayos en un punto de acuerdo a Fermat li ld lf directriz foco

21 Ecuación de la parábola
x y ρ ψ dψ dx dy f

22 Tamaño del receptor d ψb θa h θa ρb ψb

23 Tamaño del receptor, plato parabólico
Ac Ar xr h máximo para ψb = 45º

24 Tamaño de receptor, canal parabólico
Ac Ar xr d L máximo para ψb = 90º

25 Errores de superficie

26 Concentración de flujo
ψ [grados] Cf Cf = qr(ψ) / G ψ

27 Concentradores de no-imagen

28 Imagen vs. no-imagen Ar Ac θa Imagen No-imagen

29 Método de los rayos extremos
Exigir que todos los rayos en el límite del ángulo de aceptación lleguen en un extremo del receptor y aplicar el principio de Fermat

30 Solución ¡La solución es una parábola rotada! θa

31 Solución Se refleja la solución para hacerla simétrica
Esta solución cumple con alcanzar el límite ideal Cideal, 2D = 1/ sin θa

32 Receptor tubular parábola involuta s r ψ s = rψ

33 Limitaciones de los CPC
10º 25º C = 2.4 C = 5.8 Truncamiento

34 Aplicaciones

35 Aplicaciones Calentamiento de agua www.cie.unam.mx
Tomado de: Collares-Pereira, 2005

36 Aplicaciones Refrigeración Solar Detoxificación de agua

37 Aplicaciones Concentradores secundarios www.cie.unam.mx
Tomado de: Steinfeld y Palumbo, 2001 Concentradores secundarios

38 Tipos de colectores solares térmicos
Concentración Temperatura Seguimiento Plano C =1 30 < T < 80 Estacionario Tubo evacuado C < 1 50 < T < 190 CPC 1 < C < 5 70 < T <240 5 < C < 15 70 < T < 290 Un eje Canal parabólico 15 < C < 40 Plato parabólico 100 < C < 1000 70 < T < 930 Dos ejes Torre central 100 < C < 1500 130 < T < 2700 Horno Solar 1500 < C < 5000 600 < T < 3000

39 Referencias Ari Rabl, Active Solar Collectors and Their Applications, Oxford University Press, 1985, Oxford Roland Winston, Juan C. Miñano, Pablo Benítez, Nonimaging Optics, Elsevier, 2005, San Diego