EVALUACION DE UN CONCENTRADOR CILÍNDRICO PARABOLICO (CCP)

1. UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN CENTRO DE ENERGÍAS RENOVABLES DE TACNA (CERT) EVALUACION DE UN CONCENTRADOR CILÍNDRICO PARABOLICO (CCP) CARLOS POLO BRAVO ELISBAN J. SACARI SACARI

2. INTRODUCCION El presente trabajo muestra el proceso de evaluación de un Concentrador solar Cilíndrico Parabólico (CCP), en las instalaciones del Centro de Energías Renovables de Tacna (CERT)

3. COLECTORES DE CONCENTRACION Los colectores solares de concentración o colectores focales, utilizan el principio óptico de reflexión o de refracción para concentrar la radiación solar sobre una superficie receptora antes de transformarla en energía térmica. Se diferencia de un colector plano en que este último transforma la energía radiante en energía térmica de forma inmediata

4. TIPOS DE COLECTORES DE CONCENTRACION Concentrador de receptor central. Concentradores cilíndrico parabólicos Concentrador de disco parabólico Stirling Concentrador tipo Fresnel

5. PARTES DE UN CCP • El reflector cilindro parabólico • El tubo absorbente • La estructura metálica • El sistema de seguimiento del sol

6. X OPTICA DE CONCENTRADORES • FACTOR DE CONCENTRACION X = área de abertura/ área del tubo absorbente

7. EXTRACCION DE ENERGIA TÉRMICA • DATOS A CONSIDERAR

8. CONVERSION DE CALOR EN EL CONCENTRADOR CILINDRICO PARABOLICO (CSCP) • El CSCP transforma la radiación solar en energía térmica mediante la concentración de la radiación solar a lo largo de su foco lineal, por lo tanto es necesario establecer cual es la capacidad del sistema de generar calor en el absorvedor o receptor para obtener altas temperaturas para aplicaciones posteriores • Para obtener la ecuación de la eficiencia térmica de un concentrador solar, se empieza a partir de la ecuación del balance energético para un colector solar, que relaciona las ganancias y pérdidas en el absorvedor (tubo absorbente)

9. BALANCE ENERGÉTICO EN EL CSCP

10. Significado de las abreviaciones • Qútil= Potencia útil [W] • Qpérdidas = Potencia perdida por radiación, convección y conducción [W] • Qsol = Energía solar incidente sobre el área del tubo absorbente • Qabsorbido = Potencia absorbida por el área de absorvedor negro [W] • Tamb = Temperatura ambiente [° C] • Te, Ts = Temperatura de entrada y salida del fluido [° C]. • Gt = Radiación solar directa [W/m2] • Aabertura = Área de abertura del colector • Atubo absorbente = Área del tubo absorbente [m2]. • m =Flujo másico del fluido caloportador [kg/s]. • α τ = Eficiencia óptica (producto de la absortancia * transmitancia)

11. EL MÉTODO ESTACIONARIO PARA LA MEDICIÓN DE LA EFICIENCIA ÓPTICA • VIENE DADO POR:

12. COEFICIENTE GLOBAL DE PERDIDAS • VIENE DADO POR:

13. EVALUACION • PERDIDAS DEBIDAS A LA INCLINACION DEL CONCENTRADOR

14. DETERMINACION DE LA EFICIENCIA OPTICA Para la determinación de la eficiencia óptica del CCP, se llena el tubo absorbente con agua fría, a una temperatura inferior a la temperatura ambiente (Te << Tamb); para ello se usa hielo. El agua fría ingresa a temperatura Te, por un extremo del tubo absorbente como se muestra en la figura, y con una llave paso se regula el flujo de agua. El agua sale a temperatura Ts del tubo absorbente, y es dirigida por medio de una manguera a un recipiente.

15. DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE GLOBAL DE PÉRDIDAS DE CALOR: (UL) Armamos el esquema de la Figura y mantenemos funcionando el termostato, calentando el agua a una temperatura de 70 ºC, por lo menos una hora hasta que la temperatura se estabilice, luego se miden las temperaturas de entrada y salida del tubo absorbente, simultáneamente, se mide la temperatura del ambiente de trabajo (Tamb), el flujo volumétrico (m ). Se determina la temperatura promedio (Tm) entre las temperaturas de entrada y salida del agua del tubo absorbente, se mide el área del tubo absorbente (Aabs), y finalmente se calcula UL según la ecuación (23); el trabajo se realiza en oscuridad.

16. DETERMINACIÓN DE LA EFICIENCIA TÉRMICA • Con la determinación de la eficiencia óptica y el coeficiente global de pérdidas, obtenemos la siguiente relación El factor de concentración del concentrador es X = Aabertura / Atubo absorbente , esta operación la realizamos para determinación de la eficiencia térmica del concentrador para los casos donde el tubo absorbente esta con y sin el cobertor de vidrio.

17. RESULTADOS • CARACTERISTICAS DEL CONCENTRADOR CILINDRICO PARABÓLICO EVALUADO

19. Características - La superficie reflectante es de aluminio anodizado de alto coeficiente de reflexión. • El receptor o tubo absorbente es de aluminio pintado con pintura negro mate para aumentar la capacidad de absorción de calor, tiene un radio de 1,27 cm (½”). • El cobertor de vidrio empleado fue hecho de focos fluorescentes y colocadas concéntricamente al tubo absorbente para evitar perdidas de calor por convección del calor al medio ambiente. • El área de abertura del concentrador cilíndrico parabólico es de 2,662m². Tubos fluorescentes tubo absorbente con el cobertor de vidrio

20. FACTOR DE CONCENTRACION

21. AREA EFICIENTE DE LA SUPERFICIE REFLECTANTE • SABIENDO QUE : • El área reflectante es: Donde: AR: Área de la superficie reflectante [m²] LC: lado curvo [m] Lr: lado recto [m] L: longitud del concentrador [m] Entonces tenemos que AR = 3,025m²

22. AREA EFICIENTE DEL DE LA SUPERFICIE REFLEJANTE el 12% del área reflectante (0,363m²) es deficiente debido a deformaciones en toda la superficie reflectante (ver partes amarillas), sumándole un 5,45% de superficie reflectante (0,1648m²) que se pierde debido a un ángulo de incidencia de la radiación solar mayor o menor a la normal del concentrador, haciendo un total de un 17,45% de área reflectante que se pierde (0,5278 m²) debido a estos dos tipos de perdidas ópticas, quedándonos un área de trabajo de 2,4971m² (82,55% del área total del concentrador).

23. CALCULO DE LA EFICIENCIA OPTICA • b) • a) equipo armado para la medición de la eficiencia óptica, tubo absorbente sin el cobertor de vidrio. • (b) equipo armado para la medición de la eficiencia óptica, tubo absorbente con el cobertor de vidrio

24. RESULTADOS

25. CALCULO DEL COEFICIENTE GLOBAL DE PERDIDAS (a) (b) (a) equipo armado para la medición del coeficiente global de pérdidas, tubo absorbente sin el cobertor de vidrio. (b) equipo armado para la medición del coeficiente global de pérdidas, tubo absorbente con el cobertor de vidrio.

26. RESULTADOS

27. DETERMINACION DE LA EFICIENCIA TERMICA

28. CALENTAMIENTO DE UN RECIPIENTE DE AGUA

29. (a) (b) Sistema para calentamiento de agua (a) Tubo absorbente sin el cobertor de vidrio. (b)Tubo absorbente con el cobertor de vidrio.

30. RESULTADOS

31. CONCLUSIONES • Se concluye que debido a las deformaciones y al ángulo de incidencia diferente a la normal del área de abertura, el área eficiente es solo el 2,19m² del área total de abertura (2,93m²), lo que disminuye el factor de concentración del concentrador cilíndrico parabólico. • La eficiencia óptica obtenida con el tubo absorbente sin el cobertor de vidrio es 55% y con el tubo absorbente con cobertura de vidrio es 71%), con lo cual la eficiencia del concentrador, aumenta en un 27,7% con cobertor, toda vez que el cobertor de vidrio disminuye las pérdidas de calor por convección y radiación desde el tubo absorbente al ambiente

32. conclusiones • El coeficiente global de perdidas del tubo absorbente sin cobertura de vidrio es de 31,15W/m2 ºC, en comparación con el tubo absorbente que cuenta con cobertura de vidrio el cual es de 16,43W/m2 ºC, casi el doble de perdidas de calor al ambiente que el que si cuenta con la cobertura de vidrio. • La eficiencia térmica obtenida con el concentrador, con la cobertura de vidrio es 27 % mayor a la otra.

33. SUGERENCIAS • Para aumentar la eficiencia del concentrador cilíndrico parabólico se debe mantener en todo momento que la radiación incidente al concentrador sea perpendicular al área de abertura, para ello es conveniente evaluar el sistema con un sistema de seguimiento de sol. • Uno de los principales factores que se debe tomar en cuenta al construir un concentrador cilíndrico parabólico es la estructura de la misma, ya que es un factor importante para aprovechar la radiación del medio.