EVALUACION DE UN CONCENTRADOR CILÍNDRICO

PARABOLICO (CCP)

EVALUACION DE UN CONCENTRADOR CILÍNDRICO

PARABOLICO (CCP)

CARLOS POLO BRAVO

ELISBAN J. SACARI SACARI

UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN

CENTRO DE ENERGÍAS RENOVABLES DE TACNA (CERT)

INTRODUCCIONINTRODUCCION

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)

COLECTORES DE CONCENTRACIONCOLECTORES 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

TIPOS DE COLECTORES DE CONCENTRACIONTIPOS DE COLECTORES DE CONCENTRACION

Concentradores cilíndrico parabólicos

Concentrador de disco parabólico Stirling

Concentrador de receptor central.

Concentrador tipo Fresnel

PARTES DE UN CCPPARTES DE UN CCP

El reflector cilindro parabólico

El tubo absorbente

La estructura metálica

El sistema de seguimiento del sol

OPTICA DE CONCENTRADORESOPTICA DE CONCENTRADORES

FACTOR DE CONCENTRACION

X

X = área de abertura/ área del tubo absorbente

EXTRACCION DE ENERGIA TÉRMICAEXTRACCION DE ENERGIA TÉRMICA

DATOS A CONSIDERAR

𝛼.𝜏.𝐼𝑑.𝐴= 𝜀.𝜎ሺ𝑇4 − 𝑇𝑎4ሻ.𝐴𝑟 + 𝑈ሺ𝑇− 𝑇𝑎ሻ.𝐴𝑟 + 𝑞ሶ𝑢𝑡𝑖𝑙

Donde:

α : Absortancia solar de la superficie absorbente.

ε : Emitancia infrarroja de la superficie absorbente.

σ : 5,67 x 10-8 W/m²K4 (constante de Boltzman).

T : Temperatura del absorbente.

Ta: Temperatura ambiente.

U : Coeficiente de transferencia de calor caracterizando las perdidas del

absorbente por conducción y convección hacia el ambiente.

Ar : Área del absorbedor.

: Calor útil extraído a la temperatura T del concentrador.

CONVERSION DE CALOR EN EL CONCENTRADOR CILINDRICO PARABOLICO (CSCP)

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)

Los flujos energéticos mencionados se definen por:

BALANCE ENERGÉTICO EN EL CSCP

Significado de las abreviacionesSignificado 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)

EL MÉTODO ESTACIONARIO PARA LA MEDICIÓN DE LA EFICIENCIA ÓPTICA

EL MÉTODO ESTACIONARIO PARA LA MEDICIÓN DE LA EFICIENCIA ÓPTICA

VIENE DADO POR:

COEFICIENTE GLOBAL DE PERDIDASCOEFICIENTE GLOBAL DE PERDIDAS

VIENE DADO POR:

EVALUACIONEVALUACION

PERDIDAS DEBIDAS A LA INCLINACION DEL CONCENTRADOR

DETERMINACION DE LA EFICIENCIA OPTICADETERMINACION 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.

DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE GLOBAL DE PÉRDIDAS DE CALOR: (UL)

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.

DETERMINACIÓN DE LA EFICIENCIA TÉRMICADETERMINACIÓN 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.

RESULTADOSRESULTADOS

CARACTERISTICAS DEL CONCENTRADOR CILINDRICO PARABÓLICO EVALUADO

CaracterísticasCaracterísticas

- 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.

tubo absorbente con el cobertor de vidrioTubos fluorescentes

FACTOR DE CONCENTRACION

AREA EFICIENTE DE LA SUPERFICIE REFLECTANTEAREA 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

AREA EFICIENTE DEL DE LA SUPERFICIE REFLEJANTEAREA 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).

CALCULO DE LA EFICIENCIA OPTICACALCULO DE LA EFICIENCIA OPTICA

a) 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

RESULTADOSRESULTADOS

DETERMINACION DE LA EFICIENCIA OPTICA (TUBO ABSORBENTE SIN EL

COBERTOR VIDRIO)

Temperatura de entrada Te (ºC) 23,00

Temperatura de salida Ts ( ºC) 24,80

Temperatura ambiente Tamb (ºC) 23,90

Radiación Solar Gt (W/m2) 801,49

Calor específico del agua c( kJ/kg ºC)

4,19

Área del tubo absorbente (m2) 0,50

Flujo de agua m (kg/s) 0,0294

Eficiencia óptica ατ 0,5527783

DETERMINACION DE LA EFICIENCIA OPTICA (TUBO ABSORBENTE CON EL

COBERTOR VIDRIO)

Temperatura de entrada Te (ºC) 22,70

Temperatura de salida Ts ( ºC) 25,30

Temperatura ambiente Tamb (ºC) 24,00

Radiación Solar Gt (W/m2) 973,78

Calor específico del agua c( kJ/kg ºC)

4,19

Área del tubo absorbente (m2) 0,50

Flujo de agua m (kg/s) 0,0316

Eficiencia óptica ατ0,706364

4

CALCULO DEL COEFICIENTE GLOBAL DE PERDIDASCALCULO DEL COEFICIENTE GLOBAL DE PERDIDAS

(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.

(a) (b)

RESULTADOSRESULTADOS

COEFICIENTE GLOBAL DE PERDIDAS PARA EL TUBO ABSORBENTE SIN EL

COBERTOR DE VIDRIO

Temperatura de entrada Te( ºC ) 68,65

Temperatura de salida Ts (ºC) 67,82

Temperatura media Tm (ºC) 68,235

Temperatura ambiente T amb ( ºC) 20,29

Calor específico del agua c(KJ/kg ºC)

4.19

Flujo de agua m (kg/s) 0,083

Área del tubo absorbente A tubo absorbente (m2)

0,1931

UL (W/m2 ºC) 31,147

COEFICIENTE GLOBAL DE PERDIDAS PARA EL TUBO

ABSORBENTE CON EL COBERTOR DE VIDRIO

Temperatura de entrada Te( ºC ) 69,81

Temperatura de salida Ts (ºC) 69,35

Temperatura media Tm (ºC) 69,58

Temperatura ambiente T amb ( ºC) 19,19

Calor específico del agua c (KJ/kg ºC)

4.19

Flujo de agua m (kg/s) 0,083

Área del tubo absorbente A tubo absorbente (m2)

0,1931

UL (W/m2 ºC) 16,421

DETERMINACION DE LA EFICIENCIA TERMICADETERMINACION DE LA EFICIENCIA TERMICA

CALENTAMIENTO DE UN RECIPIENTE DE AGUACALENTAMIENTO DE UN RECIPIENTE DE AGUA

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

(a) (b)

RESULTADOSRESULTADOS

0

10

20

30

40

50

60

70

12

:16

:30

12

:24

:30

12

:32

:30

12

:40

:30

12

:48

:30

12

:56

:30

13

:04

:30

13

:12

:30

13

:20

:30

13

:28

:30

13

:36

:30

13

:44

:30

13

:52

:30

14

:00

:30

14

:08

:30

14

:16

:30

14

:24

:30

14

:32

:30

14

:40

:30

Tem

pertu

ra

( º

C)

16 septiembre del 2008

CURVA DE CALENTAMIENTO DEL AGUA DENTRO DEL RECIPIENTE DE ALMACENAMIENTO (TUBO

ABSORBENTE SIN COBERTURA DE VIDRIO) , RADIACION PROMEDIO 853 W/m²

T (ºC) Recipiente

CONCLUSIONESCONCLUSIONES

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

conclusionesconclusiones

El coeficiente global de perdidas del tubo absorbente sin cobertura de vidrio es de 31,15 W/m2 ºC, en comparación con el tubo absorbente que cuenta con cobertura de vidrio el cual es de 16,43 W/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.

SUGERENCIASSUGERENCIAS

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.