CONCENTRADOR SOLAR.pdf

Mxico, D.F. 2010

Instituto Politcnico Nacional

Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica

Seccin de Estudios de Posgrado e Investigacin

DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN SISTEMA DE

CONTROL PARA LA ORIENTACIN DE UN

CONCENTRADOR SOLAR

CILINDRO-PARABLICO ESTE-OESTE

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL GRADO DE

MAESTRO EN CIENCIAS

CON ESPECIALIDAD EN INGENIERA MECNICA

PRESENTA:

ING. LIZBETH SALGADO CONRADO

DIRIGIDA POR:

M. EN C. CNDIDO PALACIOS MONTFAR

DR. JUAN ALEJANDRO FLORES CAMPOS

i

RESUMEN

En este trabajo se propone el diseo y la implementacin de un sistema para el

control de la orientacin de un concentrador solar cilindro-parablico. El control de

orientacin permite enfocar la superficie reflectora perpendicular a los rayos del Sol, para

captar la mayor cantidad de energa y aumentar la captacin del concentrador.

El concentrador solar cilindro-parablico es un mecanismo de un grado de libertad

constituido a base de perfiles tubulares de diferentes calibres. Se encuentra apoyado y

soportado sobre dos chumaceras en cada extremo, separadas 6.50 m y los ejes de ambas

chumaceras son coaxiales, stas a su vez estn fijas en torres de soporte a una altura de

2.5 m.

El perfil parablico se construy tambin, colocando lmina de acero inoxidable del

tipo 304 con acabado espejo sobre perfiles de PTR, con forma de parbola previamente

establecida. La lnea focal de esta parbola coincide con el eje de giro del concentrador

solar. Es importante mencionar que se tienen 3 mdulos solares con una superficie de 24 m2

cada uno, por lo cual se tiene una superficie total de calentadores de 72 m2.

El control de orientacin del ngulo azimutal de este sistema mecnico se lleva a

cabo con ayuda de un seguidor solar comercial. El sensor de este instrumento manda la

seal al PLC (S7-200 Siemens), el PLC a su vez manda una seal al mecanismo ejecutor

del movimiento, donde una electrovlvula activa al sistema de orientacin por

desplazamiento de agua, que hace girar a todo el concentrador solar el ngulo deseado.

Este mecanismo ejecutor, cuya patente est en trmite, consiste de dos recipientes

de agua de 60 litros con una capacidad de llenado al 50% y un motor en cada uno de ellos,

se bombea agua de un recipiente a otro dependiendo de la necesidad de orientacin.

Con el objeto de caracterizar el sistema, se estableci un modelo dinmico, el cual

balancea las fuerzas y momentos generados por el peso del agua, el peso del concentrador

solar, el momento de inercia del concentrador, considerando a este sistema mecnico como

un pndulo.

Se ha realizado el control para un mdulo, ya que los otros concentradores solares

han sido conectados en paralelo para emplear la misma seal de orientacin.

Por ltimo, la tesis contiene cuatro captulos, el primero de estos presenta la

informacin de otros sistemas semejantes a lo que aqu se propone. El segundo captulo

trata del clculo de los momentos de inercia de cada componente del concentrador solar,

ii

que servir para realizar el control con el modelo dinmico. El tercer captulo presenta la

metodologa empleada para realizar el control de los concentradores en conjunto y por

ltimo el captulo cuatro contiene las grficas y las interpretaciones de los resultados, as

como las conclusiones. En los apndices se tiene los programas y tutoriales relacionados

con los captulos.

iii

ABSTRACT

This paper proposes the design and the implementation of a system for the control

and orientation of a cylinder-parabolic solar concentrator. The turning control allows

focusing on the reflective surface perpendicular to the suns rays, to capture more energy

and increase the uptake of the concentrator.

The cylinder-parabolic solar concentrator is a mechanism of one degree of freedom,

which was built with tubular profiles of different caliber. This is supported on two bearings

at each end separated 6.50m and the axes of both bearing are coaxial, these in turn are fixed

to support towers to a height of 2.5m.

The parabolic profile built by placing the stainless steel sheet type 304 with mirror

end on profiles of flawing PTR with form of parable previously established. The focal line

of the parable coincides with the axis of rotation of the solar concentrator. It is important to

mention that there are three solar modules with a superface of 24 m2 each one, thus having

a superface of 72m2.

The control of orientation of the azimuth angle of this mechanical system, is carried

out using a commercial solar tracker. The sensor of this instrument sends a signal to the

PLC (S7-200 Siemens), turn the PLC sends another signal at the executing mechanism of

movement, where a solenoid actives the system of turning by water displacement turns

around the solar concentrator a desired angle.

This executing mechanism, which patent is in process, consists of two containers of

water of 60 liters, with a capacity of filling of 50% with one motor in each one of them; the

water is pumped of a container to another depending on the need for turning.

In order to characterize more deeply the system, it was established a dynamic

model, that balances the forces and moments generated by the weight of water, the weight

of solar concentrator, the inertial moment of it, considering the mechanical system as a

pendulum.

The control was made by a solar module, as the other solar concentrators have been

connected in parallel to use the same turning signal.

Finally, the thesis contains four chapters, the first of these presents the information

from other similar systems to what is proposed here. The second chapter deals with the

calculation of moments of inertia of each component of the solar concentrator, which will

iv

assist in the control with the dynamic model. The third chapter present the methodology

used for the control of the concentrator together and finally the chapter fourth is the graphs

and interpretations of the results and conclusions. On the other hand, the appendices have

the programs and tutorial related to the chapter.

v

TABLA DE CONTENIDO Pg.

Resumen... i Abstract. iii Tabla de contenido... v ndice de figuras... vii ndice de tablas. x ndice de grficas.. xi Simbologa xii Objetivo General.. xv Justificacin... xvi Definicin del problema xvii

CAPTULO I

ESTADO DEL ARTE

1.1 Concentradores solares. 2 1.1.1 Ventajas del empleo de concentradores solares.... 3 1.1.2 Desventajas del empleo de concentradores solares... 3 1.2 Antecedentes histricos.... 4 1.3 Tipos de seguidores solares.. 10 1.3.1 Seguidores de un eje.. 10 1.3.2 Seguidores de dos ejes..

11

CAPTULO II

MODELO DINMICO DE UN CONCENTRADOR SOLAR CILINDRO-PARBOLICO 2.1 Parmetros geomtricos.... 14 2.2 Componentes del concentrador solar cilindro-parablico..... 18 2.2.1 Perfiles parablicos.... 19 2.2.2 Marcos del concentrador... 23 2.2.3 Soleras del concentrador solar... 25 2.2.4 Lmina... 29 2.2.5 Base del tensor del concentrador.. 31 2.2.6 Base de los porrones.. 34 2.2.7 Porrones o contenedores de agua.. 39 2.2.8 Bomba de agua de los porrones..... 40 2.2.9 Ejes.... 41 2.2.10 Soportes del concentrador... 42 2.2.11 Tensores... 43 2.2.12 Tubos absorbentes... 43 2.2.13 Contenedores de agua fra.. 45 2.2.14 Contenedores de agua caliente.... 45 2.3 Momentos de inercia total del concentrador solar cilindro-parablico..... 46 2.4 Modelo dinmico del concentrador solar.

47

vi

CAPTULO III

DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN SITEMA DE CONTROL POR DESPLAZAMIENTO

DE AGUA

3.1 Descripcin general del sistema de calentamiento de agua en el concentrador solar... 60 3.2 Orientacin del concentrador solar... 65 3.3 Componentes del sistema de control para la orientacin del concentrador solar por

desplazamiento de agua..

67

3.3.1 Sensor solar.... 67 3.3.2 PLC.. 75 3.3.2.1 CPU 222. 76 3.3.2.2 Entradas analgicas EM231 79 3.3.2.3 Contactor LC1D12BD 81 3.3.2.4 Visualizador de textos TD 200... 84 3.3.2.5 Configuracin del TD 200 EN STEP7 MICRO/WIN... 85 3.4 Programa de orientacin en el PLC y conexiones....

90

CAPTULO IV

ANLISIS DE RESULTADOS

4.1 Condiciones de operacin del concentrador solar 94 4.2 Anlisis de los resultados obtenidos . 95 4.3 Consideraciones geomtricas del foco de los concentradores solares cilindro-parablicos 128

4.4 Aspectos econmicos del concentrador solar cilindro-parablico

130

Conclusiones 131 Trabajos futuros.. 132 Apndice A Cdigo del programa en Matlab. 133 Apndice B Detalle de piezas del concentrador solar 159 Apndice C Teora de los PLCs. 174 Apndice D Diagramas elctricos del controlador del sensor solar 200 Apndice E Diagramas de control en Matlab. 204 Bibliografa. 207

vii

NDICE DE FIGURAS

Pg.

Figura 1.1 Concentradores solares A) CCP, B) CRS, C) DP... 3 Figura 1.2 Esquema general del colector solar.... 6 Figura 1.2 A) Ubicacin del seguidor solar en la estructura del concentrador, B) Vista lateral

del sensor del seguidor y principio de funcionamiento...............

6

Figura 1.3 Montaje experimental para la prueba con tira bimetlica... 7 Figura 1.4 A) Sistema de seguimiento solar para el cual se dise el circuito de control, B)

Sistema experimental usado para la calibracin del circuito electrnico

8

Figura 1.5 Mecanismos planos usados en la orientacin de paneles solares... 9 Figura 1.6 Sistema de seguimiento milimtrico de la trayectoria solar 10 Figura 2.1 Fotografa del concentrador solar cilindro-parablico 13 Figura 2.2 Componentes del concentrador CCP.. 14 Figura 2.3 Concentradores solares instalados en una superficie de 150m

2.. 15 Figura 2.4 Parbola del concentrador solar 16 Figura 2.5 Eje de giro del concentrador 18 Figura 2.6 Ejes paralelos.. 19 Figura 2.7 A) Configuracin de los seis perfiles parablicos en vista isomtrica realizado en

el paquete Mechanical Desktop 6 Power Pack demo, B) Fotografa de los perfiles

parablicos del concentrador solar en construccin.....

20

Figura 2.8 A) Vista frontal, B) Vista inferior, C) Medidas de un perfil parablico 21 Figura 2.9 Cilindro parablico slido.. 22 Figura 2.10 Marcos del concentrador solar.. 23 Figura 2.11 Fotografa de los marcos del concentrador solar.. 23 Figura 2.12 Referencias de medidas de los marcos 1 y 2 para los momentos de inercia 24 Figura 2.13 Referencias de medidas de los marcos 3 y 4 para los momentos de inercia 24 Figura 2.14 A) Vista isomtrica del concentrador solar y B) Vista superior (soleras

enumeradas)..

26

Figura 2.15 Fotografa de las soleras del concentrador solar 27 Figura 2.16 A) Medidas de soleras de la 1 a la 5 y de la 21 a la 25, B) Medidas de soleras de la

5 a la 20

28

Figura 2.17 Fotografa de la lmina de acero inoxidable del concentrador solar cilindro-

parablico.

29

Figura 2.18 Representacin de la lmina de acero inoxidable #304 en Mechanical Desktop

2004 demo

30

Figura 2.19 Medidas de la lmina de acero inoxidable #304 acabado espejo.. 31 Figura 2.20 Fotografa de la base del tensor y el cable tensor del concentrador solar lado

derecho.

32

Figura 2.21 Base del tensor.. 32 Figura 2.22 Base del tensor izquierdo y derecho.. 33 Figura 2.23 Fotografa de la base de los porrones para el concentrador solar lado izquierdo. 34 Figura 2.24 Base de los porrones para el concentrador solar lado izquierdo y derecho 34 Figura 2.25 Piezas que integran la base del porrn.. 35 Figura 2.26 Fotografa del porrn lado izquierdo. 39 Figura 2.27 Bomba de agua del porrn. 41 Figura 2.28 Fotografa del eje del concentrador solar cilindro-parablico 41 Figura 2.29 Eje frontal y posterior del concentrador solar cilindro-parablico 41 Figura 2.30 Fotografa de los soportes del concentrador solar. 43 Figura 2.31 A) Fotografa del tensor derecho del concentrador solar, B) Fotografa del tensor

medio del concentrador solar

43

viii

Figura 2.32 Fotografa de los tubos absorbentes del concentrador solar...... 44 Figura 2.33 Fotografa de los tubos absorbentes del concentrador solar en los tres mdulos.. 44 Figura 2.34 Fotografa de los contenedores de agua fra.. 45 Figura 2.35 Fotografa de los contenedores de agua caliente 45 Figura 2.36 A) Pndulo simple en reposo, B) Concentrador solar en reposo, C) Pndulo

simple desplazado un ngulo y D) Concentrador solar orientado a un ngulo

47

Figura 2.37 Diagrama del pndulo a) posicin de equilibrio estable, b) Pndulo con un

ngulo .

48

Figura 2.38 Diagrama de cuerpo libre del concentrador solar..... 48 Figura 2.39 Modelo dinmico del concentrador solar con en la posicin inicial de 30.. 49

Figura 2.40 Comportamiento del concentrador solar con en la posicin inicial de 30.. 50

Figura 2.41 Control proporcional... 51 Figura 2.42 Comportamiento del concentrador solar utilizando un controlador Proporcional. 51

Figura 2.43 Comportamiento del torque con un controlador Proporcional.. 52 Figura 2.44 Comportamiento del error con un controlador Proporcional. 52 Figura 2.45 Control proporcional derivativo. 53 Figura 2.46 Posicin y Velocidad angular del concentrador con un controlador Proporcional

Derivativo.

53

Figura 2.47 Grfica del error para un controlador PD.. 54 Figura 2.48 Control proporcional integral derivativo 54 Figura 2.49 Grfica de la posicin y velocidad angular del concentrador solar con un control

PID.......

55

Figura 2.50 Grfica del error con un control Proporcional Integral Derivativo. 55 Figura 2.51 Torque aplicado al concentrador solar cilindro-parablico para una posicin de

0 a 60...

56

Figura 2.52 Fotografa de los porrones del concentrador solar. 56 Figura 2.53 Control de nivel de fluido en el porrn derecho. 57 Figura 3.1 Esquema general de la instalacin de los concentradores solares 61 Figura 3.2 Esquema del flujo de agua que se desea calentar a 60c para uso domstico. 62 Figura 3.3 Esquema del flujo de agua de la alberca que se desea calentar .. 63 Figura 3.4 Esquema de los detalles de la tubera del concentrador solar.. 64 Figura 3.5 Fotografa del concentrador solar cilindro-parablico. 65 Figura 3.6 Diagrama del concentrador solar cilindro-parablico.. 65 Figura 3.7 Flujo de agua del porrn izquierdo al porrn derecho. 66 Figura 3.8 Flujo de agua del porrn derecho al porrn izquierdo. 66 Figura 3.9 Sensor solar. 67 Figura 3.10 Esquema del sensor solar .. 68 Figura 3.11 Fotografa del controlador de seguimiento. 69 Figura 3.12 Diagrama de ubicacin de los componentes del controlador de seguimiento 70 Figura 3.13 Pines de conexin de la compuerta LM2901D.. 72 Figura 3.14 Circuito que controla la latitud hacia arriba UP. 73 Figura 3.15 Circuito que controla la latitud hacia abajo (DOWN) 74 Figura 3.16 Estructura interna del PLC ... 75 Figura 3.17 Partes del CPU 222. 76 Figura 3.18 Conexiones generales de voltaje de la CPU 222 77 Figura 3.19 Fotografa del cable de conexin PC/PPI... 78 Figura 3.20 Selector del PLC Siemens S7-200.. 78 Figura 3.21 Mdulo de expansin de salidas analgicas EM231.. 79 Figura 3.22 Conexiones del mdulo de expansin de entradas analgicas EM231 80 Figura 3.23 DIP switch. 80 Figura 3.24 Contactor LC1D12BD 81

ix

Figura 3.25 Interruptor sencillo de un solo polo (SPST).. 81 Figura 3.26 Interruptor doble de un solo polo (SPDT). 82 Figura 3.27 Interruptor sencillo de polo doble (DPST). 82 Figura 3.28 Interruptor doble de polo doble (DPST). 83 Figura 3.29 Principales componentes del TD 200. 84 Figura 3.30 Configuracin punto a punto.. 85 Figura 3.31 Abrir el asistente del visualizador de textos en Micro/WIN SP5 V4.0 STEP 7

demo

85

Figura 3.32 Introduccin del asistente del TD 200 86 Figura 3.33 Modelo y versin del TD 200. 86 Figura 3.34 Idioma y juego de caracteres.. 87 Figura 3.35 Botones del teclado del TD 200. 87 Figura3.36 Asignacin de la memoria.. 88 Figura 3.37 Men personalizado 89 Figura 3.38 Mensaje del TD 200 al inicio del proceso. 89 Figura 3.39 Mensaje al finalizar el proceso de orientacin de los concentradores solares 90 Figura 3.40 Conexiones del PLC.. 92 Figura 4.1 Concentradores solares C1,C2 y C3. 94 Figura 4.2 Fotografa de la colocacin del Sensor Solar en el Concentrador Solar.. 94 Figura 4.3 Medicin del ngulo en el concentrador solar 107 Figura 4.4 Posicionamiento de los porrones con respecto al Este-Oeste.. 107 Figura 4.5 Trayectoria solar . 124 Figura 4.6 Clculo del foco producido por el haz luminoso que llega a la superficie del

concentrador cilindro-parablico

128

Figura 4.7 Fotografa de los haces luminosos reflejados en el foco del concentrador solar.. 129

x

NDICE DE TABLAS

Pg.

Tabla 1 Coordenadas de la parbola con vrtice en el origen..... 17 Tabla 2 Caractersticas generales de un perfil parablico... 21 Tabla 3 Momentos de inercia de los 6 perfiles parablicos de la lmina 22 Tabla 4 Caractersticas de cada marco del concentrador solar 24 Tabla 5 Momentos de inercia de cada marco.. 25 Tabla 6 Caractersticas de las soleras del concentrador solar. 27 Tabla 7 Momentos de inercia de las soleras del concentrador solar... 28 Tabla 8 Caractersticas de la lmina de acero inoxidable #304 acabado espejo. 30 Tabla 9 Momentos de inercia de la lmina de acero inoxidable #304 acabado espejo.. 31 Tabla 10 Caractersticas de la base de los tensores del concentrador. 32 Tabla 11 Momentos de inercia de la base de los tensores del concentrador... 33 Tabla 12 Caractersticas generales de la base del porrn... 35 Tabla 13 Caractersticas y momentos de inercia de las partes de la base del porrn. 36 Tabla 14 Caractersticas y momentos de inercia de un porrn 40 Tabla 15 Caractersticas y momentos de inercia de un eje.. 42 Tabla 16 Momentos de inercia con respecto al eje de giro. 46 Tabla 17 Caractersticas del sensor solar 68 Tabla 18 Especificaciones del controlador de seguimiento 69 Tabla 19 Caractersticas de los elementos del controlador de seguimiento 70 Tabla 20 Direccionamiento de entradas y salidas.. 77 Tabla 21 Rango de escalas de la configuracin del EM231 80 Tabla 22 Ajustar el bloque de parmetros del TD 200 88 Tabla 23 Calentamiento del agua de la alberca del 8 de Octubre del 2010 95 Tabla 24 Datos para obtener el rendimiento del concentrador solar.. 97 Tabla 25 Inclinacin, velocidad y aceleracin del concentrador solar del 8 de Octubre del

2010..

103

Tabla 26 Calentamiento del agua de la alberca del 14 de Octubre del 2010 108 Tabla 27 Inclinacin, velocidad y aceleracin del concentrador solar del 14 de Octubre del

2010..

113

Tabla 28 Calentamiento del agua de uso domstico del 15 de Octubre del 2010. 117 Tabla 29 Inclinacin, velocidad y aceleracin del concentrador solar del 15 de Octubre del

2010...

123

xi

NDICE DE GRFICAS

Pg.

Grfica 1 Lecturas de las temperaturas del calentamiento del agua de la alberca del 8 de Octubre de

2010 de 10 hrs. a 15:30 hrs..

99

Grfica 2 Lecturas de las temperaturas del foco del 8 de Octubre de 2010 de 10 hrs. a 15:30 hrs.. 100

Grfica 3 Lecturas de la radiacin solar del 8 de Octubre de 2010 de 10 hrs. a 15:30 hrs 101

Grfica 4 Rapidez de cambio de la temperatura de salida con respecto a la entrada del da 8 de

Octubre de 2010 de 10 hrs. a 15:30 hrs.

102

Grfica 5 Lecturas de inclinacin de los concentradores solares del da 8 de Octubre de 2010 de 10

hrs. a 15:30 hrs..

104

Grfica 6 Lecturas de la velocidad de los concentradores solares del da 8 de Octubre de 2010 de

10 hrs. a 15:30 hrs.

105

Grfica 7 Lecturas de la aceleracin de los concentradores solares del da 8 de Octubre de 2010 de

10 hrs. a 15:30 hrs.

106

Grfica 8 Lectura de las temperaturas del calentamiento del agua de la alberca del 14 de Octubre de

2010 de 10 hrs. a 15:30 hrs

109

Grfica 9 Lectura de las temperaturas del foco del 14 de Octubre de 2010 de 10 hrs. a 15:30 hrs.. 110

Grfica 10 Lecturas de la radiacin solar del 14 de Octubre de 2010 de 10 hrs. a 15:30 hrs 111

Grfica 11 Lecturas de la rapidez de cambio de la temperatura de salida con respecto a la entrada

del da 14 de Octubre de 2010 de 10 hrs. a 15:30 hrs...

112

Grfica 12 Lecturas de la inclinacin de los concentradores solares del da 14 de Octubre de 2010

de 10 hrs. a 15:30 hrs

114


10 hrs. a 15:30 hrs.

115

Grfica 14 Lecturas de la aceleracin de los concentradores solares del da 14 de Octubre de 2010

de 10 hrs. a 15:30 hrs

116

Grfica 15 Lecturas de las temperaturas del calentamiento del agua de uso domstico del 15 de

Octubre de 2010 de 10 hrs. a 13:15 hrs

119

Grfica 16 Lecturas de las temperaturas del foco del 15 de Octubre de 2010 de 10 hrs. a 13:15 hrs 120

Grfica 17 Lecturas de la radiacin solar del 15 de Octubre de 2010 de 10 hrs. a 13:15 hrs 121 Grfica 18 Lectura de rapidez de cambio de la temperatura de salida con respecto a la entrada del

da 15 de Octubre de 2010 de 10 hrs. a 13:15 hrs 122

Grfica 19 Lecturas de la inclinacin de los concentradores solares del da 15 de Octubre de 2010

de 10 hrs. a 13:15 hrs.

125


10 hrs. a 15:15 hrs

126

Grfica 21 Lecturas de la aceleracin de los concentradores solares del da 15 de Octubre de 2010

de 10 hrs. a 15:15 hrs.

127

xii

SIMBOLOGA

rea,

Ampere

La mitad de lo ancho de la parbola A/D Analgico/Digital AWL Lenguaje por lista de instrucciones

Distancia del foco al vrtice b Friccin C Contadores

C1 Concentrador solar 1



CPC Concentrador parablico compuesto

CPU Unidad Central de Proceso

CRS Concentrador de receptor solar

Distancia perpendicular entre los ejes paralelos

Largo de perfil parablico

DC Corriente Directa

D.I.M. Monitor directo de la insolacin

DP Discos parablicos o paraboloides de revolucin

Error

EM231 Mdulo de expansin de entradas analgicas

E/S Entradas/Salidas

E-W Este-Oeste

Foco

1F Fuerza del porrn 1, N

2F Fuerza del porrn 2, N

FUP Plano de funciones lgicas

G Centro de masas C Grados Centgrados

Gravedad GRAFCET Grfico de Orden Etapa-Transicin

Coordenada del vrtice en el eje x Altura inicial del agua de los porrones Altura final del agua del porrn 1

Hz Herz

I Entrada digital del PLC

Momento de Inercia

Radiacin incidente sobre el captador,

Momento de inercia con respecto al eje de giro Coordenada del vrtice en el eje y

kg Kilogramos KOP Lenguaje de contactos

xiii

Constante proporcional

Constante derivativa

Constante integrativa

l Litros

l Longitud, LDR Resistor dependiente de la luz

Masas M rea de marcas

Metros

m Mili

N Newton

O Origen p Coordenada del Foco en el eje x

PC Computadora

PC/PPI Cable de conexin del PLC a la PC

PLC Controlador Lgico Programable Q Salida digital del PLC

Flujo del agua,

Calor til

r brazo de palanca, RUN Ejecutar el programa del PLC

Sensores

SM Marcas especiales

STOP Parar el programa del PLC

S7-200 Lnea de fabricacin del PLC

SW Switch T Temporizadores

Tiempo Temperatura de salida

Temperatura de entrada

TD 200 Visualizador de textos del PLC

TERM Terminar el programa del PLC

V Vrtice

V Volt

Voltaje de salida del amplificador

Voltaje inicial para el amplificador

Voltaje final para el amplificador Volumen,

VCA Voltaje de corriente alterna VDC Voltaje de corriente directa

Coordenada en x x , y , z Centroide del sistema

'x , 'y , 'z Ejes paralelos

Coordenada en z

AB Eje mayor de la elipse del foco

xiv

mn Eje menor de la elipse del foco ACDBGE Superficie de la elipse

Suma de momento con respecto al eje de giro

Densidad,

Angulo de giro del sistema

Velocidad angular del sistema

Aceleracin angular del sistema ngulo deseado Microameperes

Rendimiento de los concentradores solares Torque

Subndices

Coordenada en x Coordenada en y Coordenada en z Centroide en el eje x Centroide en el eje y Centroide en el eje z

per Perfil parablico mar Marco sol Solera del concentrador bas Base del porrn sole Solera de la base del porrn por Porrn HP Caballos de fuerza

xv

OBJETIVO GENERAL

Disear y construir un sistema de control para la orientacin de un concentrador

solar cilndrico-parablico Este-Oeste.

OBJETIVOS PARTICULARES

1. Obtener los parmetros fsicos y mecnicos del concentrador solar.

2. Obtener el modelo dinmico del concentrador solar.

3. Implementar esquemas de control al concentrador solar.

4. Integracin total del sistema de control a los concentradores, depuracin de errores

y puesta en marcha.

5. Obtencin de resultados experimentales.

xvi

JUSTIFICACIN

El aumento del precio de los hidrocarburos (petrleo, gas, etc.) en los ltimos aos

han llevado a varios pases a reflexionar sobre la necesidad de crear alternativas de

suministro energtico distintas al petrleo. Por lo mismo, se han concentrado los esfuerzos

en las energas alternativas tambin conocidas como energas renovables para evitar el

calentamiento global. Esta energa se obtiene de fuentes naturales virtualmente inagotables,

unas por la inmensa cantidad de energa que contienen, y otras porque son capaces de

regenerarse por medios naturales.

En la actualidad se siguen buscando soluciones para resolver esta crisis inminente.

La energa solar es un notable ejemplo de energas renovables, sta se puede aprovechar de

forma directa para la obtencin de agua caliente o bien puede convertirse en energa

elctrica. En cualquier caso, la primera condicin que debe reunir un sistema de

aprovechamiento de energa solar es la de recoger la mayor cantidad posible de energa

recibida en un determinado lugar. Esta condicin exige que la superficie colectora sea, en

todo momento, perpendicular a los rayos solares y, por tanto, una coleccin ptima slo

puede conseguirse si dicha superficie est dotada de un movimiento de seguimiento del Sol.

Naturalmente, la energa colectada no es la mxima posible, esto se debe a todas

aquellas condiciones climatolgicas que no son favorables como el caso de nublados

frecuentes, lluvias, nieve, entre otros; pero el sistema de control para la orientacin de un

concentrador cilndrico-parablico Este-Oeste puede resultar una solucin aceptable cuando

se trata de concentradores solares que calientan grandes cantidades de agua, ya que, el

concentrador solar posicionado en la posicin Este-Oeste garantiza la captacin de los

rayos solares desde que amanece hasta la puesta del sol de un da y con el sistema de

control de orientacin posiciona al concentrador solar en cada cambio de estacin del ao.

xvii

DEFINICIN DE PROBLEMA

La energa que enva el Sol a la tierra llega en diferentes ngulos, esto depende de la

situacin geogrfica, hora del da y poca del ao, por esta razn la orientacin de los

concentradores solares es uno de los parmetros ms importantes para el mayor

aprovechamiento de la energa solar en los sistemas de calentamiento de agua, de manera

que la superficie captadora se debe de encontrar en todo momento perpendicular a los rayos

del Sol desde el Este en la alborada hasta el Oeste en la puesta.

Es trascendental mencionar que al orientar automticamente el concentrador solar se

mejora su captacin; y con ello, el seguimiento del Sol es ms certero, sustituyendo el

esfuerzo fsico humano a lo largo del da. Ahora bien, la aportacin principal de este

trabajo de investigacin es la implementacin de un control de orientacin de bajo costo

basado en el desplazamiento de agua aplicado para concentradores solares que presentan

alta inercia, debido a sus dimensiones y peso de los materiales que se utilizan en su

construccin.

1

CAPTULO I ESTADO DEL ARTE

2

CAPTULO I ESTADO DEL ARTE

El mundo se enfrenta a un gran reto: cambiar de modelo energtico, esto es,

pasando del consumo basado en los combustibles fsiles a las energas renovables. Los

combustibles fsiles son limitados y algn da se agotarn. El Sol, sin embargo, continuar

brillando durante millones de aos, ante esta idea, los ingenieros y cientficos han

desarrollado prototipos que permiten el aprovechamiento de la radiacin solar, entre los que

se encuentra el concentrador solar. Este tipo de sistemas de colectores solares necesitan

tener un sistema de seguidor solar, que permita los rayos solares estn concentrados en un

punto, en una lnea o en una superficie en todo momento.

La necesidad de captar la mayor cantidad posible de la energa incidente en un

determinado punto es una exigencia comn en todos los sistemas de aprovechamiento de

energa solar. La mxima captacin se tiene si la superficie colectora se mantiene

constantemente en la posicin normal a los rayos del Sol, lo que puede conseguirse si dicha

superficie est dotada de un movimiento de seguimiento del Sol, aunado a una construccin

del calentador prcticamente perfecta.

1.1 CONCENTRADORES SOLARES

Un concentrador solar es un tipo de colector solar, capaz de concentrar la energa

solar en un rea reducida aumentando la intensidad energtica (radiacin solar

concentrada). Entendiendo por radiacin solar la energa radiante recibida del Sol en forma

directa y difusa.

Los concentradores se pueden clasificar segn las siguientes caractersticas:

Temperatura de operacin

Tipo de seguimiento

Forma geomtrica

Los concentradores menos complejos son los que no requieren seguimiento

continuo del Sol; stos estn orientados Este-Oeste (E-W) a fin de obtener mejor

aprovechamiento de los rayos del Sol, tienen un ngulo de aceptancia muy grande y

concentracin baja. El ngulo de aceptancia es la amplitud de la zona angular dentro de la

cual la radiacin es captada por el absorbedor de un concentrador. En caso de que el

sistema de control falle, el concentrador sigue funcionando

Desde el punto de vista tecnolgico, y atendiendo a las caractersticas de la parte

solar, existen diversos concentradores, figura 1.1, entre los principales se tienen:

Concentrador solar cilindro parablico (CCP)

Concentrador de receptor solar (CRS)

3

Discos parablicos o paraboloides de revolucin (DP)

Figura 1.1 Concentradores solares a) CCP, b) CRS, c) DP [1w]

1.1.1 Ventajas del empleo de concentradores solares

1. La cantidad de energa colectada sobre la superficie de absorcin por unidad

de rea se aumenta, con lo cual se pueden alcanzar altas temperaturas

aprovechables en algn ciclo termodinmico o en dispositivos termoinicos,

termoelctricos u otros.

2. Reduciendo las prdidas de calor al utilizar un absorbedor de menor rea no

slo se mejoran las eficiencias trmicas sino que tambin se reducen efectos

transitorios, ya que la masa trmica es mucho ms pequea que en colectores

planos.

3. Los costos se reducen pues se reemplaza un absorbedor costoso por un rea

reflectora menos costosa y ms duradera.

4. Se pueden obtener altas temperaturas incluso en invierno [1].

1.1.2 Desventajas del empleo de concentradores solares

1. Trabajan slo con la componente directa de la radiacin solar, quedando

restringida su utilizacin a lugares de alta insolacin

2. La calidad ptica de la superficie reflectora requiere mantenimiento y

proteccin intensiva contra su exposicin a la intemperie.

3. Cuanto ms alta es la temperatura a la cual la energa va a ser entregada

en un concentrador, mayor deber ser la razn de concentracin; para

lograr esto, la geometra del concentrador necesita ser la ms precisa

posible, as como del sistema que permite seguir al Sol, lo que se ve

reflejado en el costo del sistema termosolar [1].

absorbenteTubo

parablico

Espejo

Tuberias

Receptor

Heliostato

Receptor

Reflector

4

1.2 ANTECEDENTES HISTRICOS

La funcin ms especfica de un sistema de seguimiento es que el colector siga al

Sol en su movimiento, mantenindose apuntado hacia l en todo momento. Es por eso que

se han creado varios sistemas de orientacin para colectores solares como se muestra a

continuacin.

En [2] se presenta un sistema de seguimiento construido para controlar el panel solar

fotovoltaico con lentes de Fresnel para concentrar la radiacin solar directa sobre clulas

solares de silicio, el cual posee una superficie de . El panel a control utiliza una

configuracin de seguimiento en dos ejes en un montaje azimut- elevacin, quedando, por

tanto, determinada su orientacin por los ngulos azimutal y de elevacin. El seguimiento

del Sol en cada uno de estos ejes se consigue mediante un bucle de control, utilizando

sistemas fotosensores situados en una pieza soldada al panel, para las condiciones de fuerte

viento o granizo se genera una orden de posicionamiento de seguridad que controla el

movimiento de los motores para colocar el panel en la posicin adecuada; los autores

vieron la posibilidad de producir un desenfoque momentneo del panel para el caso en que

se produzca una elevacin indeseable de temperatura que pueda afectar al panel. En este

artculo se presenta un esquema de los circuitos y el diagrama de bloque de un sistema de

seguimiento.

El objetivo de [3] se relaciona con los montajes del colector solar y ms

particularmente del seguidor solar, este ltimo tiene un campo visual limitado que

monitorea la presencia o ausencia de la luz directa del sol para reducir al mnimo los errores

de orientacin que se puedan ocasionar cuando existan nubes.

Otra aportacin importante en esta invencin es que se proporciona un D.I.M. (un

monitor directo de la insolacin), que indica la presencia o la ausencia de la insolacin

directa sin importar la posicin del Sol mientras que ste se mueve a travs del cielo y con

ello poder tener un sistema de orientacin predeterminado que no est basado en la posicin

del Sol. Como es descrito detalladamente, en el montaje del colector de energa solar se

utilizan paneles para recolectar la energa solar, el panel tiene la trayectoria que sigue al Sol

desde que amanece hasta la puesta del Sol. Este proyecto incluye un motor elctrico u otros

medios convenientes para mover al panel solar hacia adelante y hacia atrs a lo largo de la

trayectoria del Sol.

En [4] se presenta una explicacin del planteamiento general y de las funciones

particulares que se esperan de un sistema de seguimiento. Estos sistemas de seguimiento

suponen que pueden mover un panel fotovoltaico de concentracin de unos de

superficie colectora. En primera instancia, se plantea la cinemtica del seguimiento del Sol

haciendo referencia al giro del planeta tierra con respecto al Sol, posteriormente hace

5

nfasis en el diseo de un sistema de arrastre y control que mueva al concentrador o

colector solar y lo mantenga continuamente apuntando al Sol. El autor de este artculo

concluye con una comparacin de las ventajas y desventajas que tiene un seguidor solar de

coordenadas calculadas y uno guiado por fotosensores.

En [5] se presenta un estudio terico que se realiz en diferentes sistemas de

seguimiento solar. Este estudio se bas en el clculo de la energa de radiacin solar

captada por los diferentes sistemas, utilizando la radiacin global y difusa de una superficie

horizontal que mide la radiacin de haz. Los diseos de estos sistemas son un sistema fijo

colocado en el Sur e inclinado grados de la vertical del eje donde se encuentra el

seguidor, el otro se inclin 6 grados con respecto del eje del seguidor. Los resultados

tericos fueron comparados con la energa solar prctica medidos desde los sistemas

instalados en un campo de prueba. La precisin anual de los valores obtenidos del presente

estudio son 5,36%, 9,07%, 7,92% y 5,98%, respectivamente. El anlisis tambin demostr

que este valor de precisin cambiado de mes a mes se acerca a las mediciones anuales que

se realizaron.

El seguidor solar electrnico de [2w] se basa fundamentalmente en la utilizacin de

un amplificador operacional 741 operando en modo diferencial, figura 1.2. El integrado

recibe sendas seales de dos fotoresistores LDR (Resistor dependiente de la luz) que

forman un divisor de tensin, estos al estar sometidos a la accin de los rayos solares, y

estando separados por un tabique opaco, reciben en cierto momento distinta radiacin,

entregando de esta manera distintas seales ( y ) a cada entrada del amplificador.

Dicho amplificador entonces al estar conectado en modo diferencial entrega una tensin de

salida proporcional a la diferencia

La figura 1.2a muestra un esquema de la ubicacin de los sensores del seguidor

en la estructura del concentrador, y el movimiento de correccin que se logra en el sistema.

La figura 1.2b ilustra el detalle del principio de funcionamiento del seguidor

utilizando dos LDR como sensores. Mientras que en la figura 1.2 se muestra el esquema

general del colector solar a controlar, que tiene como caractersticas: un dimetro de 1,5

metros, su foco est situado a 1 metro y la superficie reflectante fue realizada con pequeos

espejos trapezoidales de 2 mm de espesor.

6

Figura 1.2 Esquema general del colector solar [6].

Figura 1.2 a) Ubicacin del seguidor solar en la estructura del concentrador, b) Vista lateral del

sensor del seguidor y principio de funcionamiento [6].

El seguimiento solar se utiliza en grandes plantas de energa fotovoltaicas de

conexin a la red para maximizar la coleccin de la radiacin solar y, por lo tanto, tienden a

reducir el costo de entrega de electricidad. En particular, el seguimiento nico con eje

vertical, tambin llamado acimut seguimiento, permite ganar hasta un 40% de energa como

se muestra en el artculo [6], en comparacin con los arreglos de discos completamente

estticos ptimamente inclinados. Los autores de este artculo examinan los aspectos

tericos relacionados con el diseo de seguimiento azimut, teniendo en cuenta el

sombreado entre diferentes seguidores y las caractersticas de seguimiento.

En el artculo [7] los autores se concentran en la comparacin de los colectores CPC

(concentrador parablico compuesto) que no tienen seguidor solar con los colectores que

tienen seguidor. Los primeros se montan en direccin Este-Oeste con un ngulo que

depende de la latitud del lugar, las temperaturas mximas que se pueden alcanzar son hasta

200-250 C. Mientras que el segundo tiene un mecanismo magntico que gua la posicin

Batera

FocoSolarRadiacin

Espejos

Sensor

seguidor

CircuitoPin

CadenaMotor

Elctrica

Conexin Rodamiento

Tripode

dentada Corona

EjeBastidor

LDR

sistema

delPosicin

separador

Tabique

LDR

fija

angular

Posiscin

Focosistema delRadiacin

solarRadiacin

LDR

opaco Tanque

Soporte

7

del concentrador solar parablico, la temperatura que se genera es de 350C, siendo sta

ltima ms eficiente que la primera.

En [8] se propone un sistema seguidor solar a bajo costo el cual es activado por tiras

bimetlicas de aluminio y acero, y a su vez controlado por un amortiguador viscoso, figura

1.3. Las tiras bimetlicas se colocaron en un marco de madera, de forma simtrica a ambos

lados de un eje horizontal central y posicionadas de tal manera que la tira ms lejos del Sol

absorbe la radiacin solar, mientras que la otra tira tiene sombra. En las pruebas

experimentales se demostr que la tira de aluminio que est expuesta al sol se dobla ms

que la del acero debido a su coeficiente de expansin trmica. Esta deflexin produce una

flexin mxima en el punto medio, lo que genera un momento y a su vez un movimiento

que orienta el colector hacia el Sol. Cuando la temperatura es muy fra, se produce otra

deflexin que provoca que el colector solar regrese a su posicin inicial (mecanismo de

retorno durante la noche). Con esta propuesta se obtiene un aumento de eficiencia del 23%

con respecto a los seguidores solares comerciales.

Figura 1.3 Montaje experimental para la prueba con tira bimetlica [8].

Se presenta en [9] el diseo y construccin de un circuito electrnico para

seguidores de sol, el cual puede ser usado para orientar de manera automtica, paneles

hacia la regin de mayor incidencia de radiacin, incrementando la eficiencia de stos, en el

proceso de conversin de energa solar- energa elctrica. Una de las ventajas del circuito es

que puede usarse en otros sistemas que requieran la propiedad de heliotropismo tales como

colectores solares y medidores de radiacin directa, figura 1.4.

El circuito diseado, permite un seguimiento continuo y automtico del sol

alrededor de un eje. ste, evala el nivel de radiacin procedente de dos sensores ( y )y

acta sobre un motor DC, haciendo girar al sistema (en torno al eje H) hasta que las

radiaciones detectadas por los sensores sean iguales, con esto se consigue mantener una

plataforma siempre orientada hacia el Sol. Una barra es colocada entre ambos sensores para

eliminar la radiacin directa que incide sobre el sensor que est ms alejado del Sol. El

circuito posee adems, dos sensores de carrera ( y ), los cuales le indican el inicio y la

culminacin del da.

termicaRadiacin

Fijo Suporte

8

a) b)

Figura 1.4 a) Sistema de seguimiento solar para el cual se dise el circuito de control, b) Sistema

experimental usado para la calibracin del circuito electrnico [9].

Los autores de [3w] utilizan algoritmos genticos como una tcnica para optimizar

los seguidores solares en cuanto a su posicin (localizacin grfica y el tiempo), dicha

tcnica est basada en la teora de Woolf que recibe la radiacin solar mxima, de esta

manera el sistema reduce errores computacionales de posicin, errores mecnicos, de

sistemas de control e instalacin. Los algoritmos estn basados en un sistema de soluciones

estadsticas, con una condicin inicial establecida, creando una salida de voltaje que el

sensor recibe y ejecuta para su posicionamiento. Con este experimento se demuestra que el

funcionamiento del sistema aumenta cerca del 7.084% de eficiencia.

En el artculo [10] se presenta un mtodo de sntesis estructural de mecanismos

planos usados en la orientacin de sistemas de energa solar. El mtodo puede aplicarse a

mecanismos espaciales, levas o mecanismos de engranes. Mediante el uso de la teora de

cuerpos mltiples se obtuvieron grficas que ms tarde se analizaron y se transformaron en

mecanismos que simulaban dicho movimiento. En este trabajo se muestran los

movimientos que tiene el seguidor solar, las configuraciones, la estructura y los

mecanismos utilizados para obtener una mejor precisin. Se concluye de acuerdo a los

criterios que se obtuvieron los anlisis cinemticos y dinmicos de los sistemas mecnicos

de orientacin solar, las soluciones tambin presentan las ventajas relativas a la cuestion de

control, la creacin de prototipos y la aplicacin, figura 1.5.

Paneles

Opaca Barrera

1s

2s

Soporte

Base

H Eje

I Eje

circuitos

de Caja

radiacin

de Sensores

Motor

3s

4s

9

Figura 1.5 Mecanismos planos usados en la orientacin de paneles solares [10].

En el artculo [11] se presenta el control de un seguidor solar con alta exactitud sin

necesidad de un procedimiento exacto de instalacin o de recalibracin. Este sistema

seguidor hbrido est basado en los movimientos solares (cadena abierta) y un regulador

dinmico de regeneracin para el movimiento (lazo cerrado). Los ahorros de energa en los

motores que mueven al colector solar son considerables, puesto que, no se sigue al sol con

la misma exactitud con la que se mueve, para prevenir el consumo excesivo de energa en

los motores. Se exponen la simulacin y los resultados experimentales obtenidos con gran

detalle.

En el artculo [4w] la empresa espaola de Avilesina Asterfeito muestra en la figura

1.6 el desarrollo de un sistema de seguimiento solar milimtrico que permite un mayor

aprovechamiento de la luz del Sol en las plantas de energa solar trmica. Con este sistema

se facilita el movimiento de los paneles solares de tal forman que puedan hacer un

seguimiento de la luz solar lo ms preciso posible.

La tecnologa de este sistema es una innovacin en el campo de los sistemas

hidrulicos usados para accionar los dispositivos mecnicos de la plantas de energa solar

trmica.

Segn la empresa, con la utilizacin de esta tecnologa, se puede lograr un mayor

rendimiento de los paneles solares y una rebaja del consumo elctrico del 75 %, lo que

implica una reduccin de los gastos del autoconsumo de la planta.

Aunque el uso de seguidores solares no es esencial, su uso puede aumentar la

energa recogida de 10% a 100% en diferentes periodos de tiempo y las condiciones

geogrficas. Sin embargo se ha encontrado que existen diferentes tipos de sistemas de

seguimiento solar, en [12] se discuten las ventajas y desventajas de estos sistemas, los

autores resumen en una tabla todos los tipos de seguidores solares, los mtodos de

seguimiento que utilizan cada uno, la forma en que evalan la orientacin, la eficiencia que

se obtiene entre otros.

10

Figura 1.6 Sistema de seguimiento milimtrico de la trayectoria solar [4w].

En [13] se ha propuesto un motor esfrico, que tienen la habilidad de moverse lineal

y circularmente en tres dimensiones, fueron usados para seguir al sol con gran exactitud. En

este estudio, un motor esfrico es controlado por un microcontrolador que se mueve en dos

ejes. El funcionamiento de este seguidor solar slo es aplicable en Turqua y Denizli, ya

que fue cuidadosamente estudiado el clima de estas zonas.

La empresa TRAXLE ofrece al pblico seguidores solares construidos de aluminio

o acero inoxidable. Los paneles solares que se les adapta a este seguidor solar estn

colocados Norte-Sur, con la finalidad de hacer frente al sol directamente todo el da. Se

incorpora al panel solar un motor de corriente directa que es accionado por un mdulo

fotovoltaico pequeo unido a la parte inferior del panel solar. Este mdulo se monta

perpendicular hacia el sol y contiene las mdulos fotovoltaicos para detectar los rayos

solares. Las ventajas del seguidor solar que TRAXLE brinda, es obtener un 30% ms de

eficiencia de la captacin solar y los perfiles de instalacin son de fcil funcionamiento y

no requieren de mucho mantenimiento [5w].

1.3 TIPOS DE SEGUIDORES SOLARES

Un seguidor solar es un dispositivo mecnico capaz de orientar los mdulos

fotovoltaicos o colectores solares de forma que stos permanezcan perpendiculares a los

rayos solares. Siendo ste el primer requisito que se exige para el aprovechamiento de la

energa solar. Se clasifican de la siguiente manera:

Existen diferentes tipos de seguidores solares segn su rango de movimientos

1.3.1 Seguidores de un eje

Se denomina de esta forma a seguidores que slo tienen un grado de libertad en su

movimiento. Sus ventajas son: menor coste, simplicidad y fcil instalacin; las desventajas

son: seguimiento solar impreciso y menor energa captada.

11

1.3.2 Seguidores de dos ejes

Se trata de seguidores con dos grados de libertad, capaces de hacer un seguimiento

solar ms preciso, la superficie se mantiene siempre perpendicular al sol. Las ventajas que

ofrece son: un seguimiento solar ms preciso e incrementos en la eficiencia del 35%, sin

embargo, tienen un elevado coste.

Para los concentradores solares de un grado de libertad del presente tema de tesis, el

seguidor solar se construy en Mxico. Las superficies de los espejos se encuentran

orientadas de Este-Oeste, es decir el eje de giro es paralelo al Trpico de Capricornio, por

lo que, el seguimiento del Sol se realizar a travs de un sensor que indique la posicin de

ste.

12

CAPTULO II MODELO DINMICO DE UN CONCENTRADOR

SOLAR CILINDRO-PARABLICO ESTE-OESTE

13

CAPTULO II MODELO DINMICO DE UN CONCENTRADOR SOLAR

CILINDRO-PARABLICO ESTE-OESTE

El concentrador solar cilndrico-parablico cuenta con un arreglo de espejos en

forma de cilindro con generatriz parablica. En el foco se coloca un tubo de cobre por

donde pasa el agua y dependiendo de la longitud de exposicin, el rea de captacin solar y

la radiacin la temperatura del agua aumenta.

Figura 2.1 Fotografa del concentrador solar cilindro-parablico

Dentro del mbito de las tecnologas de concentracin solar, el concentrador solar

cilndrico-parablico es uno de los dispositivos ms usados, sobre todo por su gran

capacidad en concentracin de energa. En este trabajo se presentan los parmetros fsicos y

mecnicos del concentrador solar, entre los que se encuentra el peso de los componentes

del concentrador solar, el momento de inercia y los parmetros geomtricos (medidas del

concentrador).

14

2.1 PARMETROS GEOMTRICOS

El concentrador cilindro parablico, denominado mediante las siglas CCP, debe su

nombre a uno de sus componentes principales: la superficie reflectante cilindro parablica

refleja la radiacin solar directa concentrndola sobre un tubo absorbente colocado en la

lnea focal de la parbola. Esta radiacin concentrada sobre el tubo absorbente hace que el

fluido que circula por su interior se caliente, transformando de esta forma la radiacin solar

en energa trmica, en forma de calor sensible o latente del fluido. En la figura 2.2 el agua

fra sale de los tanques de plstico Rotoplas donde se encuentra almacenada, de aqu se

dirige hacia los tanques de agua caliente; de los tanque de agua caliente el agua se envia a

los concentradores solares por medio de una bomba de agua. El agua fluye por los

concentradores a travs de los tubos de cobre, donde stos reciben la radiacin solar como

se muestra, el agua circula por los tres concentradores solares hasta obtener una

temperatura de 60C y se almacena en los tanques de agua caliente, para posteriormente ser

usada.

Figura 2.2 Componentes del concentrador CCP

La conversin de energa solar en calor mediante concentradores solares es una

tecnologa bien conocida. La complejidad de los dispositivos de conversin depende de la

temperatura que se desea alcanzar. Para que esto sea posible, cada elemento se debe de

disear y ensamblar de forma correcta, evitando que exista alguna imperfeccin.

2or Concentrad

Soporte

agua de Bomba

fra agua de Tanques

caliente agua de Tanques

domstico Uso

caliente agua de tanqueslos a fra agua de Flujo

paso de Llaves

solarRadiacin

cobre de Tubos

or d concentra al

fra agua den Circulaci

3or Concentrad 1or Concentrad

Alberca

15

Para el diseo del concentrador se consider que la abertura mxima de la parbola

fuese de , esto se debe a que se instalaron tres concentradores solares en una

superficie de como se muestra en la figura 2.3.

Figura 2.3 Concentradores solares instalados en una superficie de

En la geometra del concentrador un parmetro importante es la parbola, ya que

sta refleja sobre el foco los rayos que recibe del sol. Una parbola es el lugar geomtrico

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 [14]. En este caso la ecuacin de la parbola se obtuvo a partir de:

kyphx 42 .

El vrtice V(h, k) se encentra en V (0,0.875), la ecuacin [13] se puede escribir

como:

875.042 ypx .

16

Ahora bien, el Foco )0,( pF es )0,875.0(F ; por lo que la ecuacin de la parbola

que se obtiene es:

.875.050.3

2

x

y

Al ejecutar el programa ecuacin parabla.m (vase apndice A, pg. 135) en el

Workspace de Matlab 2010 demo los resultados obtenidos son:

La distancia del vrtice al foco es de

El ancho de la parbola es de

Basados en la ecuacin y mediante el empleo del programa ecuacin

parabla.m, (vase apndice A, pg. 135) desarrollado en Matlab 2010 versin demo, se

obtienen las siguientes coordenadas de la parbola necesarias para construir el perfil del

concentrador solar, ver la figura 2.4 y la tabla 1.

Figura 2.4 Parbola del concentrador solar

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2-0.9

-0.8

-0.7

-0.6

-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

EJE X

EJE

Y

PARBOLA

17

Tabla 1 Coordenadas de la parbola con vrtice en el origen

# #

1 -1.75 0.000000 46 0.05 -0.874286

2 -1.71 -0.039543 47 0.09 -0.872686

3 -1.67 -0.078171 48 0.13 -0.870171

4 -1.63 -0.115886 49 0.17 -0.866743

5 -1.59 -0.152686 50 0.21 -0.862400

6 -1.55 -0.188571 51 0.25 -0.857143

7 -1.51 -0.223543 52 0.29 -0.850971

8 -1.47 -0.257600 53 0.33 -0.843886

9 -1.43 -0.290743 54 0.37 -0.835886

10 -1.39 -0.322971 55 0.41 -0.826971

11 -1.35 -0.354286 56 0.45 -0.817143

12 -1.31 -0.384686 57 0.49 -0.806400

13 -1.27 -0.414171 58 0.53 -0.794743

14 -1.23 -0.442743 59 0.54 -0.782171

15 -1.19 -0.470400 60 0.61 -0.768686

16 -1.15 -0.497143 61 0.65 -0.754286

17 -1.11 -0.522971 62 0.69 -0.738971

18 -1.07 -0.547886 63 0.73 -0.722743

19 -1.03 -0.571886 64 0.77 -0.705600

20 -0.99 -0.594971 65 0.81 -0.687543

21 -0.95 -0.617143 66 0.85 -0.668571

22 -0.91 -0.638400 67 0.89 -0.648686

23 -0.87 -0.658743 68 0.93 -0.627886

24 -0.83 -0.678171 69 0.97 -0.606171

25 -0.79 -0.696686 70 1.01 -0.583543

26 -0.75 -0.714286 71 1.05 -0.560000

27 -0.71 -0.730971 72 1.09 -0.535543

28 -0.67 -0.746743 73 1.13 -0.510171

29 -0.63 -0.761600 74 1.17 -0.483886

30 -0.59 -0.775543 75 1.21 -0.456686

31 -0.55 -0.788571 76 1.25 -0.428571

32 -0.51 -0.800686 77 1.29 -0.399543

33 -0.47 -0.811886 78 1.33 -0.369600

34 -0.43 -0.822171 79 1.37 -0.338743

35 -0.39 -0.831543 80 1.41 -0.306971

36 -0.35 -0.840000 81 1.45 -0.274286

37 -0.31 -0.847543 82 1.49 -0.240686

38 -0.27 -0.854171 83 1.53 -0.206171

39 -0.23 -0.859886 84 1.57 -0.170743

40 -0.19 -0.864686 85 1.61 -0.134400

41 -0.15 -0.868571 86 1.65 -0.097143

42 -0.11 -0.871543 87 1.69 -0.058971

43 -0.07 -0.873600 88 1.73 -0.019886

44 -0.03 -0.874743 89 1.75 0.000000

45 0.01 -0.874971

18

2.2 COMPONENTES DEL CONCENTRADOR SOLAR

CILINDRO-PARABLICO

En los componentes que se controlarn se ha realizado una comparacin de los

momentos de inercia con respecto al centro de masas utilizando el paquete MSC.Visual

Nastran 4D 2004 demo con las ecuaciones obtenidas matemticamente. El mtodo

matemtico ha sido programado en el paquete de Matlab 2010

versin demo.

Posteriormente se obtiene el momento de inercia con respecto al eje de giro usando el

teorema de Steiner o mejor conocido como teorema de ejes paralelos, siendo este el foco de

la parbola como se seala en la figura 2.5.

Figura 2.5 Eje de giro del concentrador

El momento de inercia se define como una medida de la resistencia que ofrece el

sistema cuando se trata de ponerlo en movimiento, siendo este [15].

En [15] considera un cuerpo de masa , donde Oxyz es un sistema de coordenadas

rectangulares cuyo origen est localizado en el punto arbitrario O y que ''' zyGx es un

sistema de ejes centroidales paralelo, esto es, un sistema cuyo origen est en el centro de

masas G del cuerpo y cuyos ejes 'x , 'y y 'z son paralelos a los ejes x , y y z

respectivamente (figura 2.6). Representado por x , y y z las coordenadas de G con

respecto de Oxyz , se describen las siguientes relaciones entre las coordenadas x , y y z

z) (eje Giro de Eje

19

del elemento dm con respecto a Oxyz y las coordenadas 'x , 'y y 'z de dicho elemento

con respecto de los ejes centroidales ''' zyGx .

Figura 2.6 Ejes paralelos

,222 MdIMzyII xxxx

,222 MdIMxzII yyyy

.222 MdIMyxII zzzz

Las ecuaciones , y constituyen el teorema de Steiner para

momentos de inercia. El cual establece que el momento de inercia de masa xI , yI zI

respecto a un eje dado es igual a la suma del momento de masa respecto a un eje paralelo

que pasa por el centro de gravedad del cuerpo xI , yI zI y el producto de la masa M

por la distancia perpendicular entre los ejes bajo consideracin 2d .

2.2.1 Perfiles parablicos

Los perfiles parablicos sirven de apoyo para la lmina tipo espejo, dndole rigidez

al concentrador, se encuentran soldados a los marcos y fueron rolados a mano para obtener

una mayor precisin en la parbola, el rolado a mano sigui una matriz parablica usando

los valores de la tabla 1. Cada concentrador necesita seis perfiles parablicos, los cuales son

de PTR calibre #14 Azul de pulgadas, que son equivalentes a 0.033 en el Sistema

Internacional, las medidas de un perfil de la parbola estn detalladas en el Apndice B,

pg. 160. En la figura 2.7, se muestra la configuracin de los seis perfiles en vista

x

y

z

'x

'y

'z

zy

x B

G

dm

O

20

isomtrica realizado en el paquete Mechanical Desktop 6 Power Pack

demo y abajo la

fotografa de la estructura del concentrador

Figura 2.7 A) Configuracin de los seis perfiles en vista isomtrica realizado en el paquete

Mechanical Desktop 6 Power Pack demo, B) Fotografa de los perfiles parablicos del concentrador solar en

construccin .

En la figura 2.8 se muestra un perfil parablico con vista frontal e inferior en donde

se seala el eje de giro y la localizacin de su centro de masas.

1 Perfil

2 Perfil

3 Perfil

4 Perfil

5 Perfil

6 Perfil

z) (eje Giro de Eje

A)

B)

1 Perfil2 Perfil

3 Perfil

4 Perfil

masas de

Centro

21

Figura 2.8 a) Vista frontal, b) Vista Inferior, c) Medidas de un perfil parablico

Tabla 2 Caractersticas generales de un perfil parablico

Material

PTR calibre #14 Azul

Ecuacin de la parbola

875.050.3

2

x

y Masa del perfil de la parbola

Densidad de cada perfil

parablico

rea de la parbola

Volumen de la parbola

Ecuacin del momento de inercia de un cilindro-

parablico slido con respeto al centro de masas**

Momento de inercia con respecto al eje de giro

(Eje z)**

** Vase el desarrollo en el Apndice A, pg. 135, perfil parablico.m

ver en la figura 2.9

Inferior b)Vista

Frontal Vista a)

masas de Centro

(z) giro de Eje

(z) giro de Eje

Medidas c)3.5m

0.875m

22

Figura 2.9 Cilindro parablico slido

De acuerdo a las caractersticas mencionadas anteriormente (tabla 1), el momento

de inercia con respecto al centro de masas es el mismo para los seis perfiles parablicos,

puesto que todos tienen las mismas medidas y la misma altura del eje de giro (eje z). Al

comparar el mtodo matemtico realizado por el autor de esta tesis (Matlab 2010

versin

demo) con el del programa de MSC.VisualNastran 4D 2004 demo se obtienen:

Tabla 3 Momentos de Inercia de los 6 perfiles parablicos de la lmina

Momento de inercia con respecto al centro de masas

(Matlab 2010

versin demo)

Momento de inercia con respecto al centro de

masas (MSC.VisualNastran 4D 2004 demo)

Momento de inercia con respecto al eje de giro (Eje z)

d

a

b

23

2.2.2 Marcos del concentrador

El concentrador est compuesto por cuatro marcos de PTR calibre #14 Azul de

, que son equivalentes a en el Sistema Internacional. Dos de

ellos tienen una longitud de 6.20m, mientras que los otros dos tienen una longitud de

3.50 m, como se muestra en la figura 2.10 y 2.11 (detalles en el Apndice B, pg.161). Los

marcos dan la rigidez al concentrador solar y van soldados los perfiles parablicos.

Figura 2.10 Marcos del concentrador solar

Figura 2.11 Fotografa de los marcos del concentrador solar

1 Marco

4 Marco

3 Marco

2 Marco

(z) giro de Eje

3 Marco

4 Marco

1 Marco

2 Marco

m 3.5

m 6.2

24

Figura 2.12 Referencias de medidas de los marcos 1 y 2 para los momentos de inercia

Figura 2.13 Referencias de medidas de los marco 3 y 4 para los momentos de inercia

Tabla 4 Caractersticas de cada marco del concentrador solar

Marco 1 Marco 2 Marco 3 Marco 4

Medida [m]

Medida [m]

Densidad

Material


rea

3.5mcmar1,2

m 0.0381f 1,2mar m 0.1016emar1,2

(z) giro de Eje

(z) giro de Ejem0381.0cmar3,4

m1016.0emar3,4 m2.6fmar3,4

25

Tabla 4 Caractersticas de cada marco (continuacin) Volumen

Masa [kg.]

Ecuacin del momento de inercia de un prisma

rectangular slido (cada marco) con respeto al eje

de giro del concentrador


rectangular slido (cada marco) con respeto al centro

de masas

Tabla 5 Momentos de inercia de cada marco

MARCO 1 MARCO 2 MARCO 3 MARCO 4

Momento de inercia con respecto al centro de masas (Matlab 2010

versin demo)

Momento de inercia con respecto al centro de masas (MSC.VisualNastran

4D 2004 demo)

Momento de inercia con respecto al eje de giro (Matlab 2010

versin demo)

** Vase el desarrollo en el Apndice A , pg. 141,marco.m

ver en la figura 2.12 y 2.13

En la tabla 5 se muestran los momentos de inercia calculados matemticamente

usando el programa de Matlab 2010

versin demo y comparando el momento de inercia

con respecto al centro de masas con los obtenidos en el paquete de MSC.Visual Nastran

4D 2004 demo.

2.2.3 Soleras del concentrador solar

El concentrador contiene 25 soleras de , que en el sistema

Internacional tienen una equivalencia aproximada de , figura 2.14.

26

La funcin de las soleras es soportar y darle rigidez a la lmina de acero inoxidable

con acabado espejo, para que no se deforme por los ventarrones que pudieran existir.

Figura 2.14 a) Vista Isomtrica del concentrador solar y b) Vista Superior (soleras enumeradas)

Isomtrica a)Vista

Marcos

sparablico Perfiles

Soleras

(z) giro de Eje

)enumeradas (solerasSuperior b)Vista

1 2 3 4 5

6 7 8 9 10

11 12 13 14 15

16 17 18

21

19 20

22 23 24 25

Soleras

Marcossparablico Perfiles

27

Figura 2.15 Fotografa de las soleras del concentrador solar

Tabla 6 Caractersticas de las soleras del concentrador solar

Soleras 1 a la 5 y 21 a la 25 Soleras de la 6 a la 20

Medida [m]

Masa

rea

Volumen

Densidad de cada solera

Ecuacin del momento de inercia con respecto al

centro de masas**

Momento de inercia con respecto al eje de giro

(Eje z)**

** Vase el desarrollo en el Apndice A, pg. 143, soleras.m

ver en la figura 2.16 y 2.17

1 Solera2 Solera

9 Solera 3 Solera

6 Solera

7 Solera14 Solera8 Solera

11 Solera16 Solera

12 Solera

Solera1913 Solera

18 Solera

17 Solera

28

Figura 2.16 A) Medidas de soleras de la 1 a la 5 y de la 21 a la 25

Figura 2.16 B) Medidas de soleras de la 5 a la 20

Tabla 7 Momentos de inercia de las soleras del concentrador solar


versin demo)

Soleras 1 a la 5 y 21 a la 25 Soleras de la 6 a la 20

Momento de inercia con respecto al centro de masas (MSC.VisualNastran

4D 2004 demo) Soleras 1 a la 5 y 21 a la 25 Soleras de la 6 a la 20


versin demo)

mi 1695.1

m 0.0047625h

mg 0254.0

m 0.0047625h

mg 0254.0mi 186.1

masas de Centro

29

Tabla 7 Momentos de inercia de las soleras del concentrador solar (continuacin)


versin demo)

2.2.4 Lmina

La lmina de acero inoxidable # 304 con acabado espejo es el espejo del

concentrador, a la cual se le ha dado la forma cilndrico-parablica, apoyado en el esqueleto

del marco de PTR, los perfiles parablicos y las soleras (figura 2.17 y 2.18).

Figura 2.17 Fotografa de la lmina de acero inoxidable del concentrador solar cilindro-parablico

304 # inoxidable acero de Lmina

(z) giro de Eje

30

Figura 2.18 Representacin de la lmina de acero inoxidable #304 en Mechanical Desktop 2004 demo

Tabla 8 Caractersticas de la lmina de acero inoxidable #304 acabado espejo

Ecuacin de la parbola

875.050.3

2

x

y Material

Acero inoxidable # 304 con acabado espejo

Densidad

Masa d

rea de la parbola

Volumen

Ecuacin del momento de inercia de un cilindro-

parablico slido con respeto al centro de

masas**

Momento de inercia con respecto al foco de la

parbola (eje de giro)

ver figura 2.9

** Vase el desarrollo en el Apndice A, pg. 146, lmina.m

304 # inoxidable acero de Lmina(z) giro de Eje

31

En la figura 2.19 se muestran las medidas de la lmina de acero inoxidable # 304

para el concentrador solar cilindro-parablico del presente tema de tesis.

Figura 2.19 Medidas de la lmina de acero inoxidable # 304 acabado espejo

Tabla 9 Momentos de inercia de la lmina de acero inoxidable #304 acabado espejo

Momento de inercia con respecto al centro de

masas (MATLAB

2010 demo)

Momento de inercia con respecto al

centro de masas (MSC.visualNastran

4D

2004 demo)

Momento de inercia con respecto al foco de la parbola

(eje de giro) (Matlab 2010

versin demo)

2.2.5 Base del tensor del concentrador

La base del tensor sirve para sujetar los extremos ms largos del marco mientras que

el cable de acero galvanizado corrige el pandeo del marco 3 y levantando la base del tensor.

La base del tensor es de PTR calibre #14 Azul de , se tienen uno en

cada extremo del concentrador, en total son dos. Sus caractersticas y medidas se muestran

en la figura 2.20.

(z) giro de Eje

m 6.2d

m 1.75a

m 0.875b

m 1.75a

32

Figura 2.20 Fotografa de la base del tensor y el cable tensor del concentrador solar lado derecho

Tabla 10 Caractersticas de la base de los tensores del

concentrador

Densidad

Material


Masa

Medidas

rea de la parbola

Volumen de la parbola

Ecuacin del momento de

inercia de un prisma

rectangular slido con

respeto al centro de masas


foco de la parbola (eje de giro)

ver figura 2.21

** Vase el desarrollo en el Apndice A, pg. 148, tensor.m

tensordel Base

Tensor

inoxidable

acero de Lmina

parablico PerfilSolera

m0.0254c

m0.0254b

m305.0a

tensordel Base 2.21 Figura

33

Tabla 11 Momento de inercia de la base de los tensores del concentrador TENSOR DERECHO TENSOR IZQUIERDO


versin demo)

Momento de inercia con respecto al centro de masas (MSC.visualNastran 4D 2004 demo)

Momento de inercia con respecto al eje de giro (Matlab

2010 versin demo)

Figura 2.22 Base del tensor izquierdo y derecho

Derecho

Tensor del Base

Izquierdo

Tensor del Base

Tensores los de Base

(z) giro de Eje

(z) giro de Eje

34

2.2.6 Base de los porrones

El concentrador solar cilindro-parablico expuesto en el presente trabajo est

compuesto por dos bases para porrones de PTR calibre #14 Azul de y

solera de , cada uno cuenta con piezas de diferentes longitudes para

formar la base como se muestra en la figura 2.23 y 2.24.

Figura 2.23 Fotografa de la base de los porrones para el concentrador solar lado izquierdo

Figura 2.24 Base de los porrones para el concentrador solar lado izquierdo y derecho

Izquierdo

Porrones los Basede

Derecho

Porrones los de Base

(z) giro de Eje

izquierdo

porrn del Base

35

La figura 2.25 muestra con diferentes colores cada una de las partes que conforman

la base de los porrones y se numeran, ya que posteriormente se obtendr los momentos de

inercia de cada elemento.

Figura 2.25 Piezas que integran la base del porrn

Tabla 12 Caractersticas generales de la base del porrn

Material


Densidad


rectangular slido con respeto al centro de masas**

Momento de inercia con respecto al foco de la

parbola (eje de giro)

** Vase el desarrollo en el Apndice A, pg. 149, base.m

Marco3

tensordel Base

5 Base

7 Base

6 Base

3 Solera

4 Base

1 Solera

3 Base

2 Solera

2 Base

1 Base

36

Tabla 13 Caractersticas y momentos de inercia de las partes de la base del porrn

Base 1 (Lado derecho=Lado izquierdo)

Masa

rea de la parbola

Volumen


versin demo)

Momento de inercia con respecto al centro de masas (MSC.VisualNastran 4D 2004 demo)


Medidas


Masa

rea de la parbola

Volumen


versin demo)



Medidas


Masa

rea de la parbola

Volumen


versin demo)



Medidas

c

b

a

a

b

c

a

b

c

37

Tabla 13 Caractersticas y momentos de inercia de las partes de la base del porrn (continuacin)


Masa

rea de la parbola

Volumen


versin demo)



Medidas


Masa

rea de la parbola

Volumen


versin demo)



Medidas


Masa

rea de la parbola

Volumen


versin demo)



Medidas

a

a

a

b

c

b

c

b

c

38



Masa d

rea de la parbola

Volumen


versin demo)



Medidas

Solera 1 (Lado derecho=Lado izquierdo)

Masa

rea de la parbola

Volumen


versin demo)



Medidas


Masa

rea de la parbola

Volumen


versin demo)



Medidas

a

a

a

b

c

c

b

b

c

39



Masa

rea

Volumen


versin demo)



Medidas

2.2.7 Porrones o contenedores de agua

En los laterales del concentrador se encuentran colocados dos porrones de 2.850 kg

cada uno, con una capacidad de 60 litros, en su interior se encuentran almacenados 30 litros

de agua en cada contenedor, el agua almacenada se usar para la orientacin del

concentrador solar (ver Captulo III). Dentro de los porrones se encuentran las bombas de

agua que mandan el lquido al porrn vecino del mismo mdulo, con el objeto de inclinar el

concentrador hacia donde se encuentra el Sol.

Figura 2.26 Fotografa del porrn lado izquierdo

a

b

c

Porrn

40

Tabla 14 Caractersticas y momentos de inercia de un porrn Volumen

rea

Masa

Densidad

Ecuacin del momento de inercia de un

prisma rectangular slido con respeto al

centro de masas**



Medidas


versin demo)



** Vea el desarrollo en el Apndice A base.m

2.2.8 Bomba de agua de los porrones

Las bombas de agua de los porrones son silenciosas, compactas y de bajo consumo

de energa lo que las hace muy econmicas (su consumo de energa es menor al de un foco

de 60 watts), ya que las bombas slo trabajan unos segundos mientras posicionan al

concentrador en el ngulo deseado, se colocan dentro del porrn y sumergidas bajo el agua,

para evitar que se quemen, la bomba del porrn tiene una altura mxima 70 cm con un flujo

de 3000 l/H, figura 2.27.

ab

c

41

Figura 2.27 Bomba de agua del porrn

2.2.9 Ejes

En los extremos se tiene dos ejes soldados al concentrador solar (frontal y

posterior), unidos con chumaceras a las torres del mismo, el objetivo es que permitan

orientar el concentrador de Norte a Sur (figura 2.28 y 2.29). Las caractersticas y momentos

de inercia se muestran a continuacin.

|

Figura 2.28 Fotografa del eje del concentrador solar cilindro-parablico

Figura 2.29 Eje frontal y posterior del concentrador solar cilindro-parablico

frontal eje

chumeceras

frontal eje

posterior eje

42

Tabla 15 Caractersticas y momentos de inercia de un eje Volumen

rea

Masa

Densidad

Medidas

Ecuacin del momento de inercia con

respeto al centro de masas**



Eje Frontal = Eje Posterior


versin demo)



** Vse el desarrollo en el Apndice A , pg. 157,cilindro.m

2.2.10 Soportes del concentrador

Los soportes del concentrador son de PTR calibre #14 Azul de

con diferentes longitudes, ya que estas partes se encuentran soldadas unas con

otras, como se muestra en la figura 2.30 los soportes son fijados a la superficie de la loza

del techo y reforzada con una base de concreto de 10 cm de espesor.

L

D

43

Figura 2.30 Fotografa de los soportes del concentrador solar

2.2.11 Tensores

Se tienen tres tensores, uno de ellos ubicado en el centro y los dos restantes se

encuentran a los costados del concentrador, figura 2.31. El objetivo primordial del tensor

central es evitar el pandeo de los tubos de cobre, debido al peso del agua y al peso propio

del material del cobre. Los tensores que se encuentran en los costados del concentrador

corrigen el pandeo de los marcos.

Figura 2.31 a) Fotografa del tensor derecho del concentrador solar, b) Fotografa del tensor medio del

concentrador solar

2.2.12 Tubos absorbentes

Como se muestra en la figura 2.32 y 2.33 se colocaron dos tubos absorbentes de

cobre de 0.0762 m de dimetro por cada mdulo con 6 metros de longitud cada tubo, en los

Soporte

Soporte

a) b)

derechoTensor

aborbentes Tubos

Tensor central

44

cuales circula agua que posteriormente ser utilizada en el uso domstico, sta debe de

alcanzar una temperatura mxima de 60C, ya que a la postre se almacenar en los

contenedores de agua caliente. Los tubos de cobre de 0.0762 m estn alimentados con tubos

de 0.0127 m por dos codos del mismo tamao. Se ha empleado soldadura de plata, para

evitar fugas que generalmente existen cuando se une con soldadura de estao.

Los tubos de 0.0127 m se utilizan para que el agua permanezca ms tiempo en los

tubos de 0.0762 m, con esto aumenta la eficiencia del sistema y se utiliza una bomba de

agua de menos potencia, para este caso se utiliz una bomba de HP.

Figura 2.32 Fotografa de los tubos absorbentes del concentrador solar

Figura 2.33 Fotografa de los tubos absorbentes del concentrador solar en los tres mdulos

aborbentes Tubos

aborbentes Tubos

aborbentes Tubos

aborbentes Tubos

45

2.2.13 Contenedores de agua fra

En los contenedores de agua fra de plstico Rotoplas se encuentra almacenada el

agua que se desea calentar a 60C, cada contenedor tiene una capacidad de 1200 litros,

figura 2.34.

Figura 2.34 Fotografa de los contenedores de agua fra

2.2.14 Contenedores de agua caliente

Se tienen dos tanques de acero inoxidable de 1000 litros cada uno cubiertos con

impermeabilizante trmico, para evitar la disipacin del calor del agua caliente. Los tanques

se encuentran alojados en un cuarto de vidrio y policarbonato, teniendo como consecuencia

en su interior el efecto invernadero y as poder conservar la temperatura del agua caliente,

dentro del invernadero se tiene una temperatura aproximada de 30C por las maanas,

figura 2.35.

Figura 2.35 Fotografa de los contenedores de agua caliente

fra agua de esContenedor

46

2.3 Momento de Inercia Total del Concentrador Solar Cilindro-Parablico Cuando un cuerpo consiste de varias piezas el momento de inercia del cuerpo con

respecto a un eje dado puede obtenerse calculando primero los momentos de inercia de sus

componentes alrededor del eje deseado, como se mostr anteriormente, y despus se suman

en conjunto, las unidades de los momentos de inercia , e son .

Tabla 16 Momentos de inercia con respecto al eje de giro

Cantidad Nombre de la Pieza

1 PERFIL 1 8.091 0.792 8.824

1 PERFIL 2 17.859 10.549 8.824

1 PERFIL 3 45.608 38.309 8.824

1 PERFIL 4 91.358 84.059 8.824

1 PERFIL 5 155.098 147.779 8.824

1 PERFIL 6 235.676 228.377 8.824

1 MARCO1 0

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