Energia Concentrador Solar Scheffler Gea Utfsm

DEPARTAMENTO DE MECÁNICA INVESTIGACIÓN APLICADA I

IMPLEMENTACIÓN DE EQUIPO CONCENTRADOR SOLAR

PARABÓLICO TIPO SCHEFFLER

Autor : Wladimir Gutiérrez Bornes

Profesor: Jaime Espinoza Silva

Valparaíso, 15 de diciembre del 2005

Investigación Aplicada I Concentrador Solar Parabólico

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1. RESUMEN EJECUTIVO

La desmedida utilización de combustibles hidrocarburos como fuentes energéticas ha generado dos problemas importantes:

El primero son los bajos niveles que se disponen para el futuro, generalmente respecto al petróleo. Y el segundo es el aumento de los gases que provocan el efecto invernadero en la tierra, y que son responsables de una aumento en la temperatura global.

Por este motivo, enmarcado en razones económicas y ecológicas es imprescindible investigar y desarrollar otras alternativas de suministro energético. Entre éstas, las mejor posicionadas son las Energías Renovables.

Se denomina Energía Renovables a aquellas que, administrada en forma adecuada, puede explotarse ilimitadamente.

La principal fuente de energía Renovable es el Sol, que envía energía a la tierra del tipo radiante (luz visible, ultravioleta y radiación infrarroja). Esta energía se convierte en una variedad de efectos a la altura de la atmósfera, algunos de los cuales tienen importancia a nivel energético, tal es el caso de la energía eólica, la energía de la biomasa, la diferencia en la temperaturas oceánicas, y la energía de las olas.

La energía solar se refiere a la energía que proviene del aprovechamiento directo de la radiación del sol. Es posible obtener Luz, Calor y Electricidad.

En los sistemas de aprovechamiento térmico el calor recogido en los colectores solares puede destinarse a satisfacer numerosas necesidades, como por ejemplo: obtención de agua caliente para consumo doméstico o industrial, secado de fruta, climatización de viviendas, refrigeración, calefacción, etc.

Los paneles fotovoltaicos, que constan de un conjunto de celdas solares, se utilizan para la producción de electricidad, y constituyen una adecuada solución para el abastecimiento eléctrico en las áreas rurales que cuentan con un recurso solar abundante. La electricidad obtenida mediante los sistemas fotovoltaicos puede utilizarse en forma directa, o bien ser almacenada en baterías para utilizarla durante la noche.

Las fórmulas para captar esta energía son diversas. Una de ellas es aprovechar la absorción propia de los materiales por la estructura y el color. Los metales y el negro son los que más calor absorben. También podemos concentrar la radiación con superficies brillantes aumentando en gran cantidad la temperatura comparada con la ambiente.


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2. ÍNDICE 1. Resumen Ejecutivo…………………………………………………………... 01 2. Índice………………………………………………………………………….02 3. Introducción………………………………………………………………….. 03 4. Objetivos……………………………………………………………………... 04 5. Estudio Preliminar del Tema………………………………………………… 05 5.1. Características Atmosféricas de Chile y de la V región………………… 07 6. Fundamentos del Concentrador Solar Parabólico tipo Sheffler……………… 08 7. Implementación Concentrador Solar Parabólico tipo Sheffler de 8 [m2]……. 15 8. Estudio de las Alternativas de Fabricación…………………………………... 18 9. Materiales Utilizados………………………………………………………… 19 10. Construcción del Equipo…………………………………………………….. 21 11. Cumplimiento de las Regulaciones y Normativas…………………………… 22 12. Mantención del Equipo 12.1. Reflector……………………………………………………………….. 24 12.2. Sistema de Seguimiento 12.2.1. Mecánico……………………………………………………….. 24 12.2.2. Electrónico……………………………………………………... 24 13. Costos Operacionales………………………………………………………… 25 14. Aplicaciones…………………………………………………………………. 27 14.1. Calentamiento de Agua………………………………………………… 29 14.2. Calentamiento de Aire…………………………………………………. 29 14.3. Cocinas Comunitarias………………………………………………….. 30 14.4. Otras aplicaciones……………………………………………………… 30 15. Mejoras al Equipo……………………………………………………………. 31 16. Conclusiones…………………………………………………………………. 32 17. Referencias…………………………………………………………………… 33


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3. INTRODUCCIÓN

La idea principal del siguiente informe es dar a conocer el proceso de construcción

asociado a un equipo de calentamiento aprovechando la radiación solar, así como algunos

requerimientos y alternativas técnicas y económicas. Se analizarán variables en la

construcción del equipo tales como disponibilidad de materiales, costo, traslado, mano de

obra y tiempo de construcción. El equipo implementado está destinado tanto a operaciones

industriales como domésticas que se seleccionarán de acuerdo a los resultados de las

mediciones de flujo y temperaturas alcanzadas. Entre las posibles aplicaciones se

encuentran: secado de frutas, aplicación en panaderías como reemplazo de hornos para la

cocción, utilización doméstica como sustituto de hornos o cocinas y calefacción, entre

otros.

El calentamiento global es un hecho, los estudios científicos de los últimos años

indican un aumento significable (respecto a los efectos en el medio ambiente) en las

temperaturas medias de nuestro planeta.

Este fenómeno está directamente relacionado con las concentraciones de CO2

presentes en la atmósfera. Estas concentraciones básicamente se han ido incrementando

debido a la quema de combustibles fósiles que se han visto aumentadas de forma sustancial

en el último siglo mediante el fenómeno de “Efecto invernadero” que se produce.

Según los últimos estudios, se estima que a fines del presente siglo, en caso de que

se mantengan las emanaciones de los gases invernaderos (que no solo es el CO2, pero es el

más importante en cuanto a su efecto en éste fenómeno), se obtendrá un aumento de

aproximadamente entre 2 a 4 grados Celsius, lo que no es un gran problema para nosotros

como organismos, pero es una gran dificultad para el medio ambiente, ya que puede

desencadenar serios problemas y cambios climáticos.

Por estos motivos debemos pensar a futuro, haciendo lo posible para disminuir las

concentraciones de estos gases invernaderos. Una de las formas mas importantes es creando

nuevas formas de abastecimiento energético, entre las cuales la energía Solar es la más

importante.


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4. OBJETIVOS

• Dar a conocer las diferentes propiedades y características de la Energía Solar, además

de algunos datos interés de nuestro país.

• Entregar los requerimientos técnicos y económicos para desarrollar un equipo

comunitario de concentración de energía solar de 8 [m2] para la zona de Valparaíso.

• Implementar un Concentrador Solar Parabólico tipo Sheffler en el tiempo planificado.

• Con las mediciones esperadas y calculadas determinar posibles aplicaciones al equipo

reflector para la zona geográfica y estación del año establecidas con anterioridad.


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5. ESTUDIO PRELIMINAR DEL TEMA La radiación solar es una forma particular de radiación térmica con una distribución

particular de longitudes de onda. Su intensidad depende fuertemente de las condiciones atmosféricas, época del año y del ángulo de incidencia de los rayos del sol en la superficie de la tierra. En el límite exterior de la atmósfera, la irradiación total cuando la tierra se

encuentra a la distancia media del sol es 1.395 [ ]2m

W Este número se denomina constante

solar, pero es dependiente de las distintas estaciones del año. No toda la energía de la constante solar alcanza la superficie de la tierra, debido a la

fuerte absorción que realizan el dióxido de carbono y el vapor de agua en la atmósfera. La radiación solar que influye sobre la superficie de la tierra depende también del contenido en polvo y otros contaminantes de la atmósfera. El albedo es la cantidad, expresada en porcentaje, de radiación que incide sobre cualquier superficie y que se pierde o es devuelta por reflexión. Las superficies claras tiene valores de albedo superior a las oscuras. El albedo medio de la Tierra es del 30-32% de la radiación que proviene del sol. Las nubes pueden tener un alto albedo y reflejar una gran cantidad de radiación solar incidente; esto reduce la cantidad de radiación solar que llega a la superficie, disminuyendo la temperatura de las capas bajas durante el día. En la noche el efecto es opuesto, porque las nubes absorben la radiación terrestre y la reemiten a la superficie, manteniendo una cantidad de calor cerca de la superficie, aumentando la temperatura respecto a noches despejadas.

Fig. 1: Imagen Global de Satélite


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Previo a la construcción e instalación de un concentrador de este tipo es necesario conocer las características del lugar. Por ejemplo, el efecto de la cubierta de nubes es reducir la amplitud diaria de temperatura de un lugar, disminuyendo los máximos en el día y aumentando los mínimos en la noche. Así, la energía solar máxima alcanza la superficie de la tierra cuando los rayos inciden normalmente a la tierra porque al flujo solar incidente se le presenta un área de vista más grande y porque los rayos solares viajan una distancia más pequeña a través de la atmósfera de modo que hay menos absorción (por vapor de agua, monóxido de carbono, etc.) que la que habría para un ángulo incidente inclinado respecto a la normal, como lo señala la ley de Beer:

xae

I

I

O

X ⋅−= λ

λ

λ

donde X

I λ : intensidad de la radiación resultante.

O

I λ : intensidad de la radiación incidente.

λa : coeficiente de absorción monocromática.

x : espesor de la capa de gas. La siguiente figura indica los efectos de la absorción atmosférica en un lugar al nivel del mar, en días claros, para una atmósfera con un moderado contenido de polvo y de vapor de agua:

Fig. 2: Distribución espectral de la radiación solar


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En resumen, para la construcción de cualquier equipo que use la energía proveniente del Sol y según el estudio antes realizado debemos tener en consideración lo siguiente: 1. Las características ambientales determinan el grado de reflexión de la energía solar

(nubes, partículas en el aire, contaminación, etc.) 2. El ángulo de incidencia del Sol en la superficie de la Tierra influye en la intensidad de

la radiación solar.1 3. La época del año es importante ya que determina el valor de la constante solar; al

realizar la Tierra una trayectoria elíptica el valor de la constante cambia para las distintas estaciones, alcanzando su mayor valor en el verano.

5.1. CARACTERÍSTICAS ATMOSFÉRICAS DE CHILE Y DE LA V REGIÓN Según los archivos disponibles en el Laboratorio de Evaluación Solar de nuestra universidad, la disponibilidad de Energía Solar en Chile es de aproximadamente 10 horas en verano y 4 horas en invierno; además, las radiaciones solares diarias para la regiones del país son las siguientes:---------------- ------------------

1 Una forma de calcular el ángulo de incidencia sobre la Tierra puede encontrarse en el texto Energía Solar,

Aplicaciones e Ingeniería, de Pedro Sarmiento M., Tercera Edición, capítulo V.

Tabla 1: Radiación Solar anual en Chile

Radiación Solar Región (Kcal/(m2 día))

I 4.554 II 4.828 III 4.346 IV 4.258 V 3.640 VI 3.676 VII 3.672

Radiación Solar Región (Kcal/(m2 día))

VIII 3.475 IX 3.076 X 2.626 XI 2.603 XII 2.107 RM 3.570

Antártica 1.563

Se demuestra que el norte de Chile presenta condiciones extraordinariamente favorables para la utilización de la energía solar. Entre las regiones I y IV el potencial de energía solar puede clasificarse entre los más elevados del mundo. Por otro lado, según estos resultados y las características geográficas de nuestra zona (latitud: - 33 º 02 [min]; longitud: - 71 º 36 [min]), se observa que las regiones V y VIII también son susceptibles de ser utilizadas en aplicaciones solares, aún cuando el contenido de humedad es considerable.


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6. FUNDAMENTOS DEL CONCENTRADOR SOLAR PARABÓLICO TIPO SHEFFLER

El reflector Scheffler es uno de los sistemas más potentes de concentración de la luz

solar. Wolfgang Scheffler, el inventor de este sistema de concentración de la luz solar, es

un físico alemán que, a través de la asociación Solare Brücke e.V., enseña a construir este

tipo de reflectores. La tecnología es sencilla porque se trata de un reflector parabólico

excéntrico hecho de planchas de material reflectante, flexible, que gira alrededor de un eje

paralelo al eje de la Tierra y en sincronía con el del Sol. El reflector es una sección lateral

de un paraboloide más grande cortado de manera inclinada, que le da la forma elíptica

característica y única del reflector Scheffler, como lo indica la figura. La luz solar que es

reflejada lo hace sobre una sección del paraboloide y se proyecta sobre un punto situado a

cierta distancia del reflector. Esta tecnología evita que el objeto donde se concentre el calor

proyecte sombra sobre la superficie, como ocurre con los concentradores solares que

utilizan toda el área de la parábola; así, la cocina o fogón puede estar dentro del edificio

como si se tratara de una cocina convencional, sólo que la energía es solar.

Fig. 3: Formulación matemática concentrador Sheffler


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El problema que presenta la mayoría de los concentradores solares parabólicos es

que para mantener el foco en un mismo punto el equipo debe ir acomodándose

constantemente durante el transcurso del día. Suponga el caso del paraboloide antes

descrito donde el Sol sigue una trayectoria a través del eje y; para mantener el foco en esta

figura la opción es que el punto a concentrar se encuentra unido al paraboloide por lo que al

mover éste el punto se mantendría en el mismo lugar, pero se genera sombra sobre el

equipo disminuyendo el rendimiento.

Sin embargo, si consideramos la sección del paraboloide empleado en el

concentrador tipo Sheffler el punto a concentrar se encuentra fuera del paraboloide y la

sección extraída sólo debe rotar en 180º alrededor de su eje para lograr su objetivo.

Entonces, un reflector Scheffler necesita disponer de un mecanismo de seguimiento solar

que logre el objetivo antes descrito. Por lo general, este sistema de seguimiento es

mecánico, basado en un sencillo juego de piñones de bicicleta y cadena: 2 piñones de 18

dientes y uno de 6 dientes se encuentran en contacto con 2 cadenas de aproximadamente 2

metros cada una, como se aprecia en la figura 4. En el extremo del mecanismo cuelga un

peso de aproximadamente 50 kilos (piedras, cemento, etc.) tal que al soltarse y caer por

gravedad permite que el sistema empiece a rotar, logrando el movimiento y posterior

seguimiento del reflector (cada giro del mecanismo equivale a un grado de desplazamiento

de la luz solar en la Tierra); de ahí que este sistema deba estar bien construido ya que el

preciso seguimiento del sol debe estar en concordancia con el giro del sistema piñón –

cadena. El mecanismo fija el foco en el punto que se desee concentrar por la mañana y

luego el conjunto piñón – cadena sigue el Sol durante el transcurso del día.


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Fig. 5: Sistema mecánico de seguimiento solar

Por otro lado, también existe la posibilidad de implementar otro tipo de

seguimiento, esta vez electrónico, gracias a la colaboración de un estudiante de Ingeniería

Eléctrica miembro del Grupo GEA, el cual se encuentra en período de estudio.

Básicamente, consta de tres partes principales que son: el sensor, el controlador y la

actuación. El principio de funcionamiento se basa en un control básico a lazo cerrado el

cual mide, compara y luego actúa.

Fig. 6: Diagrama de Operación del Sistema


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El sensor detecta el movimiento del Sol a través de una diferencia de luminosidad

generada por la sombra en la sonda. La figura muestra el sensor utilizado, con dimensiones

correspondientes a las utilizadas en el prototipo experimental que se basa este informe.

Fig.7: Montaje del Sensor

El controlador compara la señal dada por el sensor y si sobrepasa el umbral

establecido (calibrado por el usuario con anterioridad) envía una señal para que el motor

desplace la estructura a la nueva posición de óptimo lumínico. Consta de 2 amplificadores

operacionales configurados como comparadores los cuales tienen un voltaje de entrada iν

proveniente del sensor. Cada comparador posee respectivamente un voltaje de referencia

ajustado desde 2 potenciómetros.

Para mantener el voltaje de alimentación constante, se utilizó una fuente de 9 V para

asegurar estabilidad.


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Fig.8: Esquema de conexiones del Controlador

Por otro lado, la actuación la realiza un motor de corriente continua de 301 [Hp]

Fig. 9: Esquema del Actuador

Ahora, elegir entre uno u otro sistema de seguimiento dependerá de los

requerimientos del usuario. A continuación se presenta una tabla resumen con las

características de ambos mecanismos:


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Tabla 2: Características de los distintos sistemas de seguimiento solar.

Sistema de seguimiento solar Mecánico Eléctrico

Costo Bajo Bajo (pero más alto que el mecánico)

Vida útil Alta. Con un buen mantenimiento puede durara

años

Baja. Es función de la duración de la fuente de

voltaje y del motor. Mantenimiento Basta lubricar los piñones de

bicicleta correctamente para un óptimo funcionamiento

Centrado en el motor de CC; otro daño al circuito de

control y actuación debe hacerse con el máximo de

cuidado. Precisión en el seguimiento Depende de la buena

construcción del mecanismo (piñón - cadena)

Alta. El sistema ha sido probado bajo distintas

condiciones de radiación solar (incluso en días

nublados) Experiencia previa Ha sido probado con éxito en

la mayoría de estos concentradores

Se encuentra en período de mejora (se espera captar

ondas de menor longitud)

Como miembro del Grupo GEA y cumpliendo con el objetivo propuesto, se ha

analizado e implementado un concentrador solar de 8 [m2] de parábola, conocido como

modelo S280; este equipo debiese alcanzar, en el mejor de los casos (superficie aluminizada

y elevado nivel de insolación) un poder calorífico de 3 [kW] con una eficiencia cercana al

57 % para el tramo de temperaturas de 25 a 100 º C reflejada sobre un fondo negro del

recipiente de la cocina. La siguiente figura entrega un diseño aproximado de lo que

deseamos construir:


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Fig. 10: Esquema Concentrador Solar tipo Sheffler

Materiales y otras variables analizadas en su construcción se presentan en el

siguiente capítulo.


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7. IMPLEMENTACIÓN CONCENTRADOR SOLAR PARABÓLICO TIPO SCHEFFLER DE 8

M2

El grupo de trabajo encargado de la construcción y optimización de este equipo está

compuesto por las siguientes personas:

Wladimir Gutiérrez Bornes, estudiante de Ing. Civil Mecánica Mención Energía

Rubén Bravo Vargas, estudiante de Ing. Civil Mecánica Mención Producción

Alberto Hidalgo Villegas, estudiante de Ing. Civil Mecánica Mención Energía

Como una forma de optimizar el trabajo en su desarrollo, hemos decidido dividir los

componentes del Concentrador Solar en 3 partes, de la cual cada alumno antes mencionado

se encargará de una de ellas. Estas partes o secciones son:

1) Soporte: estructura de acero que debe soportar la carga total del equipo (Eje de la

Parábola (20 [kgs] aproximadamente) y Parábola (40 [kgs] aproximada)); está diseñada según la localización geográfica en que se desee instalar (en nuestro caso latitud: - 33 º 02 [min]; longitud: - 71 º 36 [min])

2) Eje de la Parábola: sobre ella se sostiene la Parábola reflectante; el eje permite el

movimiento de rotación de la parábola que hace que se mantenga el foco en la misma posición al rotar con el movimiento del Sol. En ella además va incluido el sistema mecánico de bicicleta que permite ésto. Consta además de un sistema manual de apertura y cierre de la superficie reflectante que permite modificar el área efectiva según la estación del año. Está formada por aceros.

3) Parábola Reflectante: es la parte más delicada del equipo, por cuanto soporta la

superficie reflectante utilizada para mantener la distancia focal en un punto y un buen diseño y terminación de ella permitirá alcanzar mejores resultados y por ende un mayor número de aplicaciones. También está formada por perfiles y cables de acero, además de pletinas de aluminio. Entre las opciones que se barajaron para el material reflector tenemos:

• Espejo de Aluminio Grado óptico eficaz máximo: 84%

• Acero Espejo Grado óptico eficaz máximo: 82%

• Espejo de Vidrio Grado óptico eficaz máximo: 75%


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El material que se ocupará es acero espejo, disponible en la zona, debido

principalmente a que es de más bajo costo que un espejo de aluminio y además es más resistente que el espejo de vidrio ante ambientes salinos como el de nuestra zona. Con esto se espera se espera obtener resultados adecuados en la concentración de la energía.

Nótese que el armado del Concentrador Solar debe realizarse en el lugar que se desee instalar, ya que facilita el almacenamiento y traslado del equipo.

El diagrama de flujo del proceso es el que se muestra a continuación.

Fig. 11: Diagrama de Flujo del proceso de cosntrucción


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La nomenclatura es la siguiente:

Tabla 3: Nomenclatura Diagrama de Flujo del Proceso DESCRIPCIÓN DESCRIPCIÓN

EM1 Entrada de Materiales 078 Inspección EM2 Entrada Material Reflector 079 Pintado Estructura EM3 Entrada Piezas de Rotación 080 Soldado Piezas Soporte de Rotación 010 Cortado General de Materiales (Aceros) 088 Inspección 020 Inspección 089 Pintado Soporte de Rotación 030 Soldado Piezas Reflector 090 Construcción Sistema de Rotación 040 Inspección 099 Inspección 049 Pintado Reflector 100 Almacenamiento 050 Cortar y Agregar el material reflectante 110 Inspección Final 060 Inspección 120 Ensamble 070 Soldado Piezas Estructura


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8. ESTUDIO DE LAS ALTERNATIVAS DE FABRICACIÓN

Nos encontramos aquí con 2 formas para la creación de concentradores:

• Fabricación semi automática

• Fabricación manual.

La diferencia fundamental entre una y otra hace relación con cierto tipo de máquina

CNC que se usaría para una fabricación semi – automática, adecuada para cortar aceros, en

forma recta y con un ángulo determinado; debe permitir también doblar estos materiales

con cierta forma establecida. Ante esto aparecen los operarios capacitados en su operación

y mantención. Lo demás es común para ambos tipos de fabricación.

Los diferentes tipos de fabricación influyen principalmente en las tecnologías

necesarias en el producto y la calidad de sus terminaciones. Las máquinas CNC son para

automatizar proceso de mecanizado, información de geometrías y condiciones de

mecanizado, por lo que para un proceso de corte o doblado sería sub - utilizar un sistema de

control numérico. Por otro lado, podrían existir guillotinas algo más automatizadas para el

proceso de corte, pero integradas con algún alimentador automático de material que avance

hasta topes y la máquina corte en forma automática (sería básicamente automatizar a

medida). Respecto a las plegadoras, sería aceptable utilizarlas convencionales, aunque

también se pueden automatizar. Sin embargo, la construcción de este equipo concentrador

no es de una gran complejidad, de hecho su construcción manual es bastante fácil y rápida

si se cuenta con el personal y equipamiento adecuado, por lo que contar con estos equipos

no genera beneficios adicionales marcados, salvo la precisión del corte y forma del acero,

que si bien son relevantes, no son requisitos indispensables para un óptimo funcionamiento.


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9. MATERIALES UTILIZADOS

Los materiales para la construcción se pueden adquirir directamente en fábricas de aceros y

otros, como aluminio, aceros, aceros inoxidables, etc.

Tabla 4: Materiales empleados

Pieza Tipo TOTAL [mm] [m]

tubo φ 89 x 3 0,16

tubo φ 27x 3 16,112

tubo 12,7 0,07

barra φ 6 1,18

barra φ16 7,349

pletina 50x6 1,17

pletina 50x10 0,52

pletina 25x3 1,82

pletina 25x6 0,88

ángulo 40 x 40 x 3 30,261

tubo cuadrado 25 x 25 x 1,6 16,96

barra cuadrada 10 x 10 8,4

barra cuadrada 16 x 16 2,9

pletina 10 x 3 0,08

barra φ 10 22,391

Perno L=40 mm M12 12 pernos

Acero Espejo 150 x 225 240 cuadrados

pletina aluminio 25x4 60

tubo cuadrado 100 x 100 x 3 4,45

tubo cuadrado 25 x 25 x 3 0,2

ángulo 25 x 25 x 3 0,2

barra φ 89 1,63

Viga C 40 x 20 x 1,5 2,9

cable acero φ 6 2

barra φ 16 13

disco φ 85 0,009

disco φ 25 0,003

Cadena Bicicleta 3 unidad 2

Piñón Bicicleta 1 unidad 16-18 dientes

Piñón Bicicleta 1 unidad 6 dientes


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Estos materiales, así como la alternativa de seguimiento electrónico antes mostrado

son de fácil adquisición en el mercado y pueden ser adquiridas en cualquier empresa del

rubro.

Mención aparte aquí para el acero reflectante (acero espejo) Esta es la parte más

delicada del equipo ya que de él depende mayoritariamente el rendimiento del mismo, ya

sea por su calidad superficial como por la curvatura que posea; por esto debe exigirse al

proveedor que el insumo venga en planchas planas cubiertas por un plástico para proteger

su superficie (formato disponible en el mercado) Así, con este plástico protector, el acero

puede ser trabajado con las manos y sólo debe retirarse al momento de montar el equipo en

el lugar definitivo


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10. CONSTRUCCIÓN DEL EQUIPO

En cuanto a la construcción, no existe gran dificultad a la hora de trabajar con las máquinas herramientas, solamente en la calidad de terminación que se obtiene en algunos procesos que no es perfecta, pero se adecua a las necesidades de resistencia que se necesitan, como ocurre en el caso del trabajo de soldadura. Se debió volver a retomar los trabajos manuales de taller aprendidos en aquellos ramos, como es el caso del trabajo con esmeril, torno, taladro, sierra, galletas, discos de corte, etc. A continuación se muestra en resumen la cantidad de máquinas y herramientas que se necesitan para la construcción de un concentrador. Tabla 5: Máquinas y Herramientas utilizadas

TOTALTaladro de Pedestal 1Esmeril de Banco 1

Prensa 2Lima 3

Huincha de Medir de 5 [m] 1Huincha de Medir de 9 [m] 1

Guillotina 1Esmeril Angular 1

Banco 1Estante 1

Carros de transporte pequeños 1Taladro Manual 1

Máquina Soldadora al Arco Eléctrico 2Alicate 3

Juego de Llaves 1Pie de metro 3

Ángulo 3Escuadra 1

Remachadora 3Pistola pra pintar de alta presión 1

Tecle de 1 toneladas 1

En cuanto al tiempo, el mayor problema surge en cuanto a la dedicación que se le ha

podido dar al desarrollo del proyecto, principalmente por la disponibilidad que se le debe

dar a los ramos que cada alumno está cursando, y los distintos quehaceres personales.


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11. CUMPLIMIENTO DE LAS REGULACIONES Y NORMATIVAS

Algunas consideraciones que deben tenerse en cuenta a la hora de la elaboración del

concentrador solar:

• La actividad realizada no implica un tratamiento exhaustivo de los residuos pues

estos son generados principalmente en el proceso de corte del acero; este material

sólido residual puede ser almacenado en recipientes dispuestos para ello, los que

pueden ser vendidos a empresas que compren este material.

• De la maquinaria utilizada en este proyecto, algunas de ellas (como Tronzadoras)

generan ruidos molestos hacia la comunidad como hacia los trabajadores, por lo que

debe cumplirse lo señalado en el Decreto Supremo N º 146 sobre Normas de

Emisión de Ruidos Molestos generados por fuentes fijas y en el Decreto

Supremo Nº 745 de 23 de Julio de 1992, del Ministerio de Salud, según

Tabla 6: Niveles permisibles de ruido

NIVELES MÁXIMOS PERMISIBLES DE PRESIÓN

SONORA CORREGIDOS (NPC) EN dB(A) LENTO

de 7 a 21 Hrs. de 21 a 7 Hrs.

Zona I 55 45

Zona II 60 50

Zona III 65 55

Zona IV 70 70

donde una tronzadora califica el lugar como Zona III (industria inofensiva)


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• Debe cumplirse además el Decreto Supremo 594/1.999, Reglamento sobre

condiciones Sanitarias y Ambientales básicas en los lugares de trabajo, con

especial énfasis en sus artículos: 18, 19 y 20 sobre Residuos Sólidos; artículo 65

sobre niveles de Ruido sobre en el trabajador; artículo 32 donde en el Párrafo de las

Condiciones Ambientales se establece la necesidad de la ventilación de los lugares

de trabajo para proporcionar condiciones ambientales confortables y que no causen

molestias o perjudiquen la salud del trabajador. Dispone que los agentes

contaminantes sean captados y que se impida su dispersión por el local de trabajo;

artículos 12,13,15 y 21 sobre Aguas Servidas, y el artículo 32 y 48 sobre

Maquinarias.

• La Ley N º 20.001 establece una carga máxima para el transporte humano de 50

kgs.; por esto, el transporte de cada una de las componentes del concentrador debe

realizarse entre varias personas o con la ayuda de tecle.2

• La Ley sobre construcciones establece una distancia mínima entre casas de 4

metros, por lo que la instalación de este equipo debe realizarse en zonas que no

sobrepasen lo establecido.

2 Para los pesos de cada una de las partes del concentrador puede recurirse al capítulo Implementación

Concentrador Solar Parabólico Tipo Sheffler de 8 m2 descritos en páginas precedentes.


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12. MANTENCIÓN DEL EQUIPO

12.1. Reflector

Limpieza (todas las semanas):

• Girar el reflector a la posición de la tarde (horizontal)

• Lavar una mitad con detergente blando y agua más un líquido para fregar.

• Enjuagar inmediatamente con agua más un líquido para fregar.

• Dejar secar.

• Girar el reflector a la posición de la mañana y repetir el mismo procedimiento de

lavado.

Por otro lado, el acero espejo dañado debe ser reemplazado cuando sea necesario.

12.2. Sistema de seguimiento

12.2.1. Mecánico

Bajo vientos fuertes el peso del concreto puede no ser suficiente para mantener el

giro; en este caso debe agregarse el peso de 2 o 4 ladrillos sobre el peso.

Referido al servicio mantenimiento éste es:

• Ajustar fuerte el resorte si el embrague está demasiado apretado o demasiado suelto.

• Limpiar el polvo si es necesario (cadena podría estar demasiado sucia para moverse)

• Colocar un a gota de aceite lubricante en cada fijación.

12.2.2. Electrónico

Depende del tiempo de vida de la batería, la que debe ser cambiada o recargada al

finalizar su vida útil, comprándose en cualquier empresa del rubro.


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13. COSTOS OPERACIONALES

A continuación se hará una breve aproximación centrada en los costos

operacionales empleados en la construcción de un Concentrador Solar tipo Sheffler.

Tabla 7: Materias Primas

Cantidad Total $1 450.000

Costo por UnidadMaterias Primas

450.000

Estos costos incluyen el traslado de los materiales desde Valparaíso al Laboratorio

de Termofluidos de nuestra Universidad.

Tabla 8: Gasto Eléctrico suponiendo tarifa BT2

Costo KWh 36,72 $/KWh

Máquina CantidadConsumo

(KW)Cantidad de horas

operando$

Taladro 1 1,5 1 55Tronzadora 1 2,5 5 459

Esmeril 1 0,3 4 44Galletera 4 2,5 2 734

Taladro Manual 1 0,65 2 48Soldadora 2 3,5 7 1799

313920

62.789

Total DíaCantidad de días trabajados al mes

Total Consumo Eléctrico

Consumo Energético de Equipos (Tarifa BT2)

En la siguiente tabla se presenta el sueldo aproximado para trabajadores sin

calificación profesional más un porcentaje (40 %) para seguros y previsiones.

Tabla 9: Sueldo aproximado de cada trabajador

Soldadores 3 840.000 840.000

Sueldos

200.000 Total Mes


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Tabla 10: Gasto aproximado en elementos de seguridad.

Precio por Unidad Cantidad Total 2.000 3 6.000 3.000 3 9.000 5.500 3 16.500 10.000 3 30.000 5.000 3 15.000 1.000 3 3.000 2.500 3 7.500 1.000 3 3.000 3.000 3 9.000 4.000 1 4.000 5.000 3 15.000 22.000 1 22.000

140.000

TipoFono Protector Oído

Gastos de Seguridad

Guante de soldadorBuzo ProtectorZapatos de SeguridadCascoAntiparrasGorro SoldadorGuantes anticorteMáscara SoldadorRespirador PinturaManguilla SoldadorExtintor 6 kilos y Recarga

Total


27

14. APLICACIONES

Sin lugar a dudas, las diversas aplicaciones que se pueden alcanzar con este equipo

están relacionadas directamente con el nivel de temperatura que se pueda alcanzar en el

foco y con la intensidad de la radiación reflejada. La temperatura alcanzada depende del

material sobre el cual se concentra el foco y de la insolación la que es función de la zona

geográfica en que se encuentre el equipo, como ya se mencionó. Por otro lado, las

variaciones en el valor de la constante solar según las distintas estaciones del año hacen que

algunas aplicaciones sólo se puedan realizar algunos meses del año. Así, la siguiente tabla

resume los distintos valores de insolación para la inclinación propia de la zona de

Valparaíso que fue construido este equipo:

Tabla 11: Valores de Insolación Total para Valparaíso en superficie inclinada Localidad ValparaísoLatitud (L) 33 º SurInclinación Concentrador 33 º

IH,T IH,T difusa ITOTAL

[kJ/m2 día] [kcal/m2 día] [kcal/m2 día] [kcal/m2 día] [kcal/m2 día]Enero 43000 10272,7 5400 0,53 1998 3402 0,83 4822Febrero 38700 9245,4 4000 0,43 1680 2320 0,93 3838Marzo 33000 7883,7 3600 0,46 1476 2124 1,11 3834Abril 25500 6092 3200 0,53 1184 2016 1,36 3926Mayo 19500 4658,6 2000 0,43 840 1160 1,6 2696Junio 16900 4037,4 1500 0,37 735 765 1,76 2081Julio 18000 4300,2 1700 0,4 782 918 1,68 2324

Agosto 23000 5494,7 2250 0,41 945 1305 1,44 2824Septiembre 29800 7117,2 3500 0,49 1330 2170 1,2 3934

Octubre 36000 8600,4 3800 0,44 1558 2242 1 3800Noviembre 41500 9914,4 5200 0,55 1716 3484 0,87 4747Diciembre 44000 10511,6 5600 0,53 2072 3528 0,81 4930

x (cos i / cos z)

IH

Mes IH,T /I IH,T - IH,T difusa

donde:

IH : radiación total en superficie horizontal fuera de la atmósfera terrestre, para misma ubicación y período de tiempo de I H,T.

I H,T : insolación total horizontal terrestre. i : ángulo de incidencia. z : azimut de interés. I TOTAL : insolación total en superficie inclinada.

La siguiente figura representa la variación de la Insolación Total en los 12 meses del año:


28

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Mes

I to

tal

[kcal/

m2 d

ía]

Fig. 12: Insolación Total en Valparaíso.

Es decir, en promedio tenemos un total de 3646

⋅ díam

Kcal2

o 177

2m

Wde radiación

total. Por otro lado, la energía entregada por el reflector Sheffler varía con la cantidad de radiación directa disponible y con la estación del año (el ángulo del reflector hacia el sol cambia, lo que hace que varíe el área de apertura de la parábola) La energía disponible durante las estaciones está dada en la siguiente tabla, usando diferentes eficiencias determinadas para diversos procesos y rangos de temperaturas. Ha sido normalizado para

una radiación solar directa de 700 [ ]2m

W y 900 [ ]2m

W (típicos valores de máximo y

mínimo) Tabla 12: Energía dada por el reflector Sheffler.

InsolaciónInvierno Equinoccio Verano Eficiencia Invierno Equinoccio Verano

En el foco25 - 46 º C

En un recipiente18 - 41 º CHirviendo 1720 [W] 2203 [W] 2564 [W] 57% 2210 [W] 2831 [W] 3297 [W]

Apertura 4,31 [m2] 5,46 [m2] 6,4 [m2] 4,31 [m2] 5,46 [m2] 6,4 [m2]

2540 [W] 3253 [W] 3789 [W]1976 [W] 2532 [W] 2946 [W] 65,50%

700 [W/m2] 900 [W/m2]

2278 [W] 2918 [W] 3396 [W] 75,50% 3750 [W]2928 [W] 4367 [W]


29

14.1. Calentamiento de Agua

Suponiendo que se desee elevar la temperatura de un depósito de agua desde 20 ºC (líquido saturado) hasta 100 º C (vapor saturado con calidad 100 %), tenemos (para el peor caso 1,72 [kW]):

hmP ∆⋅=.

( )96,891,267672,1.

−⋅=⇒ m

×=∴ −

skg

m4

.

1065,6

o lo que es equivalente, [ ]s

ltV4

.

1065,6 −×=

Así, utilizando un solo concentrador solar se pueden hervir 2,04 litros de agua en aproximadamente 1 hora en nuestra zona.

14.2. Calentamiento de aire

Al igual que el caso antes descrito este concentrador puede utilizarse para calentar aire; si suponemos que queremos calentar desde 20 º C hasta 100 º C y consideramos al aire como un gas ideal debe cumplirse que

TCpmP ∆⋅⋅=.

( )15,29315,37372,1.

−⋅⋅=⇒ Cpm

Calculamos el Cp del aire en forma ponderada

⋅=

+

⋅+⋅=

KkgkJCp 0078,1

15,29315,373

15,2930047,115,3730103,1

Por lo tanto,

=

skg

m 0213,0.

Lo que es equivalente a [ ]s

ltV 1,18.

=

Lo que indica el alto nivel de aire acondicionado que se puede alcanzar con un solo concentrador solar en nuestra zona.


30

14.3. Cocinas Comunitarias

Actualmente una de las aplicaciones más importantes para un concentrador parabólico tipo Scheffler es el de las cocinas comunitarias en diferentes lugares y países, como por ejemplo India donde se está construyendo una cocina solar comunitaria para 18 mil personas, a partir de 100 concentradores similares al antes descrito.

Las grandes ventajas de ocupar cocinas solares son:

• Utilizar una energía limpia, abundante, que no causa ninguna contaminación con su so.

• Sin costo de explotación, lo que permite ser más independientes con respecto a los proveedores de energía.

• A modo de ejemplo, si el 3 % de la población de la India cocinara con el Sol ahorrarían 3,2 millones de toneladas de madera y 6,7 millones de toneladas de dióxido de carbono, lo que traería consigo reducción directa del CO2 por uso de combustibles limpios, y la no explotación de una extensa región de bosques que ayudan a reducir este mismo gas por medio de sus procesos vitales.

14.4. Otras Aplicaciones

Se han descubierto otras aplicaciones importantes las que dependen directamente de la localización geográfica del lugar: panaderías industriales, preparación de grandes cantidades de agua caliente, generación de vapor o calor de procesos industriales, incineración de cadáveres, conservación de alimentos y esterilización y desalinización del agua.

Actualmente el grupo GEA se encuentra en la elaboración y factibilidad técnica de un proyecto de deshumidificación de ají paprika en la Cuarta Región, el que consiste en calentar el aire de una sala para quitar el exceso de agua en el ají, proceso que hasta el día de hoy ocupaba un horno a gas licuado (cuyo precio continúa en alza) El principal problema encontrado hasta el momento son las altas temperaturas alcanzadas por el concentrador (mucho más que las necesitadas en el proceso), lo que implicaría aumentar la masa de aire o desaprovechar el concentrador ciertas horas del día.

También puede emplearse el calor obtenido para calentar durante la noche; para esto el concentrador puede enfocarse en piedras volcánicas las que almacenan el calor obtenido, entregándolo posteriormente en el lugar que se desee calefaccionar.


31

15. MEJORAS AL EQUIPO

Durante la implementación del equipo antes descrito se han encontrado 2 posibilidades de mejora, a saber:

• Superficie reflactante en tiras continuas: el equipo fue construido con pequeños rectángulos de acero espejo de 15 x 22,5 [cm] los que, al unirlos a la parábola, provocan un considerable intersticio entre rectángulos, disminuyendo el área de reflexión y por ende las temperaturas alcanzadas. Se recomienda que la superficie reflectante sea lo más continua posible para evitar este problema, principalmente por que el nivel de absorción de radiación del material es bajo lo que no influiría en la dilatación térmica. Sin embargo, esto puede hacer que aumente el costo al reemplazar una superficie dañada por las inclemencias climáticas, aunque no en forma significativa.

• Bajo vientos fuertes el reflector se encontrará sometidos a altas fuerzas de arrastre, por lo que se recomienda una buena base que soporte este fenómeno físico, la que lo sujete fuertemente al suelo por medio de pernos y además de vientos de acero como los utilizados en antenas.


32

16. CONCLUSIONES

En el trabajo desarrollado se ha pretendido mostrar las ventajas que tiene el ocupar

una energía renovable y abundante como la energía solar y las distintas aplicaciones que se

pueden lograr al utilizar un equipo que concentre esta energía en un punto específico, como

ocurre al emplear un reflector parabólico Sheffler de 8 [m2]. Pero, ¿qué factores harían que

se masifique el uso de un concentrador de este tipo? Ocupar energías renovables en

diversos procesos tanto domésticos como industriales no es un tema nuevo, más bien es un

tema que data de muchos años (por citar un ejemplo, en 1872 Charles Wilson instaló un

destilador solar en la provincia de Antofagasta), pero el precio a pagar por utilizar energías

convencionales (fósiles) era considerablemente menor a la alternativa renovable. Sin

embargo, con el aumento en el costo de las alternativas de suministro de energía con que

compite el concentrador solar, éste (y otros) ha adquirido una importancia nunca antes

vista, con nuevas políticas que tienden a favorecer a aquellos que empleen suministros

eficientes y con disminución en impuestos y costos por tecnologías que aseguren

sustentabilidad.

Si bien se han presentado diversas aplicaciones para la potencia entregada, un

concentrador solar debe tener un respaldo que permita satisfacer la demanda en los

períodos en que el albedo sea demasiado alto o bien para las horas en que la radiación solar

sea demasiado baja para el proceso requerido, lo que implicaría un costo adicional al

equipo completo (el equipo de respaldo por lo general es fósil)

Finalmente, conseguir financiamiento para construir un equipo de estas

características no sirve de mucho si no se hace un correcto estudio de mercado en el que se

indique el público objetivo y sus necesidades a satisfacer.


33

17. REFERENCIAS • www.censolar.com • www.recosol.net • www.solarco.com • www.solarcooking.org • www.cne.cl • “Energía Solar, Aplicaciones e Ingeniería”, Ing. Pedro Sarmiento M., Tercera Edición

1995, Ediciones Universitarias de Valparaíso de la Universidad Católica de Valparaíso. • Manual Dresser, motores Waukesha, Fernando Urrutia C., año 2001. • Tablas Termodinámicas. • “Transferencia de Calor”, J. P. Holman, Octava Edición (primera en español) año 1998,

Editorial McGraw – Hill / Interamericana. • Manual de construcción del Reflector Sheffler de 8 [m2]

Energia Concentrador Solar Scheffler Gea Utfsm

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