UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMNFACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGACARRERA DE INGENIERA MECNICA

DISEO Y CALCULO DE UNA CENTRALSOLAR TERMICA ELECTRICA

Proyecto de Grado, Presentado Para Optar al Diploma Acadmico de Licenciatura en Ingeniera Mecnica.

Presentado por: ALEX EMERSON CORONEL OMONTETUTOR: ING. WALTER CANEDO ESPINOZA

COCHABAMBA BOLIVIAJulio, 2013

DEDICATORIA

A mi hermano Rodrigo, mis queridos padres y a mis hermanos por brindarme su apoyo incondicional.

AGRADECIMIENTOS

A Dios, por darme la luz y gua espiritual para mi crecimiento tanto intelectual como moral.

A mis padres, por el amor que me brindan sus desvelos, sus sacrificios, su amistad y compaerismo.

A mis amigos Mikhail y Diego, y a todos mis compaeros que me ayudaron y apoyaron.

Al Ing. Walter Canedo Espinoza, por ayudarme a que sea posible este Proyecto.

A la Sra.Magaly, secretaria del Departamento de Mecnica por su apoyo.

A los docentes por sus consejos y enseanzas.

A la Universidad por abrirme las puertas y cobijarme hasta la culminacin mis estudios.

Muchas Gracias!

FICHA RESUMEN

En el sector de las energas renovables, se ha visto por conveniente realizar un estudio de ingeniera de diseo de una central solar trmica elctrica, para el aprovechamiento del potencial de radiacin solar en nuestro pas.

En el estudio de las centrales termo solares, la transformacin de energa solar a energa trmica y finalmente a energa elctrica. La central ms adecuada, por su simplicidad, temperaturas medias, sistema de almacenamiento y caractersticas adecuadas, es la central solar trmica elctrica de cilindros parablicos.

Siguiendo con el estudio seleccionamos el lugar adecuado para el emplazamiento de la central solar, localizando la disposicin de una red de alta tensin prxima, para no as incurrir en un gasto econmico extra en el tendido de la red hacia la central solar. y una vez hallada la red ms prxima, vemos si el potencial de radiacin es adecuado para llegar a general 50MW.

El lugar con las caractersticas de red de alta tencin ms prxima y potencial de radiacin adecuado. La provincia de San Pablo de Lipez, Potos Bolivia, al sur del pas es la ms adecuada para la implementacin de la central en dicho lugar.Los datos de radiacin, velocidad de viento, temperatura ambiente, son proporcionando por estaciones meteorolgicas del lugar, como tambin estudios sobre el potencial de radiacin solar, realizados por la facultad de ciencias y tecnologa de la universidad Mayor de San Simn.

Se desarrollo el anlisis trmico en el tubo absorbedor del colector cilndrico parablico, esto en funcin de las resistencias trmicas de conveccin en el fluido de trabajo, conduccin el tubo metlico, de radiacin y convencin entre el tubo metlico y tubo de cristal, conduccin en el tubo de cristal, conveccin y radiacin entre el tubo de cristal y aire ambiente, esto para la determinacin de la perdidas trmicas, potencia trmica y la temperatura al final del colector. Cabe resaltar que para el anlisis dividimos el largo del tubo absorbedor en cien partes iguales, por lo tanto el tramo analizado es de 1.485m de longitud.

Dentro es este del proyecto se realiza el estudio de del sistema del campo solar, del sistema de almacenamiento trmico, el ciclo de potencia se asemeja al ciclo de potencia Rankine, en la cual la variante es el sistema de generacin de calor, en este caso la generacin de calor lo hace el campo solar.

Por ltimo, un anlisis econmico, en cual se mostr que el proyecto de generacin de energa mediante este tipo de central no es rentable, en la situacin econmica actual en la que se encuentra nuestro pas, con respecto a este inconveniente se dio algunas soluciones que se muestran en presente trabajo.

INDICE GENERALCAPITULO I1ASPECTOS GENERALES11.1. INTRODUCCION11.2. ANTECEDENTE Y DESCRIPCIN DEL PROBLEMA21.3. OBJETIVOS41.3.1. OBJETIVO GENERAL41.3.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS41.4. JUSTIFICACION4

MARCO TERICO62. DEFINICIN DE ENERGA62.1. DEFINICIN DE ENERGAS RENOVABLES Y NO RENOVABLES62.1.1. ENERGAS RENOVABLES62.1.2. ENERGAS NO RENOVABLES72.2. DEFINICIN DE ENERGA SOLAR72.3. CENTRAL TERMOSOLAR DE CILINDROS PARABOLICOS82.4. UBICACIN Y DATOS METEOROLGICOS92.5. COLECTOR CILINDRO PARABOLICO102.6. METODO DE DISEO DEL REFLECTOR CILINDRICO PARABOLICO112.6.1. CARACTERISTICAS GEOMETRICAS DEL REFLECTOR112.6.2. CARACTERISTICAS OPTICAS DEL COLECTOR CILINDRO PARABOLICO132.6.2.1. FACTOR DE CONCENTRACIN152.6.2.2. COORDENADAS HORARIAS152.6.2.2.1. DECLINACION152.6.2.2.2. NGULO HORARIO162.6.2.3. COORDENADAS HORIZONTALES162.6.2.3.1. ALTURA DEL SOL O ANGULO DE ELEVACION DEL SOL162.6.2.3.2. NGULO AZIMUT162.6.2.3.3. NGULO DE INCIDENCIA172.6.3. EFICIENCIA PTICA DEL COLECTOR CILINDRO PARABLICO172.6.3.1. FACTOR GEOMETRICO192.6.3.2. FACTOR DE INTERCEPTACIN202.6.3.3. TRANSMISIVIDAD DEL CRISTAL222.6.3.4. ABSORTIVIDAD DE LA SUPERFICIE DEL RECEPTOR232.7. TUBOS ABSORBEDORES232.8. FLUIDO DE TRABAJO252.9. TRANSFERENCIA DE CALOR EN EL TUBO ABSORBEDOR272.9.1. TEMPERATURAS INICIALES DEL SISTEMA282.9.2. PRDIDAS TRMICAS292.9.3. TEMPERATURA EQUIVALENTE EXTERIOR312.9.4. RESISTENCIAS TERMICAS322.9.4.1. RESISTENCIA DE CONVECCIN DEBIDA AL AIRE EXTERIOR322.9.4.2. RESISTENCIA DEBIDO A LA RADIACIN ENTRE EL TUBO DE CRISTAL Y EL AMBIENTE352.9.4.3. RESISTENCIA DEBIDO A LA RADIACIN ENTRE EL TUBO ABSORVEDOR Y TUBO DE CRISTAL362.9.4.4. RESISTENCIA DEBIDO A LA CONVECCIN ENTRE EL TUBO ABSORBEDOR Y EL DE CRISTAL372.9.4.5. RESISTENCIA DEBIDO A LA CONDUCCIN DEL TUBO ABSORBEDOR382.9.4.6. RESISTENCIA DEBIDO A LA CONDUCCIN DEL TUBO DE CRISTAL382.9.4.7. RESISTENCIA DEBIDO A LA CONVECCIN INTERIOR EN EL FLUIDO382.9.5. SUPERFICIES DEL TUBO ABSORVEDOR Y EL DE CRISTAL392.9.6. POTENCIA TIL392.9.7. VELOCIDAD DEL FLUIDO Y CAUDAL MSICO442.10. CICLO DE POTENCIA442.10.1. CICLO452.10.2. ESTADOS TERMODINMICOS DEL CICLO DE VAPOR462.10.3. FRACCIONES MSICAS EN CADA ELEMENTO472.10.4. POTENCIA ESPECFICA Y CAUDAL MSICO TOTAL482.10.5. RENDIMIENTO DEL CICLO492.11. DISEO DE LA PLANTA492.11.1. ALMACENAMIENTO TRMICO502.11.2. POTENCIA TRMICA NECESARIA512.11.3. MLTIPLO SOLAR522.11.4. CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTO532.11.5. SISTEMA DE ALMACENAMIENTO552.11.6. DIMENSIONES DEL CAMPO SOLAR572.12. POTENCIA DE BOMBEO582.12.1. TUBERAS592.12.2. PRDIDAS DE CARGA592.12.3. POTENCIA DE BOMBEO61

DISEO DE PROYECTO653. HISTORIA DE LA ENERGA TERMOSOLAR653.1. ENERGA TERMOSOLAR663.1.1. VENTAJAS DE LA ENERGA TERMOSOLAR673.2. CENTRALES SOLARES TERMO ELCTRICAS673.2.1. CONCENTRACIN EN TORRE (CSP)693.2.2. DISCOS PARABLICOS713.2.3. COLECTORES LINEALES FRESNEL733.2.4. COLECTORES CILNDRICO PARABLICO743.3. LA ENERGA SOLAR EN BOLIVIA763.4. UBICACIN Y DATOS METEOROLGICOS.803.4.1. SELECCIN DE LA UBICACIN81

DIMENSIONAMIENTO DEL PROYECTO834.1. SISTEMA DE CONCENTRACIN834.1.1. COLECTOR CILINDRO PARABLICO834.1.2. CLCULO DE LAS DIMENSIONES GEOMTRICAS DE LA PARBOLA844.1.3. CLCULOS DE LAS COORDENADAS HORARIAS864.1.3.1. CLCULO DE LA EFICIENCIA PTICA884.1.3.2. CLCULO DEL FACTOR DE INTERCEPTACIN904.2. SELECCIN DEL COLECTOR CILNDRICO PARABLICO Y TUBO RECEPTOR924.3. CLCULOS TRMICOS EN EL COLECTOR CILNDRICO PARABLICO944.3.1. DETERMINACIN DEL TRAMO ANALIZADO944.3.2. DETERMINACIN DE LAS TEMPERATURAS INCIALES944.4. CLCULO DE LAS RESISTENCIAS EN EL SISTEMA964.4.1. CLCULO RESISTENCIA DEBIDA A LA CONVECCIN DEL FLUIDO INTERIOR964.4.2. RESISTENCIA DEBIDO A LA CONDUCCIN DEL TUBO ABSORBEDOR984.4.3. RESISTENCIA DEBIDO A LA CONVECCIN ENTRE EL TUBO ABSORBEDOR Y DEL CRISTAL994.4.3.1. CLCULO DE LA TEMPERATURA MEDIA ENTRE LAS DOS SUPERFICIES994.4.3.2. CLCULO DEL NMERO DE GRASHOF PARA UNA CONVECCIN NATURAL1004.4.3.3. CLCULO DEL NMERO DE RAYLEIGH1004.4.3.4. CLCULO DEL NMERO DE RAYLEIGH MODIFICADO1004.4.3.5. CLCULO DE LA CONDUCTIVIDAD TRMICA EFECTIVA1014.4.3.6. CLCULO DE LA RESISTENCIAS DEBIDO A LA CONVECCIN ENTRE EL TUBO ABSORBEDOR Y EL DE CRISTAL1014.4.4. CLCULO DE LA RESISTENCIA DEBIDA A LA RADIACIN ENTRE EL TUBO ABSORBEDOR Y EL DE CRISTAL1024.4.4.1. CLCULO DE LA SUPERFICIE DE TRANSFERENCIA DE CALOR DEL TUBO ABSORBEDOR1024.4.4.2. CLCULO DE LA SUPERFICIE DE TRANSFERENCIA DE CALOR DEL TUBO DE CRISTAL1024.4.4.3. CLCULO DE RESISTENCIA1034.4.5. CLCULO DE LA RESISTENCIA DEBIDO A LA CONDUCCIN DEL TUBO DE CRISTAL1034.4.6. CLCULO DE LA RESISTENCIA DEBIDA A LA CONVECCIN ENTRE EL TUBO DE CRISTAL Y EL AMBIENTE1044.6.6.1. CLCULO DE LA TEMPERATURA MEDIA EXTERIOR1044.4.6.2. CLCULO DEL NMERO DE REYNOLDS EXTERIOR (FLUJO FORZADO)1044.4.6.3. CLCULO DE LA CORRELACIN DE HILPERT PARA LA CONVECCIN FORZADA1054.4.6.4. CLCULO DEL NMERO DE GRASHOF PARA EL EXTERIOR (FLUJO NATURAL)1054.4.6.5. CLCULO DEL NMERO DE RAYLEIGH EXTERIOR1064.4.6.6. CLCULO DE NMERO DE NUSSETL EXTERIOR (FLUJO NATURAL)1064.4.6.7. CLCULO DE LA CORRELACIN DE NUSSELT DEBIDO A LA CONVECCIN NATURAL Y FORZADA1074.4.7. CLCULO DE LA RESISTENCIA DEBIDA A LA RADIACIN EN EL AMBIENTE EXTERIOR1084.4.8 CLCULO DE LA TEMPERATURA EQUIVALENTE EXTERIOR1094.4.9. CLCULO DE LA RESISTENCIA1094.4.9.1. CLCULO DE LA RESISTENCIA EN PARALELO DE LA RADIACIN Y LA CONVECCIN ENTRE EL TUBO ABSORBEDOR Y DE CRISTAL1094.4.9.2. CLCULO DE LA SUMA DE LAS RESISTENCIAS INTERIORES1104.4.9.3. CLCULO DE RESISTENCIA TOTAL1104.4.10. CLCULO DE LA TEMPERATURA COMPUESTA EQUIVALENTE EXTERIOR Y LA CONTRIBUCIN SOLAR1114.4.11. CLCULO DE LA TEMPERATURA AL FINAL DEL TRAMO ANALIZADO1114.4.12. CLCULO DE LA POTENCIA TIL1134.4.13. CLCULO DE LA POTENCIA DE PRDIDAS1134.4.14. ANLISIS DE RESULTADOS1144.4.14.1. POTENCIA TIL, POTENCIA PRDIDA, Y TEMPERATURA A LO LARGO DE UN LAZO1144.5. CICLO DE POTENCIA1164.5.1. PARMETROS DE OPERACIN1164.5.2. DETERMINACIN DE LOS ESTADOS TERMODINMICOS DEL CICLO DE VAPOR1184.5.3. CLCULO DE LAS FRACCIN MSICAS EN CADA ELEMENTO1204.5.3.1. CLCULO DE LA PRIMERA FRACCIN MSICA1204.5.3.2. CLCULO DE LA SEGUNDA FRACCIN MSICA1204.5.3.3. CLCULO DE LAS FRACCIONES MSICAS () DE LA TURBINA DE BAJA PRESIN1214.5.4. CLCULO DE LAS POTENCIAS ESPECFICAS, CAUDAL MSICO TOTAL Y RENDIMIENTO DEL CICLO1224.5.4.1. CLCULO DE LA POTENCIA ESPECFICA DE LA TURBINA1224.5.4.2. CLCULO DE LA POTENCIA ESPECFICA DEL CONDENSADOR1234.5.4.3. CLCULO DE LA POTENCIA ESPECFICA DE LA BOMBA1234.5.4.4. CLCULO DE LA POTENCIA ESPECFICA DEL GENERADOR DE VAPOR1234.5.4.5. CLCULO DE CAUDAL MSICO TOTAL1244.5.4.6. CLCULO DEL RENDIMIENTO TRMICO DEL CICLO1244.5.5. SELECCIN DE LA TURBINA1244.6. CLCULOS DEL DISEO DE LA PLANTA1274.6.1. CLCULO DE LA POTENCIA EN EJE DE LA TURBINA1274.6.2. CLCULO DEL ALMACENAMIENTO TRMICO1284.6.3. CLCULO DEL CALOR TOTAL DE ALMACENAMIENTO1284.6.4. CLCULO DE LA ENERGA DEL CAMPO SOLAR1284.6.5. CLCULO DEL MLTIPLO SOLAR1294.6.6. CLCULO DEL NMERO DE COLECTORES1294.6.7. CLCULO DE LA CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTO DE LOS TANQUES1304.6.7.1. CLCULO DE LA MASA DE ALMACENAMIENTO1304.6.8. CLCULO DE LAS DIMENSIONES DEL TANQUE DEL FLUIDO CALIENTE1304.6.9. CLCULO DE LAS DIMENSIONES DEL TANQUE DEL FLUIDO FRIO1314.6.10. DETERMINACIN DE LAS DIMENSIONES DEL CAMPO SOLAR1324.6.11. CLCULO DE LA POTENCIA DE BOMBEO1344.6.11.1. CLCULO DE LOS TRAMOS ENTRE COLECTORES1344.6.11.2. CLCULO DEL DIMETRO DE TRAMO DE ENTRADA1354.6.11.3. CLCULO DE LA PERDIDA DE PRESIN EN LOS TRAMOS138

ESTUDIO ECONOMICO1435.1. COSTO TOTAL DE LA CENTRAL E INVERSIONES FIJAS1435.2. COSTOS DE OPERACIN Y MANTENIMIENTO1445.3. ANUALIDAD DE LA INVERSION1455.4. INGRESOS DEL PROYECTO1465.5. VALORACIN DEL PROYECTO1475.5.1. VALOR ACTUAL NETO (V.A.N.)1485.5.2. TASA INTERNA DE RETORNO (T.I.R.)1495.5.3. PERIODO DE RECUPERACIN DE LA INVERSIN1505.5.4. FLUJO DE CAJA DEL PROYECTO151

6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES1556.1. CONCLUSIONES1556.2. RECOMENDACIONES156ANEXO......158BIBLIOGRAFIA......177

INDICE DE TABLASTabla 2.1 Errores aleatorios y no aleatorios...21Tabla 2.2 Comparacin entre las sales fundidas y el aceite trmico.....27Tabla 2.3 Perdidas secundarias..61Tabla 2.4 Coeficiente de perdidas en expansin y contraccin.....62Tabla 3.1 Centrales solares experimentales...65Tabla 3.2 Tecnologas termosolares ms utilizadas...69Tabla 3.3 Escenario de introduccin a las energas renovables.80Tabla 3.4 Datos necesarios para realizar el proyecto, valores promedios.82Tabla 4.1 Dimensiones inciales del colector....83Tabla 4.2 Dimensiones obtenidas para el colector.....92Tabla 4.3 Caractersticas y dimensiones del tubo absorbedor...93Tabla 4.4 Propiedades de las sales fundidas..96Tabla 4.5 parmetros de operacin......118Tabla 4.6 Estados termodinmicos del ciclo de potencia....119Tabla 4.7 Flujo msico del ciclo de potencia.......121Tabla 4.8 Caractersticas de la turbina.....125Tabla 4.9 Datos del campo solar..134Tabla 4.10 Propiedades de la turbina...136Tabla 4.11 Perdidas de presin de ida.....141Tabla 4.12 Perdidas de presin en el retorno...141Tabla 5.1 Costos de la inversin......145Tabla 5.2 Costos anuales de operacin y mantenimiento....148Tabla 5.3 Datos econmicos....146Tabla 5.4 Costos d generacin de energa elctrica.146Tabla 5.5 Ingresos por venta de energa elctrica147Tabla 5.6 Ingresos por ahorro en la compra de combustible (Gas).....147Tabla 5.7 Indicadores de rentabilidad..149Tabla 5.8 Ingresos ms primas.150Tabla 5.9 Nuevos indicadores de rentabilidad.....150Tabla 5.10 Flujo de caja del proyecto..152Tabla 5.11 Periodo de recuperacin de la inversin....153Tabla 5.12 Primas que mejoran el TIR....154Tabla 2.13 Optimizacin del TIR para aos futuros....154

INDICE DE FIGURAS Figura 2.1 Central solar trmica elctrica....9Figura 2.2 Puntos altos de radiacin..10Figura 2.3 Dimensiones de un colector..12Figura 2.4 Rotacin y traslacin de la tierra..14Figura 2.5 Caractersticas geomtricas de un colector...17Figura 2.6 Caractersticas del tubo absorbedor..18Figura 2.7 Perdidas geomtricas en un colector....19Figura 2.8 Elementos del tubo absorbedor24Figura 2.9 Resistencia en el tubo absorbedor....29Figura 2.10 Resistencia total de transferencia de calor..30Figura 2.11 Bloque de potencia.....45Figura 2.12 Tanques de almacenamiento...51Figura 2.13 Mltiplo solar.53Figura 2.14 Tipos de campo solar..58Figura 3.1 Tipos de colectores solares...67Figura 3.2 Central tipo torre heliostatos....70Figura 3.3 Central de discos Stirling..72Figura 3.4 Central solar Fresnel.....73Figura 3.5 Central solar de cilindros parablicos..74Figura 3.6 Sistema fotovoltaico instalado en Bolivia....78Figura 4.1 Caractersticas del colector cilndrico parablico.....84Figura 4.2 Perdidas de sombra...89Figura 4.3 Colector cilndrico parablico..93Figura 4.4 Temperaturas en el tubo absorbedor.....95Figura 4.5 Diagrama de resistencias trmicas....96Figura 4.6 Un lazo de 6 colectores cilndricos parablicos.114Figura 4.7 Bloque de potencia.....117Figura 4.8 Dimensiones de un lazo de colectores....133Figura 4.9 Dimensiones del campo de colectores....133Figura 4.10 Coeficiente de friccin.....137Figura 4.11 Esquema de sub-campo de colectores..139Figura 4.12 Dimensiones del campo de colectores..140Figura 4.13 Coeficiente de friccin.145Figura 4.14 Esquema de sub-campo de colectores..146

INDICE DE GRAFICAS Grafica 3.1 Instalaciones fotovoltaicas..23Grafica 4.1 Variacin de la potencia til.122Grafica 4.2 Variacin de la potencia de perdidas123Grafica 4.3 Variacin de la temperatura..123Grafica 4.4 Rendimiento trmico VS temperatura de la turbina.133

INDICE DE ANEXOSANEXO 3.1 Altas de Distribucin de la energa solar en Bolivia...157ANEXO 3.2 Sistema Interconectado de Bolivia..158ANEXO 3.3 Datos promedios de radiacin solar anual..159ANEXO 3.4 Mapa de Radiacin solar de Bolivia...160ANEXO 3.5 Temperatura madia anual161ANEXO 3.6 Velocidad de viento madia anual161ANEXO 4.1 Caractersticas de los colectores cilndricos parablicos162ANEXO 4.2 Programacin de las ecuaciones para la resolucin del problema..165ANEXO 4.3 Propiedades y caractersticas de las tuberas..168ANEXO 4.4 Catlogo de bombas de sales fundidas....171ANEXO 5.1 Datos econmicos...172ANEXO 5.2 Flujo de caja............174ANEXO 5.3 Periodo de recuperacin..175ANEXO 5.4Comparacin econmica entre el sistema solar trmico elctrico y un arreglo fotovoltaico .176

GLOSARIO DE ABREVIACIONES

: Altura del tanque de almacenamiento.: Flujo de masa total.: Potencia especifica de la bomba.: Potencia en eje de la turbina.: Potencia elctrica.: Potencia especifica de la turbina.: rea del tubo absorbedor exterior.: Efecto bloqueo de sombra.: rea del tubo de cristal interior.: Efecto final de sombra.: Factor geomtrico.: rea de prdidas.: Factor de concentracin mximo.: Calor especifico a presin constante del fluido.: Dimetro exterior del lazo.: Dimetro exterior del tubo absorbedor.: Dimetro exterior del tubo de cristal.: Dimetro interior del lazo.: Dimetro interior del tubo absorbedor.: Dimetro interno del absorbedor.: Dimetro interior del tubo de cristal.: Radiacin directa.: Longitud del absorbedor.:Largo del colector.: Longitud total del colector.: Tramo analizado.: Nmero de lazos.: Nmero de Nusselt exterior.: Nmero de Nusselt forzado.: Nmero de Nusselt del fluido interior.: Nmero de Nusselt natural.: Presin de alta de la turbina.: Potencia de bombeo.: Presin del condensador.: Presiones en el bloque de potencia.: Nmero de Prandtl exterior.: Nmero de Prandtl del fluido interior.: Potencia de bombeo total.: Calor generado por cada lazo.:Potencia almacenado total.: Potencia del campo solar.: Potencia trmica.: Nmero de Rayleigh modificado.: Resistencia trmica debida a la conveccin entre el tubo absorvedor y el de Cristal.: Resistencia trmica debido a la conveccin entre el tubo de cristal y el ambiente.: Resistencia trmica debida a la conduccin del tubo absorvedor.: Resistencia trmica debido a la conduccin del tubo de cristal.: Resistencia trmica debida a la conveccin interior del fluido.: Nmero de Reynolds exterior.: Numero de Reynolds del fluido interior.: Resistencias interiores.: Resistencia trmica debida a la radiacin entre el tubo absorvedor y el de cristal.: Resistencia trmica debida a la radiacin entre el tubo de cristal y el ambiente.: Radio del tanque de almacenamiento.: Resistencia total.: Temperatura del tubo de absorbedor.: Temperatura de los alrededores al colector.: Temperatura ambiente.: Temperatura del tubo de cristal.: Temperatura equivalente exterior.: Temperatura final.: Temperatura inicial.: Temperatura de entrada a la turbina.: Temperatura media absorbedor tubo de cristal.: Temperatura media exterior.: Temperatura equivalente.: Volumen almacenado.: Velocidad del viento.: Apertura de la parbola.: Error de deslizamiento del receptor.: Conductividad trmica.: Conductividad trmica del aire.: Conductividad trmica del cristal.: Conductividad trmica efectiva.: Conductividad trmica de la sal fundida.: Masa almacenada.: Flujo msico del fluido.: Potencia especifica del condensador.: Potencia especifica del generador.: Potencia de prdidas.: Potencia til.: Radio de apertura mnimo de la parbola.: Horas de almacenamiento.: Tiempo de funcionamiento para almacenar.: Fracciones msicas en el bloque de potencia.: Absortividad del receptor.: Coeficiente de expansin trmica.: Error de deslizamiento angular.: Emisividad.: Emisividad del tubo de cristal.: Rendimiento electromecnico.: Rendimiento ptico.: Rendimiento trmico.: Angulo de aceptacin.: Viscosidad dinmica del aire exterior.: Viscosidad de la sal fundida.: Densidad del aire ambiente.:Reflectividad del espejo.: Densidad de la sal fundida.: Error aleatorio.: Transmitancia del tubo de cristal.: Transmisividad del espejo.: Coeficiente de viscosidad.: Velocidad de sal fundida.: Velocidad de sal fundida.: Angulo de apertura de la parbola.: Diferencia de presin.AST: Hora.C: Concentracin de radio.LL: Longitud.N: Da del ao.: Inclinacin de los colectores.: Latitud.: Dimetro del tubo de distribucin en los lazos.: Dimetro medio.: Nmero de Grashof.: Nmero de Rayleigh.: Mltiplo solar.: Espesor del tubo conductor en el lazo.: Distancia focal de la parbola.: Gravedad.: Conductividad trmica del aire.: Tramo analizado.: Apertura de la parbola.: Altura de la parbola.: Altura solar.: ngulo acimutal.: Declinacin.: Angulo de incidencia.: Factor de interceptacin.: Constante de Stefan Boltzmann.: ngulo horario.

CENTRAL SOLAR TRMICA ELCTRICACAPITULO I

ASPECTOS GENERALES

1.1. INTRODUCCION

Se llaman energas renovables las que, administradas en forma adecuada, pueden explotarse ilimitadamente, es decir, su cantidad disponible en la tierra no disminuye a medida que se aprovecha. Para tener un esquema de desarrollo sustentable es indispensable que la mayora de los recursos y particularmente la energa, sean del tipo renovable.La principal fuente de energa renovable es el sol. Existen otras como la elica, biomasa, la diferencia de temperaturas ocenicas, la energa de las olas etc. El sol enva a la tierra nicamente energa radiante, es decir luz visible, radiacin infrarroja y algo de ultravioleta. Para fines de aprovechamiento de su energa, el sol es una inmensa esfera de gases a alta temperatura. La radiacin solar posee una elevada calidad termodinmica al ser el resultado de procesos que tienen lugar en la superficie del Sol a una temperatura equivalente de cuerpo negro visto desde la Tierra.Conocemos desde hace ms de un siglo los principios de la radiacin solar concentrada para crear altas temperaturas y convertirla en electricidad, pero slo se explota comercialmente desde mediados de los aos 80. Las primeras plantas de energa solar trmica de concentracin a gran escala se construyeron en el desierto californiano de Mojave (EEUU). En muy poco tiempo, la tecnologa ha confirmado ser una enorme promesa tecnolgica y econmica ya que tiene una gran ventaja, un enorme recurso renovable y muy pocas desventajas. La energa solar trmica de concentracin para la generacin bruta de electricidad es una de las tecnologas ms idneas para frenar el cambio climtico de una manera accesible y para reducir el consumo de combustibles fsiles. La ventaja principal de los sistemas de energa solar trmica de concentracin (ESTC) es que pueden reemplazar a las centrales elctricas basadas en combustibles fsiles, lo que reducira las emisiones de gases de efecto invernadero que provocan el cambio climtico. Por ejemplo, cada metro cuadrado de superficie de concentradores (ESTC) es suficiente para evitar de 200 a 300 kilos de dixido de carbono cada ao, dependiendo de su configuracin [34].Las Centrales Solares Termoelctricas son sin duda una de las tecnologas energticas renovables que pueden hacer un aporte considerable de electricidad, no contaminante en un mediano plazo. La tecnologa solar termoelctrica consiste en el empleo de la radiacin solar incidente sobre la superficie terrestre para el calentamiento de un fluido que se hace pasar posteriormente por una etapa de turbina. Tras la etapa compuesta por los equipos propiamente solares, concentrador ptico y receptor solar, este esquema tiene muchas similitudes con las tecnologas termoelctricas convencionales basadas en la conversin mecnica del calor, y ltimamente la generacin elctrica, en un generador a partir de un movimiento mecnico rotativo. Es imprescindible que suban al tren de las Energas Renovables, en especial al de la energa solar, o seguir siendo dependientes de fuentes de energas NO renovables que adems de subir de precio cada da ms, contaminan el planeta y ocasionan cambios climticos perjudiciales para la humanidad y en especial, para nuestras futuras generaciones.En nuestro pas, existen pocas empresas dedicadas a la energa solar trmica, en el estudio Desarrollo del mercado para productos trmicos solares en Bolivia (occidental o Altiplano), se menciona que el crecimiento de la cantidad de instalaciones de este tipo de energa es de 500 instalaciones al ao en todo el pas. Este crecimiento, evidentemente es demasiado lento, pese a que Bolivia ya cuenta con su mapa de irradiacin solar donde se ve que el potencial es favorable en comparacin con otros pases, los cuales irnicamente tienen menos irradiacin solar pero la aprovechan ms [35].1.2. ANTECEDENTE Y DESCRIPCIN DEL PROBLEMALa matriz energtica de Bolivia tiene diversas fuentes y su estructura actual es de 58,9% de energa primaria basada en termoelectricidad, 39,3% hidroelctrica y 1.7%con fuentes de energa alternativa (energas renovables), [35].

La subvencin del precio del gas natural (GN) que resulta en un precio de 1.3US$/MPC (Millar de pies cbicos) para la generacin termoelctrica en el mercado interno. Por otra parte, la generacin en los sistemas aislados en base a gas ol (DIESEL) subvencionado, produce problemas econmicos y ambientales al pas.Considerando el incremento de la demanda de energa elctrica en el pas lo cual genera la necesidad de realizar inversiones en proyectos de generacin a fin de ampliar y diversificar la matriz energtica nacional con participacin de fuentes de energas alternativas (energas renovables).Se desarrollara el presente documento, que pretende fortalecer el sector Elctrico Nacional en pro del beneficio colectivo. Es til reconocer que las fuentes de energas alternativas se destacan de las convencionales por producir energas limpias, limitar el efecto invernadero, reducir emisiones de dixido de carbono, coadyuvar a la solucin de problemas ambientales, como el cambio climtico, la contaminacin atmosfrica, as como de poder emplearlas para la generacin de electricidad, particularmente para las comunidades ms alejadas, entre sus mltiples beneficios. A la vez, su aprovechamiento contribuir a disminuir las crecientes importaciones de gas ol (DIESEL).Se aportar no solo a la mejora de las condiciones de vida de los beneficiados, sino tambin al desarrollo productivo, alcanzar y garantizar la autosuficiencia e independencia energtica para el abastecimiento del mercado interno generando Electricidad con energas alternativas. Dado que se apoyara a la transformacin productiva comunitaria nacional, desarrollando proyectos de acceso con energas alternativas para usos productivos en zonas rurales e incentivando a la pequea y micro empresa o asociacin comunitaria, campesina y nacional de Bolivia. El comienzo de la escasez de las energas no renovables ocasiona un perjuicio directamente al desarrollo humano, industrial y tecnolgico.Debido a esta necesidad debe aprovecharse al mximo la energa natural renovable del sol. Transformndola en energa til, necesaria para un buen desarrollo humano, industrial y tecnolgico como es la energa elctrica, obtenida mediante el calentamiento de un fluido calo portador y transfiriendo energa a una turbina de vapor.1.3. OBJETIVOS1.3.1. OBJETIVO GENERALCalcular y disear una central solar trmica elctrica.1.3.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS

Sistematizar e identificar el tipo de central solar trmica elctrica, seleccionar el lugar de mayor potencial de radiacin para la instalacin y la central ms adecuada. Calcular y dimensionar los elementos principales de la central solar trmica elctrica. Determinar la factibilidad econmica del proyecto.

1.4. JUSTIFICACION

La energa no se crea ni se destruye sol se la transforma, una de esas formas es la de transformar la energa solar en energa elctrica. Sin energa no podramos iluminar nuestras casas ni tener calefaccin, no podramos ver la televisin ni desplazarnos en coches o autobuses cada da. Su uso forma parte de nuestro estilo de vida y es inherente al desarrollo de nuestra sociedad. Sin embargo, debemos ser conscientes de que las principales formas de energa que tenemos algn da se agotarn. Las tres fuentes de energa ms importantes de nuestro tiempo (el petrleo, el carbn y el gas natural) son fruto de la acumulacin de restos orgnicos en la naturaleza desde hace millones de aos. El uso masivo que hoy hacemos de ellas ha provocado una drstica disminucin de sus reservas en tan solo un siglo.En consecuencia, de mantenerse el modelo de consumo actual, los combustibles tradicionales dejarn de estar disponibles a medio plazo, bien por el agotamiento de las reservas, o porque su extraccin habr dejado de ser rentable. Por eso resulta tan importante desarrollar nuevas tecnologas basadas en el aprovechamiento de los recursos renovables que, como su propio nombre indica, son inagotables, adems de respetuosas con el medio ambiente.La energa solar es uno de esos recursos renovables que nos regala la naturaleza a cada instante. Y lo que es igual de importante, una fuente de energa que no daa el entorno en que vivimos. Adems, su aplicacin suele tener lugar en el entorno urbano, en el cual las emisiones contaminantes de los combustibles tradicionales tienen mayor incidencia sobre la salud humana, consiguindose as disminuir sensiblemente las emisiones gaseosas originadas por los sistemas convencionales, La energa solar tambin contribuye eficazmente a la reduccin de emisiones de CO2, responsables del calentamiento global del planeta. La universalizacin del acceso a la energa elctrica, es un objetivo generalizado en el mundo, se estima que 1.600 millones de personas no cuentan con electricidad para satisfacer sus necesidades bsicas como iluminacin, refrigeracin de alimentos, acceso a informacin, entre otros, y peor an para emprender procesos productivos o actividades relacionadas con la salud, educacin, trabajo, entre otras.De acuerdo al Plan de Universalizacin Bolivia con Energa, se estima que en el rea rural de Bolivia la cobertura de hogares con acceso al servicio elctrico es de 53%, lo que significa que 417.790 hogares no cuentan con acceso a la electricidad, especialmente en zonas aisladas y dispersas, extremadamente distantes de las redes elctricas existentes, por tanto, es una de las principales barreras para la ampliacin de las redes en el Sistema Interconectado Nacional (SIN) y en los Sistemas Aislados [36].

CAPITULO II

MARCO TERICO

2. DEFINICIN DE ENERGAEn el terreno de las ciencias fsicas y naturales, y de la tecnologa, es corriente hablar de la crisis energtica, de alimentos energticos, etc. La realidad es que la energa es un fenmeno misterioso, del cual conocemos y comprendemos sus efectos, pero no su naturaleza originaria.En el campo de la fsica, se define la energa como una propiedad de los cuerpos o sistemas de los materiales en virtud de la cual estos pueden transformarse (a s mismos), modificando su estado o situacin, as como actuar sobre otros cuerpos, originando transformacin entre ellos.La energa indica la capacidad de un cuerpo o sistema para producir transformaciones, con independencia de que estas se produzcan o no.2.1. DEFINICIN DE ENERGAS RENOVABLES Y NO RENOVABLES2.1.1. ENERGAS RENOVABLESUna de las definiciones ms precisas de energas renovables nos dice que estas corresponden a cualquier energa que es regenerada en un corto periodo de tiempo y obtenida directamente del Sol (como trmica, fotoqumica o fotoelctrica), indirectamente del Sol (como el viento, hidroelctrica, energa fotosinttica obtenida de la biomasa) o por algn otro movimiento natural y mecanismos del ambiente (como geotrmica o de mareas). Las energas renovables no incluyen las derivadas de combustibles fsiles, de desechos de combustibles fsiles o de desechos de origen inorgnico.Como se refleja en la definicin anterior las energas renovables se caracterizan porque en sus procesos de transformacin y aprovechamiento en energa til no se consumen ni se agotan en una escala humana. Normalmente las energas renovables se clasifican en convencionales y no convencionales. Dentro de las convencionales, la ms difundida es la hidrulica a gran escala. 2.1.2. ENERGAS NO RENOVABLESEnerga no renovable se refiere a aquellas fuentes de energa que se encuentran en la naturaleza en una cantidad limitada y que, una vez consumida en su totalidad, no pueden sustituirse, ya que no existe sistema de produccin o extraccin viable, o la produccin desde otras fuentes es demasiado pequea como para resultar til a corto plazo.Estos son: son el carbn, el petrleo y el gas natural. Provienen de restos de seres vivos enterrados hace millones de aos que se transformaron bajo condiciones adecuadas de presin y temperatura.2.2. DEFINICIN DE ENERGA SOLARLa mayora de las energas renovables tienen procedencia solar. El hablar de la energa solar quiere decir que dicha energa se usa directamente para la produccin de otras formas de energa.La radiacin solar fuera de la atmsfera tiene un valor constante de unos 1300 W/, denominndose constante solar. Sin embargo, toda esta energa no puede ser aprovechada debido a diferentes fenmenos que se interponen en su camino desde el Sol hasta la superficie terrestre. Al atravesar la atmsfera, las nubes dispersan la radiacin separndola en radiacin directa y difusa. Las sombras causadas por objetos prximos tambin constituyen a atenuar el valor de la radiacin. Finalmente, el hecho de que la direccin del Sol y la superficie captadora sea la misma, tambin influye en la disminucin de la constante solar. Todos estos factores hacen que la energa que llega a la tierra sea de unos 1000 W/ en un da claro, a las 12 horas del medioda solar y a nivel del mar. Esta energa no es suficiente para alcanzar las temperaturas que se requieren, por lo que se utilizan elementos concentradores.La energa solar tiene muchas aplicaciones donde puede ser utilizada. Estas actividades se clasifican en tres grupos: generacin trmica, generacin de trabajo y generacin de frio. El primer grupo tiene la generacin de calor para calefaccin, agua caliente sanitaria (ASC), desecacin y refrigeracin. Dentro de esta divisin existen diferencias segn la temperatura alcanzada. Podemos distinguir procesos de baja temperatura que usan colectores planos para llegar hasta 60C, procesos de media temperatura para calefaccin, produccin de frio, y procesos de alta temperatura en la industria. La generacin trmica tambin incluye la arquitectura bioclimtica. La generacin de trabajo se pude dar de forma trmica y de forma fotovoltaica. Los parques de helistatos o concentradores cilindro parablicos producen vapor que se utiliza en ciclos de potencia, mientras que los paneles fotovoltaicos convierten la luz en electricidad por medio de semiconductores. Por ltimo, la generacin de frio se produce por medio de mquinas de absorcin.Las tecnologas usadas para este tipo de energa son: colectores planos para calefaccin y concentradores en torre, discos parablicos, colectores cilndricos parablicos y colectores Fresnel para produccin de electricidad.La principal ventaja con la que cuenta la energa solar es que se trata de un recurso inagotable que est al alcance de todos.Una de sus desventajas de la energa solar reside que la demanda no coincide con la produccin. Para ajustar la demanda a la produccin se hace necesario el uso de sistemas de almacenamiento.Otra desventaja a tener en cuenta es la intermitencia del recurso solar. A lo largo del ao hay numerosos das en los que las nubes impiden el correcto aprovechamiento de la energa solar.Bolivia cuenta, en la zona del altiplano, con una excelente situacin para el aprovechamiento de la energa solar.2.3. CENTRAL TERMOSOLAR DE CILINDROS PARABOLICOSUna central termosolar para fines de generacin de electricidad se compone de una serie de elementos agrupados en bloques con caractersticas comunes. El primer bloque que hay que destacar es el campo solar. Es donde se concentra la energa solar y se transforma en energa trmica en forma de calor sensible. El segundo gran bloque es el de potencia. Este bloque es el encargado de convertir la energa trmica en energa elctrica. Entre estas dos partes se encuentra al sistema de almacenamiento para poder operar la planta en condiciones de baja o nula irradiacin. Finalmente tambin existen otros elementos auxiliares necesarios para el desarrollo de la actividad de produccin de potencia.Figura 2.1Central solar trmica elctrica

Fuente: Greenpeace, ESTIA, IEA Solar PACES 20052.4. UBICACIN Y DATOS METEOROLGICOSEl primer paso a considerar en el clculo de una central termosolar es elegir el emplazamiento donde se ubicar el objetivo del proyecto. Se trata de una decisin importante, puesto que, la energa que se emplear tendr diferentes caractersticas en distintos lugares de acuerdo a la radiacin que exista en la regin.Este tipo de centrales necesita una radiacin anual igual o superior a los 2000 kWh/ al ao, aunque hoy en da se est empezando a construir centrales termosolares en lugares con menores ndices de radiacin. Los proyectos que se estn llevando a cabo actualmente se sitan en el sur de Espaa y estados unidos, sin destacar nuevas potencias emergentes en China, el Golfo Prsico y el desierto de Shara [13].Dentro de Sudamrica, Bolivia cuenta con una de las mejores caractersticas para poder desarrollar centrales termo solares debido a la posicin geogrfica en al cual se encuentra.Adems de la radiacin solar, tambin es necesario tener en cuenta aspectos como la facilidad de obtener el agua suficiente para abastecer las necesidades que la operacin de estas instalaciones requiere y un buen acceso a la red de transporte y distribucin para poder volcar en ella la energa producida.Figura 2.2Puntos altos de radiacin

Fuente: Mapas de radiacin solar en el Per y el mundo 2008

2.5. COLECTOR CILINDRO PARABOLICOEl componente principal del campo solar es el colector cilndrico parablico. Este elemento hace posible concentrar la radiacin procedente del sol y as poder utilizar para el fin deseado. Se trata de una estructura recubierta de espejos en forma de canal parablico. A lo largo de su lnea focal discurre un tubo por el cual circula el fluido que transporta y almacena la energa. La tecnologa desarrollada por este sistema de concentracin permite alcanzar temperaturas de hasta 550C.Las superficies reflectantes o espejos son chapas o cristales delgados de hasta 5 mm de espesor para conseguir rigidez y resistencia. Los materiales utilizados son placas metlicas, vidrio o plstico, recubiertos de pelculas de plata o aluminio que proporcionan las caractersticas de reflexin necesarias. La tecnologa ms utilizada es la de espejos de cristal.Los colectores son elementos de unos 150 metros o ms de longitud y unos 6 metros de anchura. Cada uno de ellos est formado por otras unidades ms pequeas llamadas mdulos. Estos mdulos miden aproximadamente 12 metros, siendo 12 unidades de estas las que forman un colector. Para formar un mdulo se unen tres tubos receptores para alcanzar los 12metros de longitud. Los canales cilndrico-parablicos se disponen, tpicamente, en forma de lazos de unos 600 metros de longitud, 300 metros de ida y 300 metros de vuelta. Para el caso del aceite trmico como fluido de trabajo, cada lazo suele estar compuesto por 4 o 6colectores. La temperatura de entrada al lazo suele ser de 290 C, saliendo alrededor de 400C. La distribucin de las tuberas suele ser en paralelo: dos tuberas centrales, una caliente y otra fra, en las cuales se conectan los diferentes lazos. Esta es la composicin ms habitual, aunque dependiendo de la planta, estos datos pueden variar ligeramente.2.6. METODO DE DISEO DEL REFLECTOR CILINDRICO PARABOLICO2.6.1. CARACTERISTICAS GEOMETRICAS DEL REFLECTOREn una seccin transversal de un reflector mostrado en la figura (3.3) se muestran factores muy importantes para que la radiacin tenga su mxima eficiencia, la radiacin incidente sobre el borde del reflector donde el radio mximo del espejo es , con un ngulo se la denomina ngulo de borde, para determinar dichos factores se utiliza la ecuacin de la parbola en un sistema de coordenadas.

(3.1)Donde:: La distancia del foco de la parbola.: La apertura de la parbola en un punto dado.Para la perfecta alineacin e intercepcin de la radiacin sobre el receptor existe un tamao del receptor dado por:

(3.2)

: Es el ngulo de incidencia o aceptacin del SolPara un reflector cilndrico parablico viene dado por:

(3.3)

: Es el ngulo de apertura del reflector

Figura 2.3Dimensiones de un colector

Fuente: Solar thermal collectors and applications.Como el ngulo () varia de 0 hasta , tambin se incrementa el radio () desde hasta (), la medida de la imagen terica tambin se incrementa desde hasta . Esta imagen es vista desde plano normal y axial al eje de la parbola. (3.4)Otro parmetro importante que refleja este ngulo es la apertura de la parbola (), visto en la figura (3.3), y aplicando simple trigonometra es definida por: (3.5)Sustituyendo en la Ecuacin. (3.4) en la Ecuacin. (3.5) tenemos: (3.6)Reduciendo tenemos: (3.7)2.6.2. CARACTERISTICAS OPTICAS DEL COLECTOR CILINDRO PARABOLICOLa Tierra, en su traslacin alrededor del Sol, describe una rbita elptica de muy poca excentricidad, llamada eclptica, estando el Sol situado en uno de sus focos. La duracin del recorrido es de 365 das, 5 horas y 48 minutos. Esta rbita est inclinada con respecto al plano del ecuador un ngulo de 23.45 y ello hace que los rayos del Sol caigan unas veces ms perpendicularmente que otras y, por tanto, que la radiacin incidente sobre una superficie determinada sea diferente en cada caso. Por otra parte, la Tierra tiene un movimiento de rotacin alrededor de su eje en el que emplea 24 horas. Ahora bien, debido a la inclinacin del eje de rotacin y del movimiento orbital de la Tierra, la duracin del da y de la noche vara segn la latitud o del lugar ver figura.

Figura 2.4Rotacin y traslacin de la tierra

Fuente: Phillips Tony, La Tierra en el Perihelio 2001Desde el punto de vista de un observador sobre la superficie de la Tierra, el Sol describe un arco desde su salida (orto) hasta su puesta (ocaso). Por definicin, a mitad de su recorrido, es decir, en el medioda solar, el Sol pasa por el meridiano local.

Se denomina cenit a la vertical desde un punto cualquiera de la Tierra al corte con la hipottica trayectoria de la esfera solar.La posicin del Sol se puede referir en dos sistemas de coordenadas distintos, ambos centrados en el observador: coordenadas horarias (declinacin (), y ngulo horario ()) y coordenadas horizontales (altura solar (), y azimut ()). Estas coordenadas determinan el vector solar, entendido ste como el vector con origen en el observador y extremo en el Sol. Del vector solar se volver a hablar al calcular el ngulo de incidencia en un colector cilindro parablico.2.6.2.1. FACTOR DE CONCENTRACINEl factor de concentracin o concentracin de radio es como su nombre la define, es la concentracin que el receptor adquiere al reflejar la radiacin, el reflector hacia este. Por lo tanto es la relacin de areas entre el tubo receptor y el cilindro parablico.El factor de concentracin mximo se da cuando es de 90, y el sen () =1, el cual se aplica en la siguiente ecuacin obteniendo as el mximo valor de concentracin.

(3.8) (3.9)El factor de concentracin que se debe dar en el receptor de un colector cilindro parablico esta dado por la ecuacin. (3.10)

2.6.2.2. COORDENADAS HORARIAS2.6.2.2.1. DECLINACIONLa declinacin () es la posicin angular del Sol en el medioda solar cuando el Sol pasa por el meridiano local respecto al plano del ecuador terrestre.El valor de este ngulo se suele tomar cada da al medioda solar. Esto es debido a que el eje de rotacin de la Tierra est inclinado un ngulo de 23.45 respecto al eje del plano que contiene la rbita que describe alrededor del Sol y de ah que el valor de la declinacin vara entre 23.45 a lo largo del ao (ver figura 3.4).El valor de la declinacin () se puede calcular a partir de la ecuacin: (3.11)

Donde N es el da del ao. La declinacin es una funcin continua del tiempo. La tasa de cambio mxima de la declinacin es en los equinoccios, con un valor aproximado de 0.5/da.2.6.2.2.2. NGULO HORARIOAngulo de hora solar (). Es el desplazamiento angular Este u Oeste del sol con respecto al meridiano local debido a la rotacin de la tierra en su eje a 15 por hora. Se toma como referencia (= 0) el medioda. En la maana este ngulo es negativo y en la tarde, positivo. El ngulo horario se calcula por: (3.12)

2.6.2.3. COORDENADAS HORIZONTALES2.6.2.3.1. ALTURA DEL SOL O ANGULO DE ELEVACION DEL SOLEs la distancia entre el Sol y el horizonte es lo que se conoce como altura solar (ver figura 3.4). (3.13)2.6.2.3.2. NGULO AZIMUTEl azimut solar () o ngulo azimut del sol, es el ngulo entre la proyeccin sobre un plano horizontal de la radiacin directa y el meridiano local. Se toma como origen de azimut el medioda solar. Para el hemisferio norte, el azimut es positivo si el colector est orientado hacia el oeste, negativo si el colector est orientado hacia el este (ver figura 3.4). (3.14)2.6.2.3.3. NGULO DE INCIDENCIAFigura 2.5Caractersticas geomtricas de un colector

Fuente: Eduardo Zarza, Sistemas de Concentracin 2002

El ngulo de incidencia () es el ngulo entre la radiacin directa sobre una superficie y la normal a dicha superficie, y es funcin de la latitud (), la declinacin (), el ngulo horario (), el azimut solar () y lainclinacin de la superficie sobre la horizontal ().La ecuacin general para el ngulo de incidencia est dada por:

(3.15)2.6.3. EFICIENCIA PTICA DEL COLECTOR CILINDRO PARABLICOLos sistemas de concentracin utilizan relaciones pticas para poder aprovechar de mejor manera la energa procedente del Sol. Son sistemas que interponen un medio ptico entre el Sol y el fluido de trabajo.El parmetro ms importante que se busca obtener es la eficiencia ptica del colector. Este valor da una idea del rendimiento que tiene el sistema de concentracin. Es un dato clave para la determinacin de la cantidad de energa que se puede obtener del Sol y est influenciado por las prdidas pticas del sistema.Desde que la radiacin solar pasa a travs del plano de apertura del concentrador, hasta que es absorbida en el tubo receptor, se producen una serie de prdidas. Estas prdidas se deben a que el espejo concentrador no es un reflector perfecto ni tiene una forma geomtrica perfecta, ni la cubierta transparente deja pasar toda la radiacin solar atreves de l, ni la superficie selectiva es un absorbedor perfecto. Estas prdidas se conocen con el nombre de prdidas pticas del colector cilindro parablico, pueden llegar a ser muy importantes.La expresin que determina este valor es la siguiente [6]. (3.16)Donde, es la reflectividad del espejo, es la transmitancia del cristal, es el coeficiente de absorcin del receptor, es el factor de interceptacin, es el factor geomtrico.Figura 2.6Caractersticas del tubo absorbedor

Fuente: Eduardo Zarza, Sistemas de Concentracin 20022.6.3.1. FACTOR GEOMETRICOEl factor geomtrico est determinado por las dimensiones y caractersticas del colector. Se trata de un factor que tiene en cuenta la prdida de la superficie de apertura debido a efectos anormales de incidencia. As pues, la superficie de apertura terica se ver reducida por efectos de bloqueo, sombras y prdidas de radiacin reflejada desde los espejos hasta el final del receptor.

Figura 2.7Perdidas geomtricas en un colector

Fuente: Elaboracin propiaEl primer efecto que merma el rea de apertura es el llamado efecto final. Este efecto se debe a que algunos rayos reflejados en las inmediaciones del final del colector no llegan a interceptar al tubo receptor. La modelizacin de este problema est reflejada por la siguiente ecuacin. (3.17)Otro efecto a tener en cuenta es el de bloqueo por efectos de sombras. Los colectores cilndricos parablicos suelen llevar en sus extremos unas placas opacas que previenen de altas concentraciones en lugares que no sean el tubo receptor para protegerlos frente a las altas temperaturas que se alcanzan. De este modo, una parte del colector queda en sombra. En el caso de que los platos opacos vayan de borde a borde, el rea de bloqueo es: (3.18)Por lo tanto el rea total para las prdidas debido a la geometra del colector es: (3.19)Finalmente, el factor geomtrico se define como la relacin entre el rea perdida y el rea terica del colector: (3.20)Donde el rea del colector est dada por: (3.21)Se ha considerado conveniente incluir las prdidas geomtricas en la misma seccin que las prdidas pticas porque en ellas influyen no solo parmetros geomtricos, tambin pticos.2.6.3.2. FACTOR DE INTERCEPTACINParte de los rayos reflejados por el espejo concentrador no alcanzan el tubo absorbedor por causas de diversa ndole, entre las que se incluyen imperfecciones macroscpicas o microscpicas de las cubiertas, errores en el posicionamiento del colector o en la posicin relativa del tubo absorbedor respecto al colector, etc. Todas estas prdidas se cuantifican a travs del factor de interceptacin , cuyo valor mximo suele ser del 95%, para colectores de muy buena calidad de fabricacin y con un procedimiento de montaje muy cuidadoso. As se define el factor de interceptacin, la relacin entre la energa interceptada por el tubo receptor y la energa que llega al sistema de concentracin. Su clculo depende del tamao del receptor, de los errores pticos de los espejos y de la difusin de la radiacin solar.Los errores pticos son de carcter aleatorio y no aleatorio. Los primeros se representan habitualmente con una distribucin normal. Estos errores son debidos a cambios en la anchura del Sol, a la dispersin y difusin de la superficie reflectante, al cambio de la forma de la parbola debido al viento y al tipo de estructura soporte empleada. Su modelizacin se realiza estadsticamente determinando la desviacin tpica del total de la radiacin reflejada en incidencia normal [6].Los errores no aleatorios se determinan por datos del error del desalineamiento del ngulo, y el desplazamiento del receptor del foco de la parbola,.Los errores de desalineamineto del ngulo son debido a la precisin del sistema de seguimiento y al proceso de montaje del colector. En el caso de los errores de desplazamiento del receptor, estn influenciados por las tolerancias en el proceso de fabricacin, el proceso de montaje de los colectores, el transporte de los colectores hasta el campo solar y las tolerancias creadas durante la operacin debido a cargas mecnicas y trmicas.Para la determinacin de estos valores se recurre a los valores dados por Gven [17].Tabla 2.1

Fuente: Journal of Solar Energy Engineering, Agosto 2013Como estos tres errores tienen el mismo efecto en el eje y, se usa un nico parmetro para contabilizar ambos errores. Los errores aleatorios y no aleatorios pueden ser combinados con la geometra del colector, el factor de concentracin y el dimetro del receptor para dar unos parmetros de error universales para cualquier geometra de colector. Para distinguir estos parmetros de los definidos anteriormente se utilizara un asterisco. De este modo se tiene un error universal aleatorio, un error universal no aleatorio debido a los efectos angulares y un error universal no aleatorio debido al desplazamiento del receptor. (3.22) (3.23) (3.24)Una vez definido los errores se pueden calcular el factor de interceptacin que se expresa de la siguiente manera [17].

(3.25)

2.6.3.3. TRANSMISIVIDAD DEL CRISTALLa funcin de la cubierta transparente del receptor es proteger el tubo absorbedor de las inclemencias meteorolgicas y reducir las prdidas trmicas al ambiente. Aunque el material de dicha cubierta se escoge para que deje pasar la mayor proporcin de radiacin solar a travs de l, una parte pequea de la radiacin se refleja o se absorbe, por lo que el cociente entre la radiacin que pasa a travs de la cubierta y la radiacin que incide sobre ella nos da la transmisividad (), de la cubierta.El valor de la transmisividad vara entre 92% y 96%. Para mejorar la transmisividad se pueden aplicar tratamientos antireflexivos sobre las superficies interna y externa del vidrio. Estos tratamientos suelen mejorar la transmisividad en un 2%, de modo que si se aplican sobre las dos caras del vidrio, la transmisividad aumenta un 4%. El inconveniente de los tratamientos antireflexivos es que, como estn hechos a base de slice, terminan degradndose, sobre todo en la superficie externa expuesta a la lluvia, ya que la slice se disuelve en agua.2.6.3.4. ABSORTIVIDAD DE LA SUPERFICIE DEL RECEPTORLa absortividad de la superficie selectiva (), cuantifica qu cantidad de la radiacin incidente es finalmente absorbida por el tubo. Los valores tpicos de absortividad varan entre 90% y 96%. Para recubrimientos selectivos tipo cermet, la absortividad puede alcanzar el valor de 96%, mientras que en recubrimientos de naturaleza electroltica, a base de cromo, nquel o cobalto negro, no suele superar el 92%.2.7. TUBOS ABSORBEDORESEl tubo receptor es el componente del campo solar encargado de transmitir al fluido de trabajo toda la energa solar concentrada en el colector para su posterior conversin en energa elctrica. Se trata de uno de los componentes ms importantes del colector, puesto que el rendimiento global del colector est muy ligado sus caractersticas.La posicin de este elemento dentro del conjunto, es la lnea focal del canal parablico que forma el colector. Su sujecin se realiza por medio de unos soportes equidistantes a lo largo de toda la longitud del colector. Tal y como se explic previamente el receptor se compone de un tubo metlico y una carcasa de vidrio concntrica al anterior. El fluido calorfico circula por dentro del tubo metlico, mientras que en el espacio delimitado entre los dos componentes se hace el vacio.El tubo metlico est recubierto por un material selectivo con elevado coeficiente de absorcin y baja emisividad. De este modo se aprovecha mejor la energa procedente del sol. El recubrimiento absorbente est compuesto de una serie de capas, tanto metlicas y de Cermets. La capa metlica confiere la baja emisividad requerida. Se trata de una capa de Molibdeno de alta reflexividad y baja emisividad. La capa de Cermets proporciona la absorcin de la radiacin solar. La composicin de esta capa es una mezcla estratificada de Molibdeno y de almina (). Estas capas pueden ser sustituidas por multicapas dielctricas y metlicas. Por ltimo, se dispone de una capa dielctrica que acta como anti reflejante compuesta nicamente por (). Toda esta composicin desarrolla un efecto invernadero que hace aumentar la temperatura del fluido que circula por su interior. La utilizacin de este material mejora considerablemente la transmisin de energa, sin embargo, en su contacto con el aire y a las altas temperaturas alcanzadas por el receptor, aparece la oxidacin y la consiguiente degradacin del recubrimiento. Para paliar este inconveniente, es necesario aislar con una carcasa de cristal al tubo metlico en una atmsfera de vaco [19,20].La carcasa de cristal se utiliza por una doble razn: proteger el tubo metlico de las condiciones meteorolgicas adversas y reducir las prdidas de calor por conveccin en todo el conjunto. Debido a que se pone una barrera entre la radiacin y tubo metlico, esta barrera debe ser lo ms permeable posible a la radiacin. Por ello, se utiliza vidrios con recubrimientos especficos que mantienen una transmisividad muy elevada.El tubo de vidrio se suelda a un extremo de un fuelle metlico que es el encargado de absorber las variaciones de longitud sufridas por los diferentes tubos que componen el receptor. El otro extremo se suelda al tubo metlico. Estas dilataciones son consecuencia de los cambios de temperatura a los que est sometido el receptor.El vacio se asegura con la utilizacin de unos elementos llamados getters situados sobre el tubo metlico. Los getters son slidos en forma de lmina o alambre que absorben los gases libres que puedan aparecer en la cavidad, ya sea por absorcin u oclusin [21]. Lafigura3.8 muestra un esquema de este elemento.Figura 2.8Elementos del tubo absorbedor

Fuente: Centro Nacional de Energas Renovables. Espaa

Una parte importante de las fallas de estos tubos tiene lugar en la soldadura vidrio, metal y en los fuelles metlicos de los extremos encargados de de absorber las dilataciones trmicas del tubo de acero y de la cubierta de vidrio. El coste asociado a la reposicin y mantenimiento de estos fallos es bastante importante.Los principales fabricantes de tubos receptores son Siemens AG y Schott Solar CSPGmbH. Estas empresas fabrican los tubos que actualmente se estn utilizando en las centrales solares en operacin. Se trata de tubos diseados para emplear aceite trmico como fluido de trabajo. Sin embargo, como consecuencia de la aparicin de sales fundidas como elemento de trabajo en los colectores, tambin ha aparecido un nuevo modelo de tubo receptor desarrollado por Archime de Solar Energy capaz de soportar las mayores temperaturas que se obtienen con el empleo de sales fundidas, teniendo una mayor resistencia a la corrosin que se deriva del uso de este fluido.2.8. FLUIDO DE TRABAJOLa energa procedente del Sol es transferida a un fluido calorfico que posteriormente ser utilizada para producir el vapor necesario en el ciclo de potencia. Este fluido circula a travs del tubo metlico que compone el receptor. Adems de esta funcin de transporte de energa, tambin tiene la funcin de almacenaje. La tecnologa de colectores cilndricos parablicos ofrece la posibilidad de almacenar energa que pueda ser utilizada en perodos de insolacin insuficiente como das nublados o durante la noche.La temperatura de operacin de este tipo de colectores se sita entre los 150C y los 550C aproximadamente. Cuanto mayor sea la temperatura, las prdidas trmicas alcanzan un valor considerable, haciendo que sea necesaria otro tipo de tecnologa. Para los valores de temperatura requeridos en este tipo de centrales, en torno a los400C, no es posible la utilizacin de agua como fluido calorfico. Esto es debido a que para que el agua no se evapore a dicha temperatura, su presin debe ser superior a la de saturacin de la mxima temperatura que alcance el fluido. Por lo tanto, las tuberas deberan soportar una presin muy alta. De este modo, se utilizan aceites trmicos o sales fundidas como fluidos de transferencia.

El aceite trmico es la opcin ms utilizada dentro de los colectores cilndricos parablicos. Sus caractersticas lo hacen muy apropiado para su uso. Su principal problema es la degradacin que sufre cuando se ve sometido a altas temperaturas. Dentro de los aceites utilizados, el que se utiliza con mayor frecuencia es el Therminol VP-1. Este aceite sinttico puede trabajar hasta temperaturas de 400C. Para valores mayores de temperatura de salida de los colectores, se hace necesario el uso de sales fundidas. El punto de congelacin del Therminol VP-1 se sita en los 12.7C por lo que, es necesario mantener en todo momento al aceite por encima de este valor.El uso de sales fundidas tiene ciertas ventajas sobre el aceite trmico. Es posible obtener una temperatura de salida de los colectores mucho mayores, en torno a los 450C-550C. As, se puede incrementar la temperatura de operacin del ciclo de vapor, obteniendo mayores rendimientos. Las sales son ms baratas que los aceites. Tienen bajos niveles de corrosin sobre las tuberas y otros elementos del sistema, son trmicamente estables a las temperaturas requeridas y tienen bajas presiones de vapor. Tambin se reducen las dimensiones de los tanques de almacenamiento para una capacidad dada. En la tabla 3.2se puede ver una comparacin de algunas de las caractersticas ms importantes de algunas sales y el aceite Therminol VP-1.En lo que respecta al medio ambiente, el empleo de sales fundidas disminuye la contaminacin existente en los terrenos donde se instala la central. El aceite trmico tiene mucha facilidad para fugarse por cualquier resquicio que encuentre a su paso. Estas fugas gotean en el suelo, resultando un suelo altamente contaminado, que no puede ser utilizado una vez que la planta haya acabado su funcin y se haya desmantelado. Por su parte, las sales presentan mayores dificultades para abandonar el circuito de tuberas. Cuando esto ocurre, se forman grnulos slidos debido a su punto de congelacin, no llegando a depositarse sobre el suelo.El principal problema que conlleva el uso de sales fundidas como fluido calorfico es su alto punto de congelacin que vara entre los 120C y los 220C en funcin del tipo de sal. Esto requiere que se empleen sistemas de calentamiento o mantenimiento de la temperatura por encima de un determinado valor, elevando los costes de operacin y mantenimiento. Ms adelante se hablar de los sistemas de prevencin contra la congelacin del fluido de transporte. La temperatura de operacin del fluido est limitada por la durabilidad del recubrimiento selectivo del tubo receptor. Y la eleccin de los componentes del sistema se elegir en funcin de las propiedades del fluido utilizado.Tabla 2.2Comparacin entre las sales fundidas y el aceite trmicoPropiedadSolar SaltHITECHITEC XLLNO3mixtureTherminolVP-1

Composicin%Diphenylbiphenyloxide

NaNO36077

KNO3 405345

Ca(NO3)2 48

Punto de congelacin, C22014212012013

Temperatura mxima, C600535500550400

Densidad a 300C, kg/m3189916401992815

Viscosidad a 300C, N/m2s3,2610-33,1610-36,3710-30,210-3

Calor especfico a 300C, J/kg-K1495156014472319

Fuente: Compilado de libros de energa solarAl utilizar las sales fundidas como fluido de trabajo, se pueden almacenar directamente sin tener que usar otro fluido ni un intercambiador intermedio entre el fluido de trabajo y el de almacenamiento. De este modo, los aspectos econmicos se vern afectados por los sistemas que el uso de la sal conlleva. Los riesgos que se asocian este tipo de sales son los propios del trabajo con cualquier fluido a alta temperatura. Este tipo de sal no genera vapores txicos ni es inflamable.2.9. TRANSFERENCIA DE CALOR EN EL TUBO ABSORBEDORUna vez desarrollado el anlisis ptico del colector, se puede continuar con los clculos para determinar la potencia trmica de la que se dispone en el fluido para poder intercambiar con el ciclo de potencia. Para ello es necesario conocer el valor de las prdidas que se producen en el sistema. Para hacer un clculo ms preciso, estas prdidas se calcularn para cada uno de los tramos en los que quedarn divididos los colectores que forman el lazo. La razn de operar de esta manera radica en que la temperatura que se tiene en el colector no se mantiene constante a medida que se avanza en el lazo debido al incremento de temperatura que sufre el fluido.El proceso que se va a llevar a cabo ha sido desarrollado de forma iterativa ante la existencia de algunas variables que son parmetros inciales y que, a su vez, tambin forman parte de la solucin.2.9.1. TEMPERATURAS INICIALES DEL SISTEMAAl igual que todo mtodo iterativo, es preciso determinar el valor de algunos parmetros inciales que irn cambiando su valor a lo largo del proceso hasta converger en un nico valor que se tomar como solucin final. Estos valores se refieren a las diferentes temperaturas que estn presentes en las diferentes partes del colector.El primer valor es la temperatura de entrada del fluido a los colectores. Se trata de una temperatura comn a todos los lazos puesto que el fluido proviene del tanque fro de almacenamiento que se encuentra una temperatura constante.Las propiedades del fluido y del aire son dependientes de la temperatura y, por lo tanto, en funcin de la parte de la seccin del colector que se est trabajando se tendrn unas temperaturas u otras. Por ello es preciso definir estas temperaturas que son funcin a su vez de otras temperaturas como la del tubo receptor, la de la carcasa de cristal y la del fluido.Los valores inciales que se van a tomar para estas ltimas tres temperaturas son los siguientes:

(3.26) (3.27)Dondees la temperatura del fluido que se tiene a la entrada al tramo objeto de anlisis,es la temperatura ambiente,es la temperatura del cristal yes la temperatura del tubo receptor.Estas dos ltimas temperaturas son una media entre la cara externa e interna del elemento correspondiente. Sin embargo, las resistencias trmicas tanto del tubo receptor como de la carcasa de cristal tienen un valor muy pequeo, no existiendo mucha diferencia entre ambas caras, exterior e interior. Se puede comprobar que el criterio que se ha seguido a la hora de inicializar estos valores ha sido el de coger un valor medio entre las dos temperaturas ms prximas.2.9.2. PRDIDAS TRMICASLa determinacin de las prdidas trmicas se realiza por medio de la analoga elctrica del sistema del tubo receptor. La energa procedente del Sol incidir en el tubo receptor desde donde se transportar hacia el fluido por medio de fenmenos de conduccin, conveccin y radiacin, teniendo en cuenta las prdidas pticas inherentes al sistema de concentracin. De este modo, se puede tratar al tubo receptor como un cuerpo rodeado por una temperatura ambiente y cuyo fluido interior se encuentra a elevada temperatura. Por lo tanto, existir un flujo de calor hacia el exterior del tubo que es lo que se denominar prdidas del colector.Las resistencias que existen, aparecen desde el interior del tubo receptor hasta el exterior estn representados en la figura.Figura 2.9Resistencias en el tubo absorbedor

Fuente: Elaboracin propiaDe la figura 3.9 detallamos las resistencias que intervienen en la transferencia de calor con el medio exterior:: Resistencia trmica debida a la conveccin interior del fluido.: Resistencia trmica debida a la conduccin del tubo absorvedor.: Resistencia trmica debida a la conveccin entre el tubo absorbedor y el de cristal.: Resistencia trmica debida a la radiacin entre el tubo absorvedor y el de cristal.: Resistencia trmica debido a la conduccin del tubo de cristal.: Resistencia trmica debido a la conveccin entre el tubo de cristal y el ambiente.: Resistencia trmica debida a la radiacin entre el tubo de cristal y el ambiente.Este esquema puede ser simplificado realizando la asociacin de todas las resistencias en una resistencia total, resultando el esquema de la figura 3.10. La temperatura que aparece a la derecha,, es una temperatura equivalente de las temperaturas exteriores comoposteriormente se deducir.Figura 2.10Resistencia total de transferencia de calor

Fuente: Elaboracin propia2.9.3. TEMPERATURA EQUIVALENTE EXTERIOREl calor perdido desde el interior hasta la carcasa de cristal se divide en dos hasta llegar al ambiente. (3.28)Esta ecuacin se puede escribir en trminos de las temperaturas y resistencias trmicas involucradas en el proceso. (3.29) (3.30)Donde, es el paralelo de la resistencia de la radiacin y de conveccin entre el tubo absorvedor y el de cristal, y es la suma de las resistencias interiores. (3.31) (3.32)La temperatura del cristal se puede despejar de la ecuacin 3.30 (3.33)Para calcular la temperatura equivalente exterior es necesario obtener la expresin de la resistencia trmica total por medio de una simple asociacin de resistencias en serie y paralelo. (3.34)Una vez determinado la resistencia trmica total se puede hacer una equivalencia entre el circuito trmico y el circuito simplificado (figura 3.10).

(3.35)Introduciendo la ecuacin 3.33, se obtiene finalmente la temperatura equivalente exterior.

(3.36)Observe que si entonces es similar a esta temperatura.2.9.4. RESISTENCIAS TERMICASEl siguiente paso a realizar es el de obtener las resistencias trmicas que aparecen en el proceso.2.9.4.1. RESISTENCIA DE CONVECCIN DEBIDA AL AIRE EXTERIORLa estimacin de la resistencia trmica de conveccin exterior ser una combinacin entre conveccin natural y conveccin forzada. La conveccin natural se debe a la existencia de una fuerza que ejerce el cuerpo sobre el fluido con gradientes de densidad. La fuerza inducida por el cuerpo procede del campo gravitatorio, mientras que los gradientes de densidad proceden comnmente de gradientes de temperaturas.Para estimar estas prdidas por conveccin se empleara una correlacin que relaciona la conveccin natural con la conveccin forzada. De este modo se tiene en cuenta ambos efectos. En el caso de que uno de ellos no sea predominante quedara reflejado con su aportacin al Nusselt exterior total [24]. (3.37)Donde, es el numero de Nusselt exterior total, es el numero de Nusselt de conveccin forzada y es el numero de Nusselt de conveccin libre o natural.

El valor de est determinado por la geometra del problema. En el caso de cilindros se escoge un valor de . (3.38)Las propiedades necesarias para calcular los parmetros necesarios dependen de la temperatura. Es por ello, que ser necesario definir una temperatura media entre el ambiente y el tubo de cristal con estas dos temperaturas. (3.39)CONVECCIN FORZADALa conveccin forzada depender de la velocidad del viento por medio del nmero de Reynolds. El resultado de este nmero adimencional determinara los coeficientes de la correlacin de Hilpert para calcular el Nusselt de conveccin forzada. (3.40)El nmero de Prandtl ser: (3.41)Donde, y son la densidad, viscosidad, calor especifico a presin constante y conductividad trmica del aire respectivamente, es la velocidad del viento y es el dimetro exterior del tubo de cristal que rodea al tubo absorvedor.La correlacin de Hilpert para calcular el nmero de Nusselt tiene la siguiente forma. (3.42)

Aunque todava no se conoce el valor del , se puede adelantar que estar comprendido entre los valores de 4000 y 40000. Por lo tanto, las constantes tomaran los valores [24].CONVECCIN NATURALLa conveccin natural utiliza el nmero de Grashof como alternativa al Reynolds en conveccin forzada. Relaciona las fuerzas de empuje y las de inercia.

(3.43)Donde es la viscosidad cinemtica del aire, resultado de dividir la viscosidad dinmica por la densidad del aire, y es el valor de gravedad.Con este valor y el se puede obtener el numero de Rayleigh nada ms que multiplicando ambos nmeros adimensionales.

(3.44)Para el caso de un cilindro horizontal como es este caso, el numero de Nusselt de conveccin natural se puede expresar haciendo uso de la correlacin de Churchill y Chu [24]. (3.45)RESISTENCIA TERMICAHaciendo uso de la definicin del se puede calcular la resistencia trmica debida a la conveccin exterior. (3.46)2.9.4.2. RESISTENCIA DEBIDO A LA RADIACIN ENTRE EL TUBO DE CRISTAL Y EL AMBIENTEEl calor perdido a travs del cristal hacia el ambiente es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura. (3.46)

Donde es el rea de la superficie exterior del tubo de cristal, es la constante de Stefan-Boltzmann, es la emisividad del cristal y es la temperatura de radiacin de los alrededores.Esta ecuacin es de aplicacin en el caso de pequeas superficies convexas que estn completamente rodeadas de otras superficies cncavas de superficie mucho mayor [17].En este caso la superficie del tubo de cristal es muy pequea comparada con la superficie del ambiente, que se puede considerar una superficie cncava infinita, con un factor de forma o visin igual a la unidad.Los trminos elevados a la cuarta potencia pueden ser linealizados en trminos de la diferencia de temperatura elevados a la primera potencia.

(3.47)De este modo se puede volver a es la ecuacin 4.46 como sigue:

(3.48)

Despejando, la resistencia de radiacin entre el tubo de cristal y el ambiente para este tipo de geometra, puede ser estimada de la siguiente forma: (3.49)2.9.4.3. RESISTENCIA DEBIDO A LA RADIACIN ENTRE EL TUBO ABSORVEDOR Y TUBO DE CRISTALDel mismo modo, el calor perdido entre el tubo absorvedor y el de cristal se puede escribir como sigue:

(3.50)Esta ecuacin se usa en geometras que tienen cilindros concntricos como es el caso de un colector cilndrico parablico . En este caso, la resistencia de radiacin ser igual a:

(3.51)2.9.4.4. RESISTENCIA DEBIDO A LA CONVECCIN ENTRE EL TUBO ABSORBEDOR Y EL DE CRISTALLa aparicin de esta resistencia viene dada entre el elevado coste de realizar el vacio en el espacio anular del tubo absorvedor y el de cristal. Lo que realmente se hace es bajar la presin sin llegar al vacio absoluto. Tambin hay que sealar la dificultad de poder mantener dichas condiciones a lo largo de toda la vida de la instalacin, por lo que dicho vacio se ir perdiendo y penetrara aire en el espacio comprendido entre ambas superficies.Para el caso de cilindros horizontales en el que el interior esta a mayor temperatura que el exterior se obtiene la siguiente resistencia trmica [24]. (3.52)Donde, es una conductividad trmica efectiva que debe tener el fluido en estado estacionario para transmitir la misma cantidad de calor que transmite el fluido en movimiento. (3.53)Donde: (3.54)El clculo de esta resistencia requiere obtener anteriormente el valor del nmero de Prandtl y de Rayleigh, se opera de igual forma que para obtener la resistencia de conveccin exterior. Para ello se evalan las propiedades necesarias para obtener estos valores a la temperatura media en el espacio anular. (3.55)2.9.4.5. RESISTENCIA DEBIDO A LA CONDUCCIN DEL TUBO ABSORBEDORLa resistencia de conduccin del tubo absorbedor se calcula como la resistencia trmica de un cilindro. (3.56)

2.9.4.6. RESISTENCIA DEBIDO A LA CONDUCCIN DEL TUBO DE CRISTALDel mismo modo que para el tubo receptor, se calcula la resistencia para el tubo de cristal. (3.57)2.9.4.7. RESISTENCIA DEBIDO A LA CONVECCIN INTERIOR EN EL FLUIDOLa resistencia de conveccin interior se calcula por medio de la correlacin de Dittus-Boelter. (3.58)El valor de puede tomar valores de 0.3 o 0.4. La diferencia de la utilizacin de un valor u otro depende de si se est en una situacin de enfriamiento o de calentamiento . Para este caso, aunque aparentemente se est enfriando el fluido por que se est hablando de perdidas, no es realmente cierto ya que la radiacin solar lo calienta, resultando un efecto neto de calentamiento. Por lo tanto, Las propiedades del fluido en este caso se evalan a la temperatura madia del fluido. (3.59) (3.60)Donde, y son la densidad, viscosidad, calor especifico a presin constante y conductividad trmica del fluido respectivamente, es la velocidad del fluido y es el dimetro interno del tubo absorvedor.Haciendo uso de la definicin del se puede obtener la resistencia de conveccin interior. (3.61)

2.9.5. SUPERFICIES DEL TUBO ABSORVEDOR Y EL DE CRISTALPara la determinacin del coeficiente de perdidas es preciso obtener las superficies existentes en el colector. Estas superficies son la del tubo absorvedor, la del tubo de cristal.

El tubo absorvedor, por tratarse de un cilindro, tendr una superficie de: (3.62)

Del mismo modo, para el tubo de cristal se tiene: (3.63)Estas reas se han definido con la longitud del colector, sin embargo, dependiendo a que se est refiriendo, se utiliza dicha longitud o la longitud del tramo si se est integrando la temperatura del fluido tramo a tramo.2.9.6. POTENCIA TILEl clculo de la potencia til y derivada de l, la temperatura de salida del fluido al final de un lazo de colectores hace necesario desarrollar un mtodo que se adapte al proceso fsico que est ocurriendo en el seno de los colectores.El problema que se est tratando se encuentra entre dos modelos diferentes explicados en la teora que se puede consultar en cualquier libro especializado sobre la materia, en este caso Fundamentos de transferencia de calor (Incropera, F.P., 1999) y que ha sido tomado en cuenta a la hora de desarrollar el procedimiento de calculo que a continuacin se detalla.Estos dos modelos son el flujo de calor constante y el de temperatura superficial constante. El primero de ellos tiene en comn con este proyecto que la radiacin solar se supone constante a lo largo de un periodo de tiempo y, por lo tanto, el fluido de calor. Sin embargo, al existir unas prdidas que varan en funcin de la posicin en el lazo de colectores, la realidad no es tan ideal como se cree. El segundo modelo, de temperatura superficial constante, tampoco se adapta a lo que se est estudiando puesto que, la temperatura tambin vara a lo largo del colector.La solucin que se ha optado en este caso es la de asumir una temperatura constante exterior , a largo de un diferencial del tubo absorvedor. De este modo, se puede llevar a cabo un anlisis segn este modelo. Para ello se divide la longitud del colector en tramos en los que se pueda considerar dicha hiptesis. La condicin de contorno entre un tramo y otro es la imposicin de que la temperatura de salida de un tramo es la misma que la de entrada al otro tramo.

Realizando un balance de energa por unidad de longitud de tubo absorvedor se obtiene.

(3.64)Donde, es la potencia procedente del Sol por unidad de longitud y es la potencia perdida por unidad de longitud. (3.65) (3.66)A su vez: (3.67)Puesto que se va a dividir el colector en diferentes tramos para realizar los clculos y poder asumir la hiptesis de temperatura constante, se emplea en la longitud del tramo en cuestin.

Donde, es el flujo msico que circula por el lazo, es el calor especfico del fluido a presin constante, es la temperatura del fluido, es el valor de la radiacin solar por unidad de superficie, es la resistencia total del circuito trmico equivalente simplificado, es la temperatura equivalente exterior y es la longitud del tramo que se est teniendo en cuenta para los clculos, incluyendo la evaluacin de las resistencias trmicas.Esta expresin se pude reorganizar de la siguiente manera para su posterior integracin. (3.68)

(3.69)Donde: (3.70)Para simplificar ms los clculos, se introduce una nueva variable compuesta por la temperatura equivalente exterior y la contribucin de la radiacin solar. (3.71)La utilizacin de esta temperatura equivalente ayudara a simplificar el anlisis trmico del problema por lo tanto: (3.72)Integrando esta ecuacin diferencial 3.69, y teniendo en cuenta la poca variabilidad con la temperatura que existe en el calor especifico. (3.73) (3.74)Esta expresin nos da la variacin de la temperatura a lo largo del tubo absorbedor y permite obtener la temperatura de salida del fluido en el tramo que se est analizando.

Ahora se puede realizar un balance de energa general. (3.75) (3.76)Despejando de la ecuacin 3.74 el producto del caudal msico por el calor especifico y sustituyendo en esta ecuacin se obtiene: (3.77)Llegado a este punto ya se puede obtener las nuevas temperaturas de inters para la nueva iteracin nada ms que haciendo la analoga con el circuito trmico mostrado en la figura 3.9. Para ello es necesario conocer el valor de las perdidas trmicas restando a la potencia procedente del Sol la potencia til. (3.78)La nueva temperatura media del fluido para el siguiente tramo se obtiene como una temperatura media logartmica entre la entrada y al salida.

(3.79)Haciendo uso del valor de las perdidas y de la temperatura media del fluido se puede calcular las dems temperaturas que se emplearan en la toma de datos de partida en la siguiente iteracin. (3.80) (3.81) (3.82) (3.83)

La nueva temperatura del cristal y del tubo absorvedor ser la media entre la interior exterior de ambos elementos. (3.84) (3.85)2.9.7. VELOCIDAD DEL FLUIDO Y CAUDAL MSICOLa velocidad del fluido es otro dato de especial inters. Esta velocidad est condicionada a asegura un rgimen turbulento que permita la correcta refrigeracin de los tubos absolvedores. Sin embargo, tampoco pude ser excesivamente elevada puesto que elevara la perdida de carga y creara un desgaste prematuro en la red de tuberas incrementando los costes por parada y reposicin. Los valores habituales que se tomen para este parmetro suelen estar comprendido entre 1 a 3 m/s.Con el valor de la velocidad, las caractersticas del tubo y la densidad del fluido se puede obtener fcilmente el caudal msico que circula por cada uno de los colectores nada ms que relacionando estos valores entre ellos. (3.86)2.10. CICLO DE POTENCIAAl igual que cualquier otra central trmica, las plantas termosolares convierten una energa en forma de calor en otra energa de forme elctrica. Para realizar este proceso se emplea un ciclo de vapor, transfiriendo la energa desde las sales fundidas a un flujo de agua que es evaporado y expandido en una turbina.El clculo de este ciclo influir de manera significativa en el dimensionamiento de toda la planta, ya que el rendimiento que se obtenga determinara cual es la potencia trmica necesaria en el campo de colectores y por lo tanto, el nmero y disposicin de estos. Los costes asociados al campo solar tienen una gran importancia siendo unos de los ms grandes dentro de toda la instalacin.Con motivo de aumentar la eficiencia de conversin se debe de dotar al ciclo Rankine de un recalentador intermedio y una serie de regeneraciones para aumentar la temperatura del agua que entra al generador de vapor y as aumentar la eficiencia trmica de la conversin de energa trmica en energa elctrica.2.10.1. CICLOEl ciclo empleado en este proyecto se ha tomado de la bibliografa [27]. Este se compondr de una turbina dividida en dos etapas, una de alta presin u otra de baja presin. Entre ambas expansiones el vapor volver a pasar por un intercambiador donde de nuevo elevara su temperatura hasta la temperatura inicial aunque, a una presin inferior.Despus de abandonar la turbina de baja presin, la mezcla de lquido y vapor pasara por un condensador de donde saldr en forma de lquido saturado. A partir de aqu, elevara su presin hasta la presin del generador de vapor, estando en condiciones de volver a realizar el ciclo.Durante la expansin en los cuerpos de alta y baja presin, se realizaran una serie de extracciones a determinadas presiones. Estos pequeos flujos de vapor se envan a unos intercambiadores cerrados donde intercambian su energa con el agua procedente del condensador. Una vez realizado este intercambio la extraccin correspondiente disminuye su presin por medio de una vlvula y se dirige al intercambiador cerrado de la siguiente extraccin, ver figura 3.11.Figura 2.11Bloque de potencia

Fuente: M.J. Montes, Madrid, SpainEn total se tiene seis extracciones intermedias. Una de ellas concretamente la primera que se realiza en la turbina de baja presin, es enviada a un desaireador o intercambiador abierto. En este elemento confluyen todos los flujos del ciclo y es desde donde se bombea el agua hacia el generador de vapor. De este modo, la presin de alta se consigue mediante dos aumentos de presin, uno desde la presin del condensador hasta la presin del desaireador, y otro desde esta ltima presin hasta la presin de alta. Al igual que ocurre a la salida del condensador, a la salida del desaireador se tiene liquido saturado.La funcin de este desaireador abierto es de la eliminacin del oxgeno y otros gases disueltos en el agua de alimentacin, incrementando as la eficiencia del generador de vapor.2.10.2. ESTADOS TERMODINMICOS DEL CICLO DE VAPOREl mtodo de clculo de un ciclo de vapor de estas caractersticas no es de mayor complicacin una vez se han definido los parmetros bsicos con los que se quiere que opere el ciclo. Estos datos son las presiones de alta, de cada extraccin de cada turbina y del condensador. En cuanto a las temperaturas, se tiene que determinar la temperatura de entrada del vapor a la turbina y las temperaturas de los intercambiadores cerrados. Estas ltimas se las define como: Terminal Temperature Difference (TTD) y Drain Cooling Approach (DCA), [27].El TTD se define como la diferencia de temperatura entre la temperatura de saturacin a la presin de extraccin y la temperatura del agua a la salida del intercambiador. Este valor junto con la presin correspondiente, se empleara para determinar los estados termodinmicos del agua de alimentacin a la salida de los intercambiadores cerrados.El DCA se define como la diferencia de temperatura entre la entrada de agua al intercambiador y la salida de vapor procedente de la extraccin. De este modo y junto con las presiones correspondientes se puede calcular las propiedades termodinmicas del vapor a la salida de los intercambiadores.Con estos datos se conocen las presiones y temperaturas de varios puntos necesarios para determinar su estado termodinmico. En otros casos nicamente se tendr uno de estos valores, siendo la otra condicin la de lquido saturado. En el peor de los casos solamente se dispondr de un valor, necesitando hacer uso de los resultados del punto anterior y en algunos casos del rendimiento isentrpico de la turbina o de la bomba.En el caso de los puntos procedentes de una expansin o compresin se tendr que realizar la correspondiente transformacin desde el estado isentrpico s hasta el estado real con el rendimiento isentrpico de la turbina o de la bomba implicada en cada caso. (3.87) (3.88)Donde es la entalpia especfica del punto termodinmico es cuestin, es el rendimiento isentrpico de la turbina y de la bomba.2.10.3. FRACCIONES MSICAS EN CADA ELEMENTOPara calcular las facciones msicas que recorren cada elemento nicamente es necesario realizara un balance de energa en cada uno de los intercambiadores. Los subndices que acompaan a cada fraccin msica corresponden a los puntos termodinmicos. Antes de ello es necesario definir la fraccin msica como: (3.89)Una vez definida, se puede pasar a realizar dichos balances: (3.90) (3.91) (3.92) (3.93) (3.94) (3.95)Por el momento se tiene seis ecuaciones, una por cada intercambiador y siete incgnitas. La ecuacin que falta para poder resolver el sistema se obtiene de la continuidad de las fracciones msicas, es decir la suma de todas ellas debe ser igual a la unidad. (3.96)Por lo tanto haciendo uso de los valores calculados en el aportado anterior y del sistema de ecuaciones se pueden obtener las fracciones msicas de cada extraccin.2.10.4. POTENCIA ESPECFICA Y CAUDAL MSICO TOTALLas potencias especficas de cada elemento se pueden extraer nada ms que haciendo un sencillo balance de energa en cada uno de ellos. De este mtodo se tiene:Turbina: ser la suma de las potencias extradas en cada una de las expansiones realizadas en la turbina.

(3.97)Condensador: (3.98)

Bombas: al igual que para la turbina, ser la suma de la potencia especifica consumida en cada una de las bombas. (3.99)Generador de vapor: puesto que se tiene dos generadores de vapor, uno principal y otro para el recalentamiento despus de la primera expansin en la turbina de alta, habr que sumar dichas potencias para obtener la po