UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE
BASADRE GROHMANN
CENTRO DE ENERGÍAS RENOVABLES DE
TACNA (CERT)
EVALUACION DE UN
CONCENTRADOR CILÍNDRICO
PARABOLICO (CCP)
CARLOS POLO BRAVO
ELISBAN J. SACARI SACARI
INTRODUCCION
El presente trabajo muestra el proceso de
evaluación de un Concentrador solar
Cilíndrico Parabólico (CCP), en las
instalaciones del Centro de Energías
Renovables de Tacna (CERT)
COLECTORES DE CONCENTRACION
Los colectores solares de concentración o
colectores focales, utilizan el principio óptico
de reflexión o de refracción para concentrar
la radiación solar sobre una superficie
receptora antes de transformarla en energía
térmica.
Se diferencia de un colector plano en que
este último transforma la energía radiante en
energía térmica de forma inmediata
TIPOS DE COLECTORES DE CONCENTRACION
Concentradores cilíndrico parabólicos
Concentrador de receptor central.
Concentrador de disco parabólico
Stirling
Concentrador tipo Fresnel
PARTES DE UN CCP
El reflector cilindro
parabólico
El tubo absorbente
La estructura
metálica
El sistema de
seguimiento del sol
X
OPTICA DE CONCENTRADORES
FACTOR DE CONCENTRACION
X = área de abertura/ área
del tubo absorbente
EXTRACCION DE ENERGIA TÉRMICA
DATOS A CONSIDERAR
. .  .  = .   4 − 4 .  +   −  .  + 
Donde:
α : Absortancia solar de la superficie absorbente.
ε : Emitancia infrarroja de la superficie absorbente.
σ : 5,67 x 10-8 W/m²K4 (constante de Boltzman).
T : Temperatura del absorbente.
Ta: Temperatura ambiente.
U : Coeficiente de transferencia de calor caracterizando las perdidas del
absorbente por conducción y convección hacia el ambiente.
Ar : Área del absorbedor.
: Calor útil extraído a la temperatura T del concentrador.
CONVERSION DE CALOR EN EL CONCENTRADOR
CILINDRICO PARABOLICO (CSCP)
El CSCP transforma la radiación solar en energía térmica
mediante la concentración de la radiación solar a lo largo
de su foco lineal, por lo tanto es necesario establecer cual
es la capacidad del sistema de generar calor en el
absorvedor o receptor para obtener altas temperaturas
para aplicaciones posteriores
Para obtener la ecuación de la eficiencia térmica de un
concentrador solar, se empieza a partir de la ecuación del
balance energético para un colector solar, que relaciona
las ganancias y pérdidas en el absorvedor (tubo
absorbente)
BALANCE ENERGÉTICO EN EL CSCP
Los flujos energéticos mencionados se definen por:
Significado de las abreviaciones
Qútil
= Potencia útil [W]
Qpérdidas = Potencia perdida por radiación, convección y conducción [W]
Qsol
= Energía solar incidente sobre el área del tubo absorbente
Qabsorbido = Potencia absorbida por el área de absorvedor negro [W]
Tamb
= Temperatura ambiente [° C]
Te, Ts
= Temperatura de entrada y salida del fluido [° C].
Gt
= Radiación solar directa [W/m2]
Aabertura = Área de abertura del colector
Atubo absorbente = Área del tubo absorbente [m2].
m
=Flujo másico del fluido caloportador [kg/s].
α τ = Eficiencia óptica (producto de la absortancia * transmitancia)
EL MÉTODO ESTACIONARIO PARA LA MEDICIÓN
DE LA EFICIENCIA ÓPTICA
VIENE DADO POR:
COEFICIENTE GLOBAL DE PERDIDAS
VIENE DADO POR:
EVALUACION
PERDIDAS DEBIDAS A LA INCLINACION DEL CONCENTRADOR
DETERMINACION DE LA EFICIENCIA OPTICA
Para la determinación de la eficiencia
óptica del CCP, se llena el tubo
absorbente con agua fría, a una
temperatura inferior a la temperatura
ambiente (Te << Tamb); para ello se
usa hielo.
El agua fría ingresa a temperatura
Te, por un extremo del tubo
absorbente como se muestra en la
figura, y con una llave paso se regula
el flujo de agua.
El agua sale a temperatura Ts del
tubo absorbente, y es dirigida por
medio de una manguera a un
recipiente.
DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE GLOBAL DE
PÉRDIDAS DE CALOR: (UL)
Armamos el esquema de la Figura y
mantenemos funcionando el termostato,
calentando el agua a una temperatura de
70 ºC, por lo menos una hora hasta que la
temperatura se estabilice, luego se miden
las temperaturas de entrada y salida del
tubo absorbente, simultáneamente, se
mide la temperatura del ambiente de
trabajo (Tamb), el flujo volumétrico (m ).
Se determina la temperatura promedio
(Tm) entre las temperaturas de entrada y
salida del agua del tubo absorbente, se
mide el área del tubo absorbente (Aabs), y
finalmente se calcula UL según la
ecuación (23); el trabajo se realiza en
oscuridad.
DETERMINACIÓN DE LA EFICIENCIA TÉRMICA
Con la determinación de la eficiencia óptica y
el coeficiente global de pérdidas, obtenemos
la siguiente relación
El factor de concentración del concentrador es
X = Aabertura / Atubo absorbente ,
esta
operación
la
realizamos
para
determinación de la eficiencia térmica del
concentrador para los casos donde el tubo
absorbente esta con y sin el cobertor de vidrio.
RESULTADOS
CARACTERISTICAS
DEL
PARABÓLICO EVALUADO
CONCENTRADOR
CILINDRICO
Características
- La superficie reflectante es de aluminio anodizado de alto
coeficiente de reflexión.
– El receptor o tubo absorbente es de aluminio pintado con
pintura negro mate para aumentar la capacidad de absorción
de calor, tiene un radio de 1,27 cm (½”).
– El cobertor
de vidrio empleado fue hecho de focos
fluorescentes y colocadas concéntricamente al tubo absorbente
para evitar perdidas de calor por convección del calor al medio
ambiente.
– El área de abertura del concentrador cilíndrico parabólico es de
2,662m².
Tubos fluorescentes
tubo absorbente con el cobertor de vidrio
FACTOR DE CONCENTRACION
AREA EFICIENTE DE LA SUPERFICIE REFLECTANTE
SABIENDO QUE :
El área reflectante es:
Donde:
AR: Área de la superficie reflectante [m²]
LC: lado curvo [m]
Lr: lado recto [m]
L: longitud del concentrador [m]
Entonces tenemos que AR = 3,025m²
AREA EFICIENTE DEL DE LA SUPERFICIE REFLEJANTE
el 12% del área reflectante
(0,363m²) es deficiente debido a
deformaciones
en
toda
la
superficie reflectante (ver partes
amarillas), sumándole un 5,45%
de
superficie
reflectante
(0,1648m²) que se pierde debido
a un ángulo de incidencia de la
radiación solar mayor o menor a
la normal del concentrador,
haciendo un total de un 17,45%
de área reflectante que se pierde
(0,5278 m²) debido a estos dos
tipos
de
perdidas
ópticas,
quedándonos un área de trabajo
de 2,4971m² (82,55% del área
total del concentrador).
CALCULO DE LA EFICIENCIA OPTICA
a)
b)
a) equipo armado para la medición de la eficiencia
óptica, tubo absorbente sin el cobertor de vidrio.
(b) equipo armado para la medición de la eficiencia
óptica, tubo absorbente con el cobertor de vidrio
RESULTADOS
DETERMINACION DE LA EFICIENCIA
OPTICA (TUBO ABSORBENTE SIN EL
COBERTOR VIDRIO)
DETERMINACION DE LA EFICIENCIA
OPTICA (TUBO ABSORBENTE CON EL
COBERTOR VIDRIO)
Temperatura de entrada Te (ºC)
23,00
Temperatura de entrada Te (ºC)
22,70
Temperatura de salida Ts ( ºC)
24,80
Temperatura de salida Ts ( ºC)
25,30
Temperatura ambiente Tamb (ºC)
23,90
Temperatura ambiente Tamb (ºC)
24,00
Radiación Solar Gt (W/m2)
801,49
Radiación Solar Gt (W/m2)
973,78
Calor específico del agua c( kJ/kg
ºC)
4,19
Calor específico del agua c( kJ/kg
ºC)
4,19
Área del tubo absorbente (m2)
0,50
Área del tubo absorbente (m2)
0,50
Flujo de agua m (kg/s)
Eficiencia óptica ατ
0,0294
0,5527783
Flujo de agua m (kg/s)
Eficiencia óptica ατ
0,0316
0,706364
4
CALCULO DEL COEFICIENTE GLOBAL DE PERDIDAS
(a)
(b)
(a) equipo armado para la medición del coeficiente global de
pérdidas, tubo absorbente sin el cobertor de vidrio. (b) equipo
armado para la medición del coeficiente global de pérdidas, tubo
absorbente con el cobertor de vidrio.
RESULTADOS
COEFICIENTE GLOBAL DE PERDIDAS
PARA EL TUBO ABSORBENTE SIN EL
COBERTOR DE VIDRIO
COEFICIENTE GLOBAL DE
PERDIDAS PARA EL TUBO
ABSORBENTE CON EL COBERTOR
DE VIDRIO
Temperatura de entrada Te( ºC )
68,65
Temperatura de salida Ts (ºC)
67,82
Temperatura de entrada Te( ºC )
69,81
Temperatura media Tm (ºC)
68,235
Temperatura de salida Ts (ºC)
69,35
Temperatura ambiente T amb ( ºC)
20,29
Temperatura media Tm (ºC)
69,58
19,19
Calor específico del agua c
(KJ/kg ºC)
Temperatura ambiente T amb ( ºC)
4.19
Calor específico del agua c
(KJ/kg ºC)
4.19
Flujo de agua m (kg/s)
0,083
Flujo de agua m (kg/s)
0,083
Área del tubo absorbente
A tubo absorbente (m2)
0,1931
Área del tubo absorbente
A tubo absorbente (m2)
0,1931
UL (W/m2 ºC)
31,147
UL (W/m2 ºC)
16,421
DETERMINACION DE LA EFICIENCIA TERMICA
CALENTAMIENTO DE UN RECIPIENTE DE AGUA
(a)
(b)
Sistema para calentamiento de agua (a) Tubo absorbente sin el
cobertor de vidrio. (b)Tubo absorbente con el cobertor de vidrio.
RESULTADOS
CURVA DE CALENTAMIENTO DEL AGUA DENTRO
DEL RECIPIENTE DE ALMACENAMIENTO (TUBO
ABSORBENTE SIN COBERTURA DE VIDRIO)
, RADIACION PROMEDIO 853 W/m²
70
50
40
30
20
T (ºC) Recipiente
10
0
12:16:30
12:24:30
12:32:30
12:40:30
12:48:30
12:56:30
13:04:30
13:12:30
13:20:30
13:28:30
13:36:30
13:44:30
13:52:30
14:00:30
14:08:30
14:16:30
14:24:30
14:32:30
14:40:30
Tempertura ( ºC)
60
16 septiembre del 2008
CONCLUSIONES
Se concluye que debido a las deformaciones y al ángulo de incidencia
diferente a la normal del área de abertura, el área eficiente es solo el
2,19m² del área total de abertura (2,93m²), lo que disminuye el factor de
concentración del concentrador cilíndrico parabólico.
La eficiencia óptica obtenida con el tubo absorbente sin el cobertor de
vidrio es 55% y con el tubo absorbente con cobertura de vidrio es 71%),
con lo cual la eficiencia del concentrador, aumenta en un 27,7% con
cobertor, toda vez que el cobertor de vidrio disminuye las pérdidas de
calor por convección y radiación desde el tubo absorbente al ambiente
conclusiones
El coeficiente global de perdidas del tubo absorbente sin cobertura de
vidrio es de 31,15 W/m2 ºC, en comparación con el tubo absorbente que
cuenta con cobertura de vidrio el cual es de 16,43 W/m2 ºC, casi el doble
de perdidas de calor al ambiente que el que si cuenta con la cobertura
de vidrio.
La eficiencia térmica obtenida con el concentrador, con la cobertura de
vidrio es 27 % mayor a la otra.
SUGERENCIAS
Para aumentar la eficiencia del concentrador cilíndrico
parabólico se debe mantener en todo momento que la
radiación incidente al concentrador sea perpendicular al
área de abertura, para ello es conveniente evaluar el
sistema con un sistema de seguimiento de sol.
Uno de los principales factores que se debe tomar en
cuenta al construir un concentrador cilíndrico parabólico
es la estructura de la misma, ya que es un factor
importante para aprovechar la radiación del medio.
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evaluacion de un concentrador cilíndrico parabolico (ccp)