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DISENO, CONSTRUCCION, CONTROL Y AUTOMATIZACION DE UN CONCENTRADOR SOLAR CILINDRO-PARABOLICO

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(1)

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA

MECANICA Y ELÉCTRICA

DISEÑO, CONSTRUCCIÓN, CONTROL Y

AUTOMATIZACIÓN DE UN CONCENTRADOR SOLAR

CILINDRO-PARABÓLICO

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE

INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

P R E S E N T A

TANIA MENDIETA CRUZ

E

INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

P R E S E N T A

IRVING ELEAZAR PÉREZ MONTES

ASESORES: M. EN C. CANDIDO PALACIOS MONTÙFAR DR. RUPERTO OSORIO SAUCEDO

(2)
(3)
(4)

II.-RESUMEN

III.-CONTENIDO

CAPITULO I: CONCENTRACIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR

Introducción………...2

Sistemas Termosolares de Concentración………...4

Concentradores………..5

Aplicaciones de los Concentradores Cilindro Parabólicos………..15

Evaluación del recurso solar en México………..16

CAPITULO II: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN CONCENTRADOR SOLAR CILINDRO PARABÓLICO. Introducción……….22

Definición de parábola….………...23

Aspectos a considerar para el diseño del Concentrador………..28

Código del programaperfil.mde MATLAB………...31

Diseño estructural del Concentrador solar Cilindro- Parabólico……….33

Construcción de la estructura de soporte……….37

Instalación de la superficie reflejante………..40

Tubos receptores en el foco de la parábola………..42

(5)

Seguidor solar...………..49

Diseño y construcción de un sensor solar……….………..…49

Funcionamiento del sensor solar………...………..50

Sistema de posicionamiento del concentrador………....53

Sensor de posición angular del concentrador solar...………..56

CAPITULO IV CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN DEL SISTEMA TERMOSOLAR Integración del Sistema Termosolar………....61

Condiciones de operación del sistema……….…...63

Diagramas de tubería e instrumentación………...64

Componentes del controlador PLC100...67

Diseño del sistema de control electrónico...68

Circuito de potencia………...72

CAPITULO V RESULTADOS OBTENIDOS DEL FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA TERMOSOLAR Análisis de los resultados obtenidos………..77

Resultados de temperatura………82

Aspectos económicos de la energía solar………...…87

Amortización del coste de instalación de la energía solar………...88

IV.-CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

V.-REFERENCIAS

(6)

Parabólico, para calentamiento de agua de una casa de huéspedes.

OBJETIVOS PARTICULARES:

1. Desarrollo del sistema de control para el posicionamiento automático de un concentrador solar cilindro-parabólico.

2. Diseño, construcción e instalación de un seguidor solar.

3. Desarrollo de la automatización del sistema termosolar.

JUSTIFICACIÓN:

Es importante el uso de energías alternativas que contribuyan al ahorro en el consumo de combustibles y de energía eléctrica desarrollando tecnología propia que evite la generación de contaminantes y coadyuven a la preservación del medio ambiente.

(7)

automatización de un concentrador solar cilindro parabólico de 13m de largo por 3m de ancho para calentamiento de agua dentro de un sistema termosolar, además se ha dispuesto de un tinaco térmicamente aislado para mantener la temperatura adecuada del agua.

(8)

CAPITULO I

CONCENTRACIÓN DE LA

(9)

Introducción

El mundo necesita una fuente de energía que sea pura, inagotable, segura, fácilmente accesible y gratuita para todos aquellos que posean el medio de emplearla. Tenemos ya tal fuente de energía, “ El sol”, figura 1.1.

Figura 1.1 El sol como fuente inagotable de energía.

La energía solar es la fuente permanente de energía más abundante que se conoce. La cantidad de esta energía interceptada por nuestro planeta es de 170 billones de kW, una cifra 5.000 veces mayor que la suma de todas las demás energías (terrestre, nuclear, geotérmica y gravitacional de la tierra y de la luna). De esta cantidad, el 30 % es reflejado al espacio, el 47 % convertido en calor a baja temperatura y vuelto a radiar al espacio, y el 23 % acciona el ciclo de evaporación-transpiración de la biosfera; menos del 1/2 % está representado en la energía cinética del viento y de las olas y en el almacenamiento fotosintético de las plantas.

(10)

Bajo la denominación genérica de Sistemas Termosolares de Concentración (STC) se agrupan una serie de sistemas basados en distintas tecnologías concebidas para la conversión de la componente directa de la radiación solar en otra forma de energía, apta para su utilización inmediata o para su almacenamiento, mediante el uso de concentradores.

Los Sistemas Termosolares de Concentración son, entre los sistemas basados en el aprovechamiento de las energías renovables, uno de los de mayor potencial de contribución a la satisfacción de la demanda energética, especialmente en las regiones situadas en el llamado cinturón solar. Además, constituyen el medio más económico para la generación de electricidad a partir de la energía solar.

Conceptualmente, una CETS (Central Energética Termosolar) se compone de un sistema

colector,unsistema receptory un sistema de conversión de potencia,pudiendo además incluir un sistema de almacenamiento térmicoy unsistema de combustible fósil(Figura 1.2).

La función del sistema colector es captar y concentrar la radiación solar sobre el receptor, donde la energía radiante se convierte en energía térmica, que finalmente, se convierte en otra forma de energía para su utilización (por ejemplo, energía eléctrica) en el sistema de conversión de potencia.

La radiación solar en una CETS puede complementarse con el aporte energético de un combustible fósil, dando lugar a las centrales conocidas como híbridas. El grado de

(11)

Figura 1.2. Esquema general de una Central Energética Termosolar (CETS)

SISTEMAS TERMOSOLARES DE CONCENTRACIÓN

Los sistemas termosolares de concentración se caracterizan por el uso de dispositivos que redireccionan la radiación solar incidente sobre una determinada superficie “superficie de

captación, AC”, y la concentran sobre una superficie de menor tamaño “superficie absorbedora, AABS o simplemente, absorbedor. El cociente de las áreas de estas dos

superficies se denomina razón de concentración geométrica,Cg.

ABS C g

A A

C  (1.1)

Los Sistemas Termosolares de Concentración permiten un aprovechamiento más eficiente de la energía solar que los sistemas no concentradores.

(12)

C ON C E N T R A D O R E S

Son dispositivos en los que se obtiene alta densidad de energía (radiación concentrada) sobre un absorbedor, suficiente para lograr temperaturas mayores de 200 °C, pudiéndose llegar hasta 3 800 °C. Para lograr altas concentraciones (arriba de 100) se requieren mecanismos muy precisos para seguir el movimiento virtual del Sol.

Los concentradores estacionarios se caracterizan por su concentración: mayor de 1 y menor de 10; no requieren un seguimiento preciso sino sólo un ajuste ocasional a lo largo del año. En cambio, los concentradores con razón de concentración dentro del intervalo de 10 a 3 000 necesitan que sus curvaturas geométricas sean muy precisas, al igual que su mecanismo seguidor. Algunas definiciones necesarias para entender los concentradores solares son[1]:

Radiación solar: Energía radiante recibida del Sol en su forma directa y difusa. La

componente directa es la que se recibe directamente del Sol sin haber sufrido ninguna desviación en su trayectoria; la difusa se debe a su dispersión al atravesar la atmósfera y reflexión sobre la Tierra.

Colector solar: Dispositivo que absorbe la radiación solar y transfiere su energía a un

fluido.

Concentrador: Dispositivo que concentra la componente directa de la radiación solar

sobre un absorbedor.

Absorbedor: Componente de un dispositivo solar que tiene como función captar y

retener la mayor cantidad de radiación solar.

Área del absorbedor:Área que recibe la radiación concentrada.

Área de apertura:Área del captador que intercepta la radiación solar.

Razón de concentración: Se define como el cociente entre el área de apertura

(13)

Ángulo de aceptancia: Amplitud de la zona angular dentro de la cual la radiación es

captada por el absorbedor de un concentrador. Por ejemplo, el valor mínimo de aceptación es del orden de 1/2° y se debe al tamaño finito del Sol, mientras que un colector plano tiene un ángulo de aceptación de 180°.

Ángulo de borde: Angulo formado por el eje de un concentrador (tipo parabólico) y la

línea imaginaria que va desde su borde al punto focal.

Absortancia:Razón de la radiación solar absorbida a la radiación incidente.

Emitancia: Razón de radiación emitida por la superficie de un cuerpo a la radiación

emitida por un radiador perfecto a la misma temperatura.

Eficiencia óptica de un colector: Razón de la energía captada por el colector solar a la

energía solar incidente sobre el colector.

Helióstato: Dispositivo que sirve para reflejar la componente directa de la radiación solar

sobre un blanco fijo.

Reflejancia: Razón de radiación reflejada de un material a la radiación incidente sobre el

mismo.

Reflejancia especular: Esta consiste cuando una fracción de la energía entrante incide

sobre un espejo con un ángulo de incidencia particular, entonces ésta es reflejada dentro de un cierto ángulo sólido que estará centrado alrededor de un rayo saliente con un ángulo igual al de incidencia respecto de la normal.

Factor deforma: Razón de la energía (radiación) incidente sobre el absorbedor a la

radiación directa incidente sobre el área de apertura del concentrador.

Transmitancia: Razón de la energía radiante transmitida por un material dado a la energía

solar incidente.

Eficiencia óptica de un colector: Razón de radiación que recibe la apertura de un colector

(14)

Ventajas del empleo de concentradores

1. La cantidad de energía colectada sobre la superficie de absorción por unidad de área se aumenta, con lo cual se pueden alcanzar altas temperaturas aprovechables en algún ciclo termodinámico o en dispositivos termoiónicos, termoeléctricos, u otros.

2. Reduciendo las pérdidas de calor al utilizar un absorbedor de menor área no sólo se mejoran las eficiencias térmicas sino que también se reducen efectos transitorios, ya que la masa térmica es mucho más pequeña que en colectores planos.

3. Los costos se reducen pues se reemplaza un absorbedor costoso por un área reflectora o menos costosa y más duradera.

4. Se pueden obtener altas temperaturas incluso en invierno.

Desventajas del empleo de concentradores

1. Trabajan sólo con la componente directa de la radiación solar, quedando restringida su utilización a lugares de alta insolación.

2. La calidad óptica de la superficie reflectora requiere mantenimiento y protección intensiva contra su exposición a la intemperie.

3. Cuanto más alta es la temperatura a la cual la energía va a ser entregada en un concentrador, mayor deberá ser la razón de concentración; para lograr esto, la geometría del concentrador necesita ser la más precisa posible, así como del sistema que permite seguir al Sol, lo que se ve reflejado en el costo del sistema termosolar.

Clasificación

Los concentradores se pueden clasificar según las siguientes características:

 Temperatura de operación;

(15)

Los concentradores menos complejos son los que no requieren seguimiento continuo del Sol; éstos tienen un ángulo de aceptancia muy grande, concentración baja y diseño con base en alguna curvatura sencilla; su orientación debe ser en dirección este-oeste (E-W) a fin de obtener mejor aprovechamiento de los ángulos de aceptancia grandes; las concentraciones pueden llegar hasta 10 con un tiempo de captación del orden de 7h, con ajuste una vez al día.

Desde el punto de vista tecnológico, y atendiendo a las características de la parte solar, existen diversas opciones para emplear en una CETS, entre las principales tenemos:

 Concentrador solar cilindro parabólicos (CCP), figura 1.3a.  Concentrador de receptor central (CRS), figura 1.3b.

 Discos parabólicos o paraboloides de revolución (DP), figura 1.3c.

( a ) ( b )

( c )

(16)

Sistemas de concentradores cilindro -parabólicos

Uno de los sistema s que más se ha desarrollado en los últimos años es el concentrador cilíndrico-parabólico (CCP), este está compuesto básicamente por un espejo cilindro parabólico que refleja la radiación solar directa concentrándola sobre un tubo receptor colocado en la línea focal de la parábola. La radiación solar concentrada produce el calentamiento del fluido que circula por el interior del tubo receptor. La Figura 1.4 muestra un esquema de un CCP e ilustra su modo de funcionamiento. Los CCP son, pues, colectores solares de concentración con foco lineal, que pueden operar eficientemente hasta temperaturas del orden de 450 ºC.

Figura 1.4. Funcionamiento de un Concentrador solar Cilindro Parabólico

Componentes principales de un Concentrador Cilíndrico Parabólico

Los elementos principales de un CCP son:  El reflector cilindro-parabólico,

 El tubo absorbente

(17)

El reflector cilindro-parabólico

Es el componente más importante de un concentrador cilindro parabólico ya que su misión del reflector cilindro parabólico es reflejar y concentrar sobre el tubo absorbente la radiación solar directa que incide sobre su superficie. Se trata en definitiva de un espejo curvado en una de sus dimensiones con forma de parábola, que concentra sobre su línea focal toda la radiación solar que atraviesa su plano de apertura. Figura 1.5.

Figura 1.5 Espejos reflejantes de un concentrador

cilindro- parabólico

El tubo absorbente

(18)

Figura 1.6. Esquema de un tubo absorbente típico de un colector

Cilindro-parabólico.

Por el interior del tubo receptor circula el fluido de trabajo. El tipo de fluido que se utiliza en los CCP depende de la temperatura máxima de operación. Si las temperaturas que se desean son moderadas (<200ºC), se puede utilizar agua desmineralizada, o una mezcla con

Etileno-Glicol, como fluido de trabajo. En cambio, se utiliza aceite sintético en aquellas aplicaciones donde se desean temperaturas más altas ( 200ºC < T < 450ºC).

El sistema de seguimiento del sol

(19)

Figura 1.7. Seguimiento solar típico de un CCP con orientación Norte-Sur.

El movimiento del colector está gobernado por un control electrónico de forma que el colector esté siempre perfectamente enfocado hacia el Sol. En los campos de CCP, varios colectores se unen en serie para formar filas que, a su vez, se conectan en paralelo hasta conseguir la potencia térmica deseada. En general en los sistemas que están operando actualmente, el absorbedor y el concentrador pueden o no girar simultáneamente; el objetivo principal es que exista un buen enfoque sobre el tubo absorbedor que se encuentra a lo largo del foco de la parábola. Las concentraciones en dichos sistemas están en el intervalo de 15 a 50, con un tubo absorbedor y las temperaturas de trabajo alcanzables entre 200 y 350ºC con tubo de cristal al vacío.[1]

La estructura metálica

(20)

Figura 1.8. Vista de la estructura del colector EUROTROUGH

Sistemas híbridos

La hibridación con combustibles fósiles o renovables constituye sin duda la vía más razonable para la penetración de las tecnologías termosolares en el mercado, ya que:

 Reduce la percepción de riesgo de los posibles inversores y entidades financieras.  Proporciona un camino progresivo para la sustitución, en mayor o menor grado, de los combustibles fósiles por energía solar.

(21)

Si s t e ma s de r e c ep to r c e nt ra l

Los STCS de receptor central (SRC) se caracterizan porque el sistema colector está compuesto por un grupo, más o menos numeroso, de concentradores individuales llamados helióstatos, que dirigen la radiación solar concentrada hacia un receptor central, normalmente situado a una cierta altura sobre el suelo en una torre. Figura 1.9.

Figura 1.9. Concentrador solar de receptor central.

Los SRC son, por tanto, STCS que concentran la radiación solar en tres dimensiones, por lo que pueden alcanzar un valor elevado de la razón de concentración y, por tanto, operar eficientemente hasta elevadas temperaturas (por encima de 1000ºC).

D i s co s p a r a bó l i co s

(22)

Los sistemas de discos parabólicos (DP), como se observa en la figura 1.10 se componen básicamente de un reflector (o un conjunto de reflectores) con forma de paraboloide de revolución, un receptor situado en el foco de dicho paraboloide y un sistema de generación eléctrica compacto (motor o turbina más alternador), que suele formar un solo bloque con el receptor. La radiación solar concentrada por el paraboloide incide sobre el receptor, donde se convierte en energía térmica que permite generar electricidad –trabajo mecánico-en el sistema gmecánico-enerador.

Los DP se caracterizan por un alto rendimiento, modularidad y autonomía. Actualmente se encuentran en fase de desarrollo.

El grado de desarrollo de las distintas opciones de CETS es diverso. Mientras que los sistemas de colectores cilindro-parabólicos se encuentran en una etapa cercana a la madurez. Tanto los sistemas de receptor central como los de paraboloides de revolución se encuentran aún lejos de su viabilidad comercial, no habiendo superado claramente la etapa de demostración tecnológica.

Las aplicaciones de los concentradores solares cilindro-parabólicos pueden englobarse

en los siguientes apartados:

 Calentamiento de agua potable o tratada para los requerimientos de uso general en: Industrias, Condominios, Hoteles, Restaurantes, Oficinas, Centros recreativos y deportivos, Escuelas.

 Una de las principales posibles aplicaciones de los concentradores es en procesos industriales, para producir calor a temperaturas entre 100 y 300 °C.

 Aplicaciones energéticas, como la ya comentada generación de electricidad.  Desalinización de agua de mar.

(23)

EVALUACIÓN DEL RECURSO SOLAR EN MÉXICO

Cualquier aplicación de la Energía Solar requiere una evaluación del recurso solar. Por evaluación del recurso solar se entiende la determinación (de preferencia a partir de mediciones) de la cantidad de energía solar disponible para ser utilizada en una aplicación.

Como diferentes tipos de sistemas solares utilizan diferentes componentes de la radiación solar, dicha evaluación puede significar cosas un poco diferentes dependiendo de la aplicación. Del mismo modo, el nivel de detalle con que se requiere conocer estas componentes puede ser bastante diferente de una aplicación a otra.

En cuanto a componentes de la radiación solar, desde el punto de vista de las aplicaciones actuales conviene distinguir dos: la radiación solar directa y la radiación solar difusa. La primera es la radiación solar que llega a la superficie de la tierra directamente del disco solar (en línea recta), pero atenuada en su intensidad por la acción de la atmósfera. La segunda es la radiación que ha sido dispersada (esparcida) por las componentes de la atmósfera, de modo que llega a la superficie desde diferentes puntos de la bóveda celeste, pero no del disco solar. Estas dos componentes conforman lo que se conoce como la radiación solar global, o hemisférica. Aunque todos los colectores solares tienen capacidad de utilizar la radiación directa, su capacidad de usar radiación difusa depende del factor de concentración de la radiación que los caracteriza.

Específicamente un colector con factor de concentración C utiliza una fracción 1/C de la

(24)

El parámetro básico y que más comúnmente se mide es la radiación solar global que incide sobre una superficie horizontal, medición que se expresa en términos de su irradiancia (densidad de flujo de energía de radiación en W/m²;. Después de la radiación global horizontal los parámetros que siguen en importancia son la radiación solar difusa y la directa, cuya medición también se expresan en términos de su irradiancia dada en W/m²; sin embargo estas cantidades se miden en mucho menos sitios que la radiación global.

Medición de la radiación solar en México

Varios trabajos a lo largo de los últimos 20 años han presentado información sobre los niveles de radiación solar que inciden en la República Mexicana. En 1991 el Programa Universitario de Energía de la UNAM publicó el Atlas de Radiación Solar para México con base en la información satelital. Ese mismo año, la Universidad de Colima y la Universidad Veracruzana, publicaron el Atlas Solar de la República Mexicana también a partir de información satelital. En este trabajo se reporta que en el 5% del país se reciben niveles de radiación solar de menos de 400 cal/cm2-día en promedio, en el 57% entre 400 y 500

cal/cm2-día y en el 38% más de 500 cal/cm2-día. Este documento presenta información de

la irradiación solar global media diaria, la irradiación solar directa media diaria y la irradiación solar difusa media diaria.

En el año 2000, el Instituto de Investigaciones Eléctricas elaboró los mapas de radiación solar global, directa y difusa empleando información generada más recientemente que la mencionada en el párrafo anterior. En la Figura 1.11, se presenta la irradiación solar anual del país expresada en unidades de kWh/m2-día, y como se puede observar, la irradiación

media anual en nuestro país es del orden de los 5 kWh/m2 -día. Cabe aclarar que esta

(25)

Fig. 1.11 Irradiación solar media anual. Fuente: Una Visión al 2003 de la Utilización

de las Energías Renovables en México, UAM, 2005 México

Cabe aclarar que esta información básicamente es útil para orientar sobre grandes zonas en cuanto a la magnitud de la radiación solar.

(26)

Aprovechamiento del recurso solar en el estado de Morelos y el Distrito Federal, a

través de concentradores solares cilindro-parabólicos.

Se tienen las siguientes mediciones de insolación en el pueblo de Huesca, en el estado de Morelos, y Ciudad Universitaria, en el Distrito Federal, teniendo ambos lugares aproximadamente la misma latitud (19.5 º N) pero diferente insolación, debido al medio ambiente y condiciones climatológicas distintas en ambos lugares.

Se estimaron los siguientes valores promedio de la radiación solar directa sobre el plano horizontal (Gdh prom)durante 6 horas (de 9 a 15 horas, tiempo solar) para esos lugares en dos

épocas del año:

a) Distrito Federal

Verano, Gdh prom = 500 W/m2

Invierno, Gdh pro. = 310 W/m2

b) Huesca, Morelos

Verano, Gdh prom = 800 W/m2

Invierno, Gdh prom = 600 W/m2

(27)

Figura 1.13. Radiación solar directa en el plano horizontal y en los planos de

captación de concentradores cilindro-parabólicos orientados este-oeste y norte-sur en

(28)

CAPITULO II

DISEÑO Y

CONSTRUCCIÓN DE UN

CONCENTRADOR SOLAR

(29)

Introducción

La conversión de la energía solar en calor mediante concentradores comprende tecnología bien conocida. La complejidad de los dispositivos de conversión depende de la temperatura que se desea alcanzar.

Para una parábola ideal, cualquier rayo que incida perpendicularmente a su plano de apertura será enfocado. Si existe alguna imperfección en la superficie especular, el rayo reflejado será desplazado una distancia  a la derecha o a la izquierda del foco nominal. Figura 2.1.

Figura 2.1 Región focal real para concentrador cilíndrico-parabólico. Obsérvese que

el tubo absorbedor no debe colocarse en el foco nominal de la parábola, debido a que

(30)

Definición de parábola

Una parábola es el lugar geométrico de un punto que se mueve en un plano de tal manera que su distancia de una recta fija, situada en el plano, es siempre igual a su distancia de un punto fijo del plano y que no pertenece a la recta, El punto fijo se llama foco y la recta fija directriz de la parábola. La definición excluye el caso en que el foco está sobre la directriz.

Figura 2.2. Rectas componentes de una parábola.

Designando F y l , el foco y la directriz de una parábola, respectivamente (figura 2.2). La

recta a que pasa por F y es perpendicular alse llama eje de la parábola. Sea A el punto de

(31)

Ecuación de la parábola de vértice en el origen

La ecuación de una parábola toma su forma más simple cuando su vértice está en el origen y su eje coincide con uno de los ejes coordenados. Considerando la parábola cuyo vértice

está en el origen (figura 2.3) y cuyo eje coincide con el eje X; sean

p,0

sus coordenadas.

Figura 2.3. Grafica de una parábola.

Por definición de parábola, la ecuación de la directriz les x p. Sea P x y

 

, un punto

cualquiera de la parábola. Por P se traza el segmento PA perpendicular al. entonces, por la

definición de parábola, el punto P debe satisfacer la condición geométrica: FPPA

Por el teorema del módulo de una línea recta, se tiene:

2 2

FPxpy - - - (2.1)

Y para el caso de la línea horizontal:

PA  x p - - - (2.2)

Por tanto, al igualar las ecuaciones (1) y (2) analíticamente se tiene:

2 2

xpy  x p

Elevando al cuadrado ambos miembros de la ecuación anterior y simplificando se obtiene:

2 4

(32)

Propiedad focal de la parábola

La parábola tiene una importante propiedad focal basada en el siguiente teorema:

La normal a la parábola en un punto P x y1

1, 1

cualquiera de la parábola forma ángulos

iguales con el radio vector de P y la recta que pasa por1 P y es paralela al eje de la1

parábola.

DEMOSTRACIÓN. El teorema no se particulariza si es tomada la ecuación (2.3). Designando por n la normal a la parábola en P1, por la recta lque pasa por P1 paralela al eje, y por r el radio vector FP1, tal como es mostrado en la figura 4. Sea  el ángulo

formado por n y r, y  el formado por n y l. Demostrar que   .

La pendiente de la parábola en P x y1

1, 1

es 1 2p

y . Por tanto la pendiente de n es

1 2

y p

 .

También la pendiente de res 1

1

y

xp. Por tanto, se tiene:

 

1 1

1 1 1 1 1 1 1 1

2 2 2 2 2

1 1 1 1 1

1

2 2

tan

2 2 2 2

1 2

y y

p x p x y py py x y py

y px p y px p y

p x p

                 

- - - (2.4)

Como P x y1

1, 1

está sobre la parábola, sus coordenadas satisfacen la ecuación (2.4), y

2

1 4 1

ypx Sustituyendo este valor de y en (2.4), se tiene:12

 

1 1 1 1

1

1 2

1 1 1

tan

2 2 4 2 2

y x p

x y py y

px p px p x p p

       

(33)

Además como la pendiente de l es 0, resulta lo siguiente:

 

1 1 1 0 2 tan 2 1 0 2 y p y p y p              

- - - (2.5)

Por tanto, de (3) y (4),   , y el teorema queda demostrado.

Figura 2.4. Propiedad focal de la parábola.

Si un rayo de luz l1toca a una superficie pulida m en el punto P, es reflejado a lo largo de

otra reta, digamos l2, tal como se indica en la figura 2.5(a). Sea n la normal a m en P. El

ángulo  formado por el rayo incidente l1 y n se llama ángulo de incidencia; el ángulo 

formado por el rayo reflejado l2 y n se llama ángulo de reflexión. En Física se demuestra que la ley de la reflexión establece: 1) que l1, n y l2 son coplanares, y 2) que   . Por esta ley y por el teorema demostrado anteriormente, se puede ver que si un foco luminoso se coloca en el foco F de una parábola, los rayos inciden sobre la parábola, tal como se

(34)

Debido a que el Sol está tan alejado de la Tierra, sus rayos, en la superficie terrestre son prácticamente paralelos entre sí. Si un reflector parabólico se coloca de tal manera que su eje sea paralelo a los rayos del Sol, los rayos incidentes sobre el reflector son reflejados de manera que todos pasan por el foco, tal como se muestra en la figura 5(c). Esta concentración de los rayos solares en el foco es el principio en que se basan los concentradores solares de perfil parabólico para elevar la temperatura de algún fluido o sustancia.

a) Reflexión de un rayo en una superficie plana.

b) Rayos proyectados desde el foco. c) Rayos concentrados en el foco.

(35)

Aspectos a considerar para el diseño del concentrador

Para el diseño de este concentrador se han tomado en cuenta dos aspectos muy importantes, primero, el fluido de trabajo, es decir el líquido que circulará por el receptor del concentrador es agua potable, la cual debe calentarse para uso doméstico a una temperatura de 60°C; y se requiere calentar en total 1800 litros de agua en un tiempo no mayor a seis horas. Segundo, el área disponible para colocar este concentrador solar es de 4m x 13.5m, en base a esto se ha procedido a desarrollar el siguiente diseño.

La superficie reflectora dispone de un arreglo de láminas de acero inoxidable tipo 304 acabado tipo espejo, calibre 22 de 3.05m X 1.22m, que son soportadas sobre perfiles metálicos rolados con la forma parabólica. Los perfiles a su vez van soldados a un marco tubular de 2 x 3 pulgadas.

1) El foco del perfil parabólico coincide con el eje de rotación del concentrador.

2) El recibidor debe constar de un serpentín de cuatro tubos de cobre de 1 pulgada y uno de 2 pulgadas de diámetro nominal.

3) Las láminas de acero deben estar distribuidas de tal manera que permitan la colocación de soportes para los tubos del recibidor.

4) Las láminas de acero deben estar distribuidas de tal manera que permitan la colocación de soportes para los tubos del recibidor.

Al ejecutar el programa ‘Perfil’en elWORKSPACEde MATLAB los resultados obtenidos

son los siguientes:

>> La distancia del vértice al foco es de 0.65 metros >> El ancho de la parábola es de 2.64 metros

>> El área de apertura del CCP es de 32.28 metros cuadrados >> El diámetro del recibidor es 0.15 metros

Basados en la ecuación (2.3) y mediante el empleo del programa de software perfil.m

(36)

Figura 2.6. Perfil parabólico que cumple las condiciones de diseño 1, 2 y 3

a) Vista Isométrica

a) Vista Superior

(37)

TABLA 2.1. Coordenadas de la parábola con vértice en el origen

X y x y

0 0 1.3525 0.7036

0.0294 0.0003 1.3819 0.7345

0.0588 0.0013 1.4113 0.7661

0.0882 0.0030 1.4408 0.7984

0.1176 0.0053 1.4702 0.8313

0.1470 0.0083 1.4996 0.8649

0.1764 0.0120 1.5290 0.8991

0.2058 0.0163 1.5584 0.9340

0.2352 0.0213 1.5878 0.9696

0.2646 0.0269 1.6172 1.0059

0.2940 0.0333 1.6466 1.0428

0.3234 0.0402 1.6760 1.0803

0.3528 0.0479 1.7054 1.1186

0.3822 0.0562 1.7348 1.1575

0.4116 0.0652 1.7642 1.1971

0.4410 0.0748 1.7936 1.2373

0.4704 0.0851 1.8230 1.2782

0.4999 0.0961 1.8524 1.3198

0.5293 0.1077 1.8818 1.3620

0.5587 0.1200 1.9112 1.4049

0.5881 0.1330 1.9406 1.4484

0.6175 0.1466 1.9700 1.4927

0.6469 0.1609 1.9994 1.5376

0.6763 0.1759 2.0288 1.5831

0.7057 0.1915 2.0582 1.6293

0.7351 0.2078 2.0876 1.6762

0.7645 0.2248 2.1170 1.7238

0.7939 0.2424 2.1464 1.7720

0.8233 0.2607 2.1758 1.8209

0.8527 0.2796 2.2052 1.8704

0.8821 0.2993 2.2346 1.9206

0.9115 0.3195 2.2640 1.9715

0.9409 0.3405 2.2934 2.0230

0.9703 0.3621 2.3228 2.0752

0.9997 0.3844 2.3522 2.1281

1.0291 0.4073 2.3816 2.1816

1.0585 0.4309 2.4111 2.2358

1.0879 0.4552 2.4405 2.2907

1.1173 0.4802 2.4699 2.3462

1.1467 0.5058 2.4993 2.4024

1.1761 0.5320 2.5287 2.4593

1.2055 0.5590 2.5581 2.5168

1.2349 0.5866 2.5875 2.5750

1.2643 0.6148 2.6169 2.6339

1.2937 0.6438 2.6463 2.6934

(38)

Código del programaperfil.mde MATLAB. function[]=perfil()

%Calcula la abertura necesaria para ajustar e instalar una lamina de medidas

%conocidas con un foco dado por el usuario. clc;

%Parametros de los materiales de construccion [Meters] wide=3.05;

large=1.22; ptrw=2*0.0254; ptrh=3*0.0254; wide=num2str(wide);

%De acuerdo al analisis geométrico de máxima concentración se tiene: c=0.65;

fprintf('La distancia del vértice al foco es de %f metros\n',c) syms x k

f='1/13*k*(169+100*k^2)^(1/2)+13/10*asinh(10/13*k)'; f=strcat(f,'=',wide);

a=2*solve(f,'k'); a=sym2poly(a); area=a*12.2;

fprintf('El ancho de la parábola es de %f metros\n',a)

fprintf('El área de apertura del CCP es de %f metros cuadrados\n',area)

%Diámetro de los tubos del recibidor d=0.0254;

fprintf('El diámetro del recibidor es %f metros\n',6*d)

%Tabulación de los puntos de la parábola xx=0:a/60:a/2;

yy=xx.^2/(4*c);

%Funciones de graficacion graficar(d,c,a,large)

function[]=graficar(d,c,a,large) %GRAFICACION BIDIMENSIONAL

%Lamina del paraboloide n=-a/2:a/100:a/2;

y=n.^2/(4*c);

%Tubo del recibidor angr=0:2*pi/18:2*pi; xr=d/2*cos(angr); yr=d/2*sin(angr)+c;

%Dispositivo de Amortiguamiento anga=0:-pi/180:-pi;

xa=1.2*cos(anga); ya=1.2*sin(anga)+c; %Gráfica 2D

(39)

hold on plot(n,y) %Paraboloide hold on for i=-5*d/2:d:-3*d/2 plot(xr+i,yr) %Foco end for i=3*d/2:d:5*d/2 plot(xr+i,yr) %Foco end hold on

plot(2*xr,2*yr-c) %Tubo del recibidor hold on

axis image

g=' \leftarrow Recibidor'; text(3*d,c,g,'FontSize',13) %Gráfica 3D fit(n,y,xa,ya,xr,yr,large) function[]=fit(n,y,xa,ya,xr,yr,large) %GRAFICACION TRIDIMENSIONAL figure(2) clf;

for i=0:10 %Paraboloide if i>=0 & i<3

z=large*(i):large:large*(i+1); elseif i>=3 & i<5

z=0.1+large*(i):large:0.1+large*(i+1); elseif i>=5 & i<7

z=0.2+large*(i):large:0.2+large*(i+1); elseif i>=7 & i<10

z=0.3+large*(i):large:0.3+large*(i+1); end for j=1:length(z) yet(1:length(n),j)=y'; end mesh(z,n,yet) hold on end

(40)

Diseño estructural del concentrador solar Cilindro-Parabólico

Una vez que el diseño de la superficie reflectora ha sido adaptado a las dimensiones estándar de los materiales, se ha diseñado la estructura metálica de soporte para la superficie reflectora y de los tubos receptores de la radiación concentrada.

El área reflectora estará soportada por un marco metálico rectangular diseñado para dar rigidez y estabilidad a la superficie reflectora, como se ve en la figura 2.8, y cuyas dimensiones fueron obtenidas por el programa perfil.m de MATLAB para mantener la

geometría parabólica y por lo tanto el área de apertura del concentrador.

Figura 2.8 Marco rectangular para soporte de la superficie reflectora.

(41)

Figura 2.9 Estructura de torre de soporte para el marco metálico.

Figura 2.10 Disposición de chumaceras para soporte del marco

(42)

A continuación se presentan los dibujos realizados para soportar los cinco tubos receptores localizados en el foco del concentrador. La figura 2.11 muestra una de las dos escuadras que soportarán los extremos del serpentín de 60m constituido por cuatro tubos de cobre de 1” y uno de dos pulgadas como se mencionó anteriormente.

Figura 2.11 Escuadra para soporte de tubos del recibidor.

En la figura 2.12 se aprecian los soportes verticales que soportarán el serpentín por ello la parte superior de estos soportes debe ser lo suficientemente ancha como se ve en el dibujo. Además la distancia entre ellos debe ser de 2.5m, por lo tanto se han dejado 10cm de espacio entre cada dos láminas reflectoras.

(43)

A continuación se observa en la figura 2.13 la distribución de los 14 perfiles parabólicos que darán a la superficie reflectora la geometría parabólica, además de la estabilidad y rigidez que necesita para moverse, estos han sido dibujados conservando las coordenadas proporcionadas por el programaperfil.m deMATLAB.

Figura 2.13 Distribución de los perfiles parabólicos del concentrador.

Una vez que toda la estructura metálica ha sido dibujada completamente se muestra la forma en que se pretende sean colocadas las láminas reflectoras en la figura 2. 14

(44)

Como se ha mencionado hasta ahora uno de los elementos de este concentrador solar cilindro-parabólico es el receptor y es precisamente en él donde todos los rayos solares se concentran. Este puede apreciarse montado sobre sus soportes en la figura 2.15 completando así el concentrador solar.

Figura 2.15 Montaje de los tubos del recibidor.

Construcción de la estructura de soporte

Una vez elaborado el diseño de todos los elementos del concentrador se procede a la construcción, montaje y ensamble de dichos elementos.

(45)

Figura 2.16 Construcción de la estructura de soporte del concentrador

e instalación de los tubos receptores en base al diseño realizado.

(46)

Figura 2.18 Torre de soporte de la estructura del concentrador.

(47)

Instalación de la superficie reflejante

Esta función la llevan a cabo diez láminas de acero inoxidable calibre 22 del tipo 304 acabado tipo espejo, colocadas y atornilladas cuidadosamente sobre los perfiles parabólicos de la estructura del concentrador.

Cada lámina mide 1.22m de ancho por 3.05m de largo, y tiene un peso de 18.38 Kg. Cabe señalar que las láminas tienen una protección vinílica en la superficie, como se aprecia en las fotografías 2.20 y 2.21, misma que fue retirada una vez que el concentrador fue terminado por completo.

Figura 2.20 Instalación de la superficie reflejante

(48)
(49)

Tubos receptores en el foco de la parábola

El receptor del concentrador ha sido implementado con un serpentín constituido por cinco tubos de cobre de 12m, cuatro de una pulgada y uno de 2 pulgadas colocado en el centro del arreglo para un total de 60m. El receptor se encuentra dispuesto en el foco del perfil parabólico del concentrador y es sostenido por tres soportes verticales de 1.20m, figura 2.22, y dos escuadras de PTR calibre 10 sujetas a las torres en los extremos del receptor. Figura 2.23.

Figura 2.22 Soportes de los tubos receptores del concentrador.

(50)

Finalmente en la figuras 2.24 y 2.25 se aprecia el concentrador terminado totalmente de acuerdo al diseño realizado y mostrado anteriormente.

Figura 2.24 Vista longitudinal del concentrador solar terminado.

(51)

Prueba de reflexión de la superficie del concentrador solar cilindro-parabólico

Al construir un concentrador se pueden cometer errores que hagan que no toda la radiación incida sobre el absorbedor; la pérdida de enfoque se puede deber a errores en la pendiente de la geometría construida o a errores intrínsecos de la superficie, que pueden dispersar angularmente el haz incidente.

Para comprobar de manera rápida y precisa las propiedades de reflexión de una superficie cilíndrico-parabólica, se efectúa con un rayo láser un barrido a lo largo tanto de su apertura como de su longitud, y observar si los rayos reflejados por la superficie del concentrador inciden en el foco de la parábola, para nuestro caso estos deben incidir en los tubos receptores, sobre el que inciden los diferentes rayos láser reflejados por el concentrador. Este tipo de análisis visual es muy completo, ya que permite conocer las regiones críticas de un concentrador (regiones donde hay errores de curvatura) a fin de modificar los criterios de construcción de los concentradores.[1]En la figura 2.26 se observa una de las pruebas hechas a la superficie del concentrador.

Figura 2.26 Prueba de reflexión en la superficie

(52)

CAPITULO III

SISTEMA DE

(53)

Introducción

La necesidad de captar la mayor cantidad posible de la energía incidente en un determinado lugar es una exigencia común a todos los sistemas de aprovechamiento de la energía solar. La máxima captación se tiene si la superficie colectora se mantiene constantemente en posición normal a los rayos del sol, lo que únicamente puede conseguirse si dicha superficie está dotada de un movimiento de seguimiento de sol.

En comparación con la energía captada por un colector estático, la captada por uno dotado de un sistema de seguimiento de sol puede aumenta hasta un valor del orden de un 35% o más. Aunque este incremento se ve reducido en los casos de frecuentes nublados, el aumento de energía así conseguido compensa sobradamente en muchos casos prácticos el consumo de energía y el coste de los propios mecanismos de seguimiento.[4]

(54)

Principales orientaciones de concentradores cilindro-parabólicos

Estos sistemas pueden operar con orientación Norte-Sur, Este-Oeste, figura 3.1, o polar. Conforme su orientación, el movimiento angular necesario para seguir el sol será más lento o más rápido; por ejemplo, en el caso de ser N-S, el movimiento es alrededor de 15º/h, en tanto que en E-O el movimiento alrededor del medio día (4h antes y 4h después ) es mínimo figura 3.2. La selección de la orientación dependerá de la cantidad de energía requerida a lo largo del día y a lo largo del año.[1]

a) Orientación Norte-Sur

b) Orientación Este-Oeste.

(55)

Figura 3.2 Curvas de seguimiento solar de concentradores cilindro-parabólicos. [1]

(56)

Seguidor solar

Es un mecanismo automático que permite que un concentrador o colector solar se mueva a lo largo del día, para que esté enfocado de manera que la irradiancia sea máxima sobre su apertura. Este mecanismo generalmente se usa en sistemas fotovoltaicos y concentradores solares de alta temperatura.

Mecanismo de seguimiento solar con foco lineal.

Este mecanismo en un eje, puede ser para movimiento este-oeste, norte-sur o polar en los concentradores cilíndricos parabólicos, que son los más comunes. El mecanismo debe seguir el movimiento aparente del Sol, puede ser a través de un dispositivo (heliótropo), sensible a la variación de la irradiancia solar directa, electrónica asociada (control) y un motorreductor.

Seguidor solar de un eje

Este mecanismo se debe montar en sistemas de concentración de foco lineal. El concentrador puede estar en posición horizontal con orientación norte-sur y movimiento diario oeste. Otra alternativa es la posición horizontal con orientación este-oeste, es decir su movimiento es alrededor de un eje perpendicular a los meridianos.

Diseño y construcción de un sensor solar

(57)

este-Para la construcción de este sensor de radiación solar se utilizó madera y acrílico, este tiene una base de 15cm por 35cm, y una altura de 20cm, y como se aprecia en la figura 3.3 está formado por un panel giratorio con dos celdas fotovoltaicas de 2v/110mA, colocadas asimétricamente respecto al origen; cada celda solar es tiene un área de captación de 2.5cm por 4.5cm; se decidió usar celdas solares de este valor, para que su salida pudiera ser conectada directamente al convertidor analógico digital del microcontrolador.

El sensor tiene como elemento de accionamiento un motor a pasos bipolar de 13Ω, por cada paso del motor el eje gira 15° y está conectado a un engrane cuya reducción es de 7.5, figura 3.4, los movimientos son gobernados por el microcontrolador de este sistema. Cabe señalar que todas las señales de entrada y salida del microcontrolador se encuentran conectadas con cable blindado de seis hilos calibre 22.

Funcionamiento del sensor solar

El sensor solar inicialmente se encuentra a 45° al norte en la primera de diez posiciones, posteriormente hace un barrido hacia el sur de la posición uno a la diez, con un avance de de 10º en cada una, por cada avance el microcontrolador realiza una lectura del voltaje generado por las celdas solares, las diez lecturas de voltaje son almacenadas en memoria para su procesamiento posterior. Como se puede apreciar en la figura 3.5 el sensor solar ha sido colocado en la torre “este” del concentrador, este tiene un peso total de 0.945 Kg.

(58)

Figura 3.3 Sensor de radiación solar.

(59)

Figura 3.5 Sensor de radiación solar ubicado en el lado “este” del concentrador.

(60)

Tabla 3.1 Voltajes generados por las celdas solares en cada posición del sensor,

tomadas el 22 de septiembre de 2007.

Sistema de posicionamiento del concentrador

Una vez que el sensor de radiación solar ha hecho el barrido de norte a sur, el microcontrolador ha leído cada valor de voltaje generado por las celdas solares, entonces procede a activar el mecanismo de posicionamiento del concentrador solar, que es llevado a cabo por contrapeso, ya que es más barato que hacerlo a través de un motorreductor, además es más fácil de controlar.

Para implementar este sistema se colocaron dos tinacos de plástico de los que son usados para almacenar cloro, en el lado oeste del concentrador, cada uno en un extremo norte y sur, como se ve en la figura 3.7.

Tiempo [horas] Posición 12:15 [volts] 12:20 [volts] 12:21 [volts] 12:22 [volts]

1 1.59 1.68 1.66 1.67

2 2.25 2.31 2.30 2.31

3 3.00 3.19 3.20 3.21

4 3.32 3.32 3.30 3.32

5 3.55 3.59 3.55 3.56

6 3.68 3.68 3.68 3.70

7 3.92 4.06 3.92 3.93

8 4.25 4.32 4.31 4.32

9 3.82 3.97 3.82 3.85

(61)

Figura 3.7 Tinacos de 200 litros dispuestos para

el posicionamiento del concentrador.

Cada tinaco tiene una capacidad máxima de 200 litros, pero no es necesario que estén llenos, por lo tanto, cada uno contiene 100 litros de agua, suficientes para mover el concentrador de un lado a otro intercambiando su masa de agua, esto último se hace por medio de dos bombas para agua de ½ hp, cuya operación es controlada por el microcontrolador. En la figura 3.8 se muestra una de las dos electroválvulas que fueron colocadas para evitar que el flujo de agua continúe después de haber apagado la bomba de intercambio de agua. La integración de las bombas al sistema de posicionamiento, se muestra figura 3.9. En la figura 3.10 se tiene la vista desde el eje del sistema actuador completo.

(62)

Figura 3.8 Integración de las bombas al sistema de posicionamiento.

(63)

Figura 3.11 Sistema de posicionamiento del concentrador solar completo.

Sensor de posición angular del concentrador solar.

Por medio de un sensor de posición angular se verifica la inclinación del concentrador solar. El sensor de posición consta de un potenciómetro (resistencia variable) de precisión de 1KΩ montado sobre un mecanismo de paralelogramo, el cual enlaza mecánicamente el eje de giro del concentrador con el eje de giro del potenciómetro. El cuerpo o base del potenciómetro es fijado a una de las torres para poder establecer un marco de referencia y asegurar que el giro en grados del concentrador sea igual al giro en grados del eje del potenciómetro.

(64)

Figura 3.12 Diagrama del dispositivo sensor de posición.

En la figura 3.13 se muestra la disposición física del sensor de posición, los materiales empleados en la construcción de este dispositivo son acrílico para las barras y la placa de sujeción del cuerpo del potenciómetro hacia la torre, los pares cinemáticos de revolución se conforman por tornillos y tuercas de seguridad, éstas últimas aseguran la sujeción permanente del mecanismo y además que gire libremente.

Lectura de la posición angular del concentrador

(65)

Figura 3.13 Sensor de posición colocado en el marco de PTR

Figura 3.14 Diagrama eléctrico del sensor de posición de concentrador

(66)

Tabla 3.2 Relación entre la posición angular del CCP y la voltaje en el potenciómetro.

INCLINACIÒN

[GRADOS] RESITENCIA MEDIDA[OHMS]

RESISTENCIA COMPLEMENTARIA

[OHMS]

TENSIÓN MEDIDA POR EL PIC [VOLTS]

-60 300 700 1.5

-55 314 686 1.57

-50 332 668 1.66

-45 352 648 1.76

-40 366 634 1.83

-35 382 618 1.91

-30 402 598 2.01

-25 422 578 2.11

-20 432 568 2.16

-15 452 548 2.26

-10 472 528 2.36

-5 482 518 2.41

0 500 500 2.5

5 519 481 2.595

10 534 466 2.67

15 553 447 2.765

20 576 424 2.88

25 586 414 2.93

30 605 395 3.025

35 624 376 3.12

40 642 358 3.21

45 657 343 3.285

50 676 324 3.38

55 687 313 3.435

(67)

CAPITULO IV

CONTROL Y

AUTOMATIZACIÓN DEL

(68)

Integración del Sistema Termosolar

En los capítulos anteriores se explicó y mostró el diseño y funcionamiento de los siguientes elementos del sistema: Concentrador Solar, Sensor Solar y el Sistema de Posicionamiento

del Concentrador Solar.

Los componentes del sistema de recirculación del agua son mostrados a continuación

Almacenamiento

Como se ha mencionado en los capítulos anteriores se requiere calentar 1800 litros de agua potable que se encuentran almacenados en un tinaco térmico por su composición de fibra de vidrio y asbesto. Cabe señalar que este tinaco siempre se encuentra lleno de agua, pues el líquido le es suministrado por gravedad desde dos tinacos de agua fría que se encuentran a una altura superior que permite este efecto. En la figura 4.1 se puede ver a la izquierda el tinaco térmico de color blanco, y en la parte superior se observan los dos tinacos de agua fría de 1200 litros de capacidad cada uno.

(69)

Termómetros

Para sensar la temperatura del agua se emplearon tres termómetros, dos analógicos, y uno digital. Los termómetros analógicos fueron colocados en la entrada y salida del serpentín receptor del concentrador, la figura 4.2 muestra el termómetro analógico de la entrada del serpentín que está a 8.5m de la salida del tinaco térmico.

Figura 4.2 Termómetro analógico en la entrada del serpentín receptor.

El termómetro digital se encuentra junto al sistema de control, y su sensor de temperatura fue introducido al tinaco térmico para sensar la temperatura del agua en el interior. El diseño y diagrama de este termómetro digital se encuentra en el Anexo 1 de este trabajo. Este termómetro digital se muestra en las figuras 4.3 y 4.4.

Figura 4.3 Termómetro digital para sensar la temperatura

(70)

Figura 4.4 Calibración del voltaje analógico de salida

del circuito integrado LM35, y el display digital.

Finalmente se deben integrar todos los elementos para controlar y automatizar en la mayor manera posible su funcionamiento en conjunto, para ello es necesario un sistema controlador que controlará el sistema termosolar para que este cumpla las condiciones de operación expuestas a continuación:

Condiciones de operación del sistema

Inicia su operación a las 10:00 horas y terminar a las 16 horas para un tiempo total de 6 horas, tiempo durante el cual debe calentar 1,800 litros de agua a 60ºC.

Si la temperatura de 60º del agua se alcanza en un tiempo menor al de operación, el sistema se apaga y se reinicia al día siguiente.

El posicionamiento del concentrador se lleva a cabo seis veces durante el tiempo de operación, la primera al inicio y las posteriores en intervalos de una hora.

(71)

El tanque térmicamente aislado, debe siempre estar lleno.

Antes de que el sistema se apague el concentrador debe regresar a su posición de equilibrio

Los tinacos de agua para el posicionamiento deben siempre tener 100 litros de agua cada uno.

DIAGRAMAS DE TUBERIA E INSTRUMENTACIÓN DEL SISTEMA

En la figura 4.5 se muestra el diagrama de tubería e instrumentación del sistema de control de temperatura del agua en el tanque térmico. Los tanques de agua fría 101 y 102 poseen una válvula autocontrolada por flotador que mantiene constante el nivel de agua. El tanque de agua caliente (tanque térmicamente aislado) está instrumentado con un sensor electrónico de temperatura que envía su señal hacia un display y al PLC, esta información es procesada por el microcontrolador y ordena a la bomba apagar o encender. El resto de las válvulas del sistema son de tipo manual.

En la figura 4.6 se muestra el diagrama de tubería e instrumentación del sistema de control de posicionamiento del concentrador solar. Este sistema consta de dos bombas y dos válvulas solenoides, que tienen la tarea de circular el agua de un recipiente de contrapeso a otro. El PLC recibe la señal de punto de ajustedesde el sensor de posición solar y procesa

(72)
(73)
(74)

Componentes del controlador PLC100

Todo el sistema de control está gobernado por el PLC100, el cual está constituido por los siguientes elementos:

 Tarjeta de control: contiene al microcontrolador y las terminales de entradas analógicas y salidas digitales, además del puerto de comunicación serial para enviar datos a una PC.

 Entradas analógicas: señal de voltaje de las celdas fotovoltaicas del sensor solar, señal de entre 0-5 VCD proveniente del sensor de posición del concentrador solar y señal de entre 0-1 VCD generada por el sensor de temperatura LM35.

 Salidas digitales: cuatro bits de control para el motor a pasos del sensor solar, ocho bits de control para la tarjeta de potencia.

 Puerto de comunicación serial: contiene un driver MAX232 para permitir la comunicación bidireccional del PLC con la PC.

 Tarjeta de potencia: está provista por una etapa de entradas digitales y salidas a relevador, estas salidas activan a las bombas B1 (recirculación del agua), Bomba Norte y Bomba Sur (actuadores del sistema de posicionamiento), y a las válvulas solenoides.S1 y S2. Además mediante luces indicadoras se puede visualizar los elementos actuadores que están siendo energizados en un determinado momento.

 Circuito de acoplamiento por transformador para activación de las válvulas solenoides, además del circuito de protección contra sobrecarga de corriente.

 Bornes de conexión para los dispositivos actuadores.

(75)

Diseño del sistema de control electrónico

Para controlar este sistema de forma digital se ha seleccionado el Microcontrolador PIC 18F452 de Microchip, ya que es de muy bajo costo y fácil programación, además sus tiempos de ejecución son del orden de microsegundos, ya que este dispositivo puede trabaja a una frecuencia de oscilación de 40MHz, para esta aplicación se ha dispuesto que la frecuencia de oscilación esté determinada por un cristal de 4 MHz, y puede trabajar normalmente con una alimentación de 3.5 volts de corriente continua ó directa.

A continuación se enlista la configuración de pines del Microcontrolador, y en la figura 4.6 se muestra el diagrama de pines del Microcontrolador PIC.

CONFIGURACION DE PINES DEL MICROCONTROLADOR PIC 18F452 DE

MICROCHIP

MCLR/VPP:Reset

AN0: Entrada analógica del voltaje generado por las celdas solares en el sensor solar.

AN1: Entrada analógica de la variación de voltaje en el sensor de temperatura.

AN2: Entrada analógica de la variación de voltaje en el potenciómetro del sensor de

posición.

PUERTO B (RB0-RB3): Configurado como salida para enviar señal al motor a pasos del

sensor solar.

PUERTO D (RD0-RD6): Configurado como salida para enviar las señales de control al

circuito de potencia.

RD0: Señal de control de la bomba sur de posicionamiento.

RD1: Señal de control de la válvula de la bomba sur.

RD2: Señal de control de la bomba norte de posicionamiento.

RD3: Señal de control de la válvula de la bomba norte.

RD4: Señal de control para activar el transformador reductor de 127v/24VAC.

RD5: Señal de control de la bomba de recirculación de agua.

(76)

Voltaje de alimentación: 5V DC

Frecuencia de oscilación: 4MHz.

Figura 4.6 Diagrama de distribución de pines del Microcontrolador PIC 18F452

(77)
(78)
(79)

El diagrama eléctrico del circuito de control se mostró en la figura 4.7 y la tarjeta electrónica se puede observar en la figura 4.8. Las hojas de especificación de los circuitos integrados empleados se encuentran en el anexo 3 de este trabajo.

Figura 4.8 Tarjeta electrónica del circuito de control.

Circuito de potencia

(80)
(81)

El tipo de elementos del sistema termosolar y su funcionamiento permiten la aplicación de Control ON-OFF. En la figura 4.11 se muestra el controlador electrónico del sistema.

Figura 4.11 Controlador electrónico del sistema termosolar.

En la figura 4.12 se puede apreciar el puerto serial como interfaz a la computadora, a través de el se pueden visualizar las ejecuciones del programa que se encuentra en el anexo 2.

(82)

En la figura 4.13 se muestra la fuente de alimentación regulada de 5 V/3 A de corriente continua, que suministra energía a la tarjeta electrónica de control, a la tarjeta electrónica de potencia, al motor a pasos del sensor solar, y al potenciómetro del sensor de posición, y en la figura 4.14 se muestra el sistema electrónico de control completo.

(83)

CAPITULO V

RESULTADOS OBTENIDOS

DEL FUNCIONAMIENTO DEL

(84)

Análisis de los resultados obtenidos

Después de la integración de todos los elementos de este sistema termosolar, fue puesto en funcionamiento el sábado 24 de noviembre de 2007 en el municipio de Tejalpa, Morelos, y hasta la fecha permanece en operación, los resultados mostrados en este capítulo corresponden al día 27 de noviembre de 2007.

Al inicio del día el sensor solar se orientó 45° al sur respecto al eje del concentrador en la posición número diez de diez, asimismo, el concentrador solar se orientó satisfactoriamente con la misma inclinación, además se observó que los rayos reflejados a la izquierda o derecha del foco geométrico son absorbidos también por el serpentín receptor, ya que este fue diseñado para tener mayor área de captación, en comparación con un receptor de un solo tubo. Después de dos horas el sensor solar se encontraba 35° al sur, por lo que el concentrador solar fue reorientado, tal como se aprecia en las figuras 5.1 y 5.2.

En la tabla 5.1 se muestra la comparación en grados de la posición del sensor solar y el concentrador solar,.

Tabla 5.1 Comparación de la posición del sensor solar y la posición del concentrador

Tiempo solar

verdadero

[hrs]

Posición del Sensor solar

[ Grados]

Posición del concentrador

[ Grados]

10:00 45 45

11:00 45 45

12:00 35 35

13:00 35 35

14:00 35 35

(85)

Figura 5.1 Concentrador solar alineado con el sensor solar

En la tabla 5.2 se muestran los datos obtenidos de los voltajes generados por las celdas solares, el día 27 de Noviembre de 2007 durante el funcionamiento del sistema.

Tabla 5.2 Relación de tiempo solar verdadero contra lecturas

máximas del sensor solar.

Tiempo solar

verdadero

[hrs]

Voltaje en la posición máxima del

Sensor solar

[ Volts ]

10:00 3.85

11:00 3.97

12:00 4.06

13:00 4.07

14:00 4.06

(86)

---Figura 5.2 Concentrador solar posicionado satisfactoriamente

(87)

Tabla 5.3 Temperaturas alcanzadas contra el tiempo el día 27 de noviembre de 2007

Tiempo

(horas del día)

Temperatura en la

entrada del receptor.

(°C)

Temperatura en la

salida del receptor.

(°C)

Temperatura en el

Tinaco térmico.

(°C)

10:00 25 25 25.1

10:40 25 27 26.3

11:00 28.5 30 29.4

11:30 30 40 29.2

12:00 40 46 40.1

12:17 44 48 44.5

12:35 47 52 48.5

12:45 49 54 50.4

13:00 51 56 53.3

13:20 53 57 54.9

13:40 54 58 55.5

14:06 57 59 58.7

14:25 57 60 59.4

(88)
(89)

Resultados de temperatura:

Se obtuvieron 1800 litros de agua caliente a una temperatura de 60° C en 5 horas. En las figuras 5.4, 5.5, 5.6, 5.7, 5.8, 5.9, 5.10 se muestra el incremento de la temperatura en los termómetros de entrada y salida del serpentín receptor, para el día 27 de noviembre de 2007.

Figura 5.4 Temperatura a la entrada del serpentín receptor

registrada a las 11:40 horas del día.

Figura 5.5 Temperatura a la entrada del serpentín receptor

(90)

Figura 5.6 Temperatura a la entrada del serpentín receptor

registrada a las 12:17 horas del día.

Figura 5.7 Temperatura a la salida del serpentín

registrada a las 12: 17 hrs.

(91)

Figura 5.9 Temperatura de entrada del agua en el tubo

receptor registrada a las 14:30hrs.

Figura 5.10 Temperatura de salida del agua

(92)

En la figura 5.11 se muestra la temperatura del agua dentro del tanque térmico que se alcanzó durante las cinco horas de operación del sistema termosolar,

(93)

En la figura 5.12 y 5.13 Se muestran imágenes del sistema termosolar completo y funcionando.

Figura 5.12 Vista frontal del Sistema Termosolar completo.

(94)

En la siguiente figura se muestra una imagen en donde se puede apreciar la reflexión de los rayos solares hacia el serpentín receptor, este se encuentra totalmente iluminado por los rayos incidentes, esto comprueba que el concentrador se encuentra correctamente posicionado.

Figura 5.14 Receptor del concentrador solar absorbiendo la radiación reflejada.

Aspectos económicos de la energía solar

El calor solar recuperado puede emplearse en numerosos procesos residenciales, comerciales industriales y agrícolas que sólo requieren un grado de calor más bien bajo, como por ejemplo en la calefacción ambiental de edificios residenciales y de cualquier otro tipo, en la limpieza de ropa en seco, los servicios de agua caliente, el secado del grano, la desalinización de agua de mar, el calentamiento de agua de la piscinas, etc.

(95)

combustible normal. Lo que quiere decir que el atractivo económico que representa la utilización de la energía solar debe considerarse generalmente en términos del número de años necesarios para amortizar los gastos de instalación de la misma, compensándolos con el ahorro de combustible.

Amortización del coste de instalación de la energía solar

(96)

con los requerimientos de operación del sistema y para ello se diseñaron y adaptaron los subsistemas necesarios para el correcto funcionamiento y satisfacción del cliente.

1.- Se diseñó y construyó el controlador del sistema termosolar.

2.- Se construyó un termómetro digital para el tinaco térmico de almacenamiento del agua caliente.

3.- Se construyó el sensor de radiación solar.

4.- Se diseñó y se ensambló el sensor de posicionamiento angular del concentrador.

5.- Se diseñó y ensambló el sistema de posicionamiento que consiste en dos tinacos conteniendo agua que sirve como contrapeso y las bombas que cambian el agua de un tinaco a otro.

6.- Se logró integrar el sistema para que funcione en forma conjunta y satisfactoria de acuerdo con los requerimientos establecidos en los objetivos.

7.- Se verificó y lo demuestran los resultados obtenidos, que este sistema termosolar si calienta el agua eficientemente.

RECOMENDACIONES

Figure

Figura 1.2. Esquema general de una Central Energética Termosolar (CETS)
Figura 1.7. Seguimiento solar típico de un CCP con orientación Norte-Sur.
Fig. 1.11 Irradiación solar media anual. Fuente: Una Visión al 2003 de la Utilización de las Energías Renovables en México, UAM, 2005 México
Figura 2.4. Propiedad focal de la parábola.
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Referencias

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