INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN
UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS
“ANÁLISIS ENERGÉTICO DE UN CONCENTRADOR SOLAR
DE UNA ESTUFA SOLAR URBANA”
TESIS
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS
EN INGENIERÍA MECÁNICA
PRESENTA
ING. ESTEBAN JIMÉNEZ RODRÍGUEZ
DIRECTOR DE TESIS
DR. PEDRO QUINTO DIEZ
DEDICATORIA
Dedico este trabajo a mis padres Nieves Rodríguez Pérez, Fernando Nazario Jiménez Cruz y mis hermanos por el apoyo y motivación que me brindaron; sin los que, nunca hubiera terminado la tesis.AGRADECIMIENTOS
Principalmente agradezco a mi asesor, Dr. Pedro Quinto Diez, su ayuda fue muy importante para la realización y término de este trabajo. Gracias Doctor por sus consejos. Gracias al Ingeniero. José Antonio Urbano Castelán, investigador del CINVESTAV del IPN por su ayuda y sus consejos. Para la realización de este trabajo.Gracias a mi comisión revisora por sus comentarios y críticas hacia mi trabajo de tesis. Agradezco al CONSEJO NACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA (CONACYT), por la beca otorgada durante el tiempo de mi posgrado y la realización de mi tesis.
Agradezco al LABORATORIO DE INGENIERÍA TÉRMICA E HIDRÁULICA APLICADA (LABINTHAP), al PROGRAMA INSTITUCIONAL DE FORMACIÓN DE INVESTIGADORES (PIFI) y al INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL.
Agradezco a mis amigos que estuvieron en mi estancia en el (LABINTHAP). Ricardo Isaac Cázares Ramírez, Arturo Reyes León, Juan Alberto Cuevas Rodríguez, Miguel Ángel León Guerrero y Daniel Ricardo Sánchez Lugo. Gracias por brindarme su amistad y su ayuda.
ÍNDICE
LISTA DE FIGURAS
I
LISTA DE TABLAS
III
NOMENCLATURA
IV
RESUMEN
VI
ABSTRACT
VII
INTRODUCCIÓN
VIII
CAPÍTULO I. GENERALIDADES DE LOS CONCENTRADORES
SOLARES
1
1.1.NATURALEZA DE LA ENERGÍA SOLAR 2
1.1.1.Constante Solar 3
1.1.2.Distribución espectral de la radiación solar 4 1.1.3.Relaciones geométricas de la radiación solar 6 1.1.4. Estimación de la radiación solar 8 1.2.TIPOS DE CONCENTRADORES SOLARES 11
1.2.1.Concentradores planos 11
1.2.2.Concentradores con seguimiento 13 1.2.3 Tipos de concentradores solares actuales 15
CAPÍTULO II. DESCRIPCIÓN DE LA ESTUFA SOLAR URBANA
192.1.COMPONENTES DE LA ESTUFA SOLAR URBANA 20 2.2.FUNCIONAMIENTO DE LA ESTUFA SOLAR URBANA 28
CAPÍTULO III. DESCRIPCIÓN Y DESARROLLO DEL MODELO
MATEMÁTICO
29
3.1.MODELO MATEMÁTICO DE HOTTEL. 30
3.2.MODELO MATEMÁTICO DE ERBS. 32
3.3.DESARROLLO DEL PROGRAMA DE CÓMPUTO 33 3.3.1.Descripción de los programas RSD1 y RSD2 38 3.3.2.Obtención de datos a partir de los programas RSD1 y RSD2 42
CAPÍTULO IV. EXPERIMENTACIÓN Y COMPARACIÓN DE
RESULTADOS
43
4.1.DESCRIPCIÓN DE LA INSTRUMENTACIÓN 44 4.2.OBTENCIÓN DE DATOS A PARTIR DE LA INSTRUMENTACIÓN 46
4.3.ANÁLISIS DE RESULTADOS 47
RECOMENDACIONES 55 REFERENCIAS 56 APÉNDICE I 58 APÉNDICE II 62 APÉNDICE III 71 APÉNDICE IV 75
I
LISTA DE FIGURAS
FIGURA TÍTULO PÁGINA
1.1 Relación Sol-Tierra 3
1.2 Espectro solar 5
1.3 Curva estándar de la distribución del espectro electromagnético de la radiación emitida por el Sol
5 1.4 Ángulo zenit, de pendiente, de azimut de la superficie y de
azimut solar para una superficie inclinada. (b) Vista superior que muestra al ángulo azimut
7
1.5 Colector plano con un espejo plano 12
1.6 Colector plano con dos espejos planos 12
1.7 Colectores de disco parabólico. (a) Diagrama esquemático. (b) Fotografía del colector Eurodish
14 1.8 Esquema del sistema de un receptor central 15
1.9 Lente de Fresnel de doble reflexión 16
1.10 Concentrador de disco parabólico SG3 17
1.11 Concentrador de disco parabólico SG4 17
1.12 Concentrador COSSPA-90 18
2.1 Soporte principal 21
2.2 Tubo cilíndrico 22
2.3 Estructura del concentrador 22
2.4 Intercambiador de calor tipo serpentín colocado en el receptor del concentrador solar
23 2.5 Mecanismo de azimut. b) Mecanismo de altitud 24
2.6 Sensor electrónico 25
2.7 a) Piranómetro para medición de la radiación global b) Piranómetro para medición de la radiación difusa
25
2.8 Tanque de almacenamiento 26
2.9 Hornillas 27
2.10 Adquiridor de datos para la evaluación 27
2.11 Diagrama del funcionamiento de la estufa solar urbana 28 3.1 Distribución de los espejos del concentrador 34 3.2 Diagrama de flujo del programa de cómputo RSD1 40 3.3 Diagrama de flujo del programa de cómputo RSD2 41
3.4 Resultados del programa de cómputo RSD1 43
3.5 Resultados del programa de cómputo RSD2 43
4.1 Piranómetro para medición de la radiación global b) Piranómetro para medición de la radiación difusa
44
4.2 Adquiridor de datos para la evaluación 45
4.3 Montaje experimental 45
II
4.5 Visualización de datos 46
4.6 Resultados experimentales de la intensidad de la radiación solar correspondiente al día 12 de marzo del 2013
47
4.7 Resultados teóricos y experimentales de la intensidad de la radiación solar correspondiente al día 19 de marzo del 2013
48
4.8 Resultados teóricos y experimentales de la intensidad de la radiación solar correspondiente al día 20 de marzo del 2013
49
4.9 Resultados teóricos y experimentales de la intensidad de la radiación solar correspondiente al día 21 de marzo del 2013
49
4.10 Resultados teóricos y experimentales de la intensidad de la radiación solar reflejada hacia el receptor solar correspondiente al día 12 de marzo del 2013
50
4.11 Resultados teóricos y experimentales de la intensidad de la radiación solar reflejada hacia el receptor solar correspondiente al día 19 de marzo del 2013
51
4.12 Resultados teóricos y experimentales de la intensidad de la radiación solar reflejada hacia el receptor solar correspondiente al día 20 de marzo del 2013
51
4.13 Resultados teóricos y experimentales de la intensidad de la radiación solar reflejada hacia el receptor solar correspondiente al día 21 de marzo del 2013
52
4.14 Intensidad de la radiación solar directa calculada a partir de los programas
RSD1 y RSD2
53
A.1.1 Esquema de distribución de los espejos 58
III
LISTA DE TABLAS
TABLA TÍTULO PÁGINA
1.1 Factores de corrección para los tipos de clima 10 3.1 Factores de corrección para los tipos de clima 31 4.1 Radiación reflejada calculada teórica y experimental 52
A.1.1 Ángulos para el primer cuadrante 58
A.1.2 Ángulos para el segundo cuadrante 59
A.1.3 Ángulo de inclinación 61
A.3.1 Resultados Experimentales y Teóricos correspondientes al día 12/03/13
71 A.3.2 Resultados Experimentales y Teóricos correspondientes al
día 19/03/13
72 A.3.3 Resultados Experimentales y Teóricos correspondientes al
día 20/03/13
73 A.3.4 Resultados Experimentales y Teóricos correspondientes al
día 21/03/13
74 A.4.1 Resultados de los programas de cómputo RSD1 y RSD2
correspondientes al día 22/03/12
IV
NOMENCLATURA
VARIABLE DESCRIPCIÓN UNIDADES
A Altitud km
Irradiación directa sobre una superficie horizontal
W/m2
Irradiación solar directa sobre un plano
norma
W/m2
Irradiación directa sobre una superficie
horizontal inclinada
W/m2
La radiación solar directa sobre un plano
horizontal
W/m2
Irradiación normal directa sobre una
superficie terrestre W/m2
Constante Solar W/m2
Irradiación extraterrestre sobre una superficie horizontal
W/m2
Irradiación extraterrestre W/m2
Irradiación solar diaria J/m2
Irradiación solar directa diaria para una superficie horizontal
J/m2
Irradiación solar diaria para una superficie
horizontal inclinada
J/m2 Irradiación extraterrestre diaria J/m2
Irradiación solar horaria J/m2
Irradiación solar horaria directa incidente
efectiva medida
sobre el plano de la apertura
J/m2
Irradiación solar horaria directa sobre un
plano horizontal
J/m2
Irradiación solar horaria difusa J/m2
Irradiación solar horaria para una superficie horizontal
J/m2
Irradiación horaria extraterrestre J/m2
Índice de claridad de la atmósfera para radiación solar diaria
-
Modificador de ángulo de incidencia -
Día del año -
Índice de radiación directa
Radicación solar absorbida por el colector por unidad de área
V Letras griegas
α Absortividad -
αs Ángulo de altitud solar °
β Ángulo de Inclinación del colector °
βe Ángulo de inclinación de cada espejo °
Ángulo de superficie azimut, Factor de intercepción del colector
°,-
γs Ángulo de azimut solar °
δ Declinación ° Eficiencia óptica - Ángulo de incidencia ° θz Ángulo zenit ° ρ Reflectividad - Transmisividad -
Coeficiente de transmisividad atmosférica para la radiación solar directa
- Coeficiente de transmisividad atmosférica
para la radiación solar difusa
-
ϕ Latitud -
VI
RESUMEN
En este trabajo se presenta el análisis energético de un concentrador solar de una estufa solar urbana que fue diseñada y construida por el ingeniero. José Antonio Urbano Castelán de la sección de Electrónica del Estado Solido del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados-Zacateco (CINVESTAV) del IPN.
La evaluación energética, se hace mediante el desarrollo de un modelo matemático, este modelo se desarrolló a partir de las condiciones de la ciudad de México. Este modelo se aplicó en condiciones teóricas y condiciones reales.
Se realizaron dos programas de cómputo llamados RSD1 y RSD2 uno para condiciones teóricas y el otro para condiciones reales, dichos programas calculan la intensidad de la radiación solar directa sobre un plano inclinado y así mismo la intensidad de la radiación reflejada por la superficie reflectora de 6.1m2 del concentrador solar de espejos planos. Se realizó una comparación de resultados teóricos y experimentales donde la mayor energía reflejada por la superficie reflectora fue en la parte teórica.
VII
ABSTRACT
In this work is presented energy analysis of an urban solar cooker concentrator, was designed and built by the engineer. José Antonio Urbano Castelán de la sección de Electrónica del Estado Solido del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados-Zacateco (CINVESTAV) del IPN.
The energy assessment is performed through the development of a mathematical model, this model was developed using Mexico City conditions. This model was applied theoretical conditions and actual conditions.
Were created two programs, called RSD1 and RSD2 one for theoretical conditions and other actual conditions, such programs calculate the intensity of beam radiation on tilted surface and the intensity of radiation reflected by the reflective surface of 6.1 m2 of solar concentrator flat mirrors. A comparison between theoretical and experimental results where most energy reflected by the reflective surface was in the theoretical part
VIII
INTRODUCCIÓN
El uso de combustibles fósiles y la emisión de gases de efecto invernadero es muy evidente. Respecto a esto los gobiernos deben comenzar a visualizar los años que le quedan a los combustibles y mirar hacia otras formas de energía como son las fuentes de energía renovables que pueden ser un instrumento idóneo. Las energías renovables, junto con una mayor eficiencia energética pueden contribuir significativamente al desarrollo sustentable, para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y a reducir la perjudicial contaminación del aire, creando así nuevas oportunidades económicas y aumentando la seguridad energética a través de la cooperación y la colaboración [1].
Existen diferentes formas para aprovechar las energías renovables y una forma es a través de la energía solar por conversión térmica, que consiste en el aprovechamiento de la radiación que proviene del Sol. Por medio de un concentrador solar que es un dispositivo que absorbe la radiación solar incidente, la convierte en calor y transfiere el calor a un líquido que fluye a través del concentrador [2].
El objetivo de esta tesis es de realizar un análisis energético de un concentrador solar que se aplica a una estufa solar urbana tanto en condiciones teóricas como experimentales. La estufa solar urbana que fue diseñada y construida por el ingeniero José Antonio Urbano Castelán de la Sección de Electrónica del Estado Sólido del CINVESTAV del IPN.
La estufa solar está constituida por un concentrador solar de espejos planos que tiene seguimiento solar autosuficiente, controlado a base de dos motores eléctricos alimentados por dos celdas solares fotovoltaicas, tiene una base de 3.50 metros cuadrados que soporta a los 610 espejos planos cuadrados de 0.1m x 0.1m dicha base está fabricada de aluminio, la cual está depositada en una barra de apoyo sobre la cual gira toda la estructura. El concentrador capta toda la
IX energía solar en un punto focal y en ese punto, integra una tubería de cobre por donde circula aceite de desecho empleado en automotores, todo ese aceite utilizado como un fluido de transferencia de calor y es depositado en un tanque de almacenamiento con capacidad de 500 litros, adaptado a cuatro hornillas y un horno, que funciona como una estufa de uso doméstico.
Para cumplir el objetivo de este trabajo se divide en 4 capítulos con las conclusiones, recomendaciones y los apéndices.
En el capítulo I, “Generalidades de los concentradores solares”, se describen las características generales de la energía solar, así como las diferentes formas de su evaluación, medición y las relaciones geométricas de la radiación solar, así como algunas características de los concentradores solares.
En el capítulo II, “Descripción de la estufa solar urbana”, se describe la estufa solar urbana que fue diseñada y elaborada por el ingeniero José Antonio Urbano Castelán de la Sección de Electrónica del Estado Sólido del CINVESTAV del IPN.
En el capítulo III, “Descripción y desarrollo del modelo matemático”, se describe el desarrollo del modelo matemático para el concentrador de la estufa solar urbana y también se presenta el desarrollo del programa de cómputo correspondiente al modelo matemático.
En el capítulo IV, “Experimentación y comparación de resultados”, se describe el desarrollo experimental y la comparación de los resultados de las pruebas experimentales realizadas en el concentrador solar de espejos planos de la estufa solar urbana los cuales son comparados con los resultados obtenidos de los programas de cómputo. Y finalmente las conclusiones, recomendaciones y los apéndices.
1
CAPÍTULO I. GENERALIDADES DE
LOS CONCENTRADORES SOLARES
2 En este capítulo se hace una descripción de las características generales de la energía solar, así como las diferentes formas de su evaluación y las relaciones geométricas de la radiación solar, así como algunas características de los concentradores solares.
1.1. NATURALEZA DE LA ENERGÍA SOLAR
El Sol es una esfera de materia gaseosa intensamente caliente con un diámetro de 1.39x109 m, como se muestra en la Figura 1.1 y está aproximadamente a 1.5x108km, y la energía emitida por el Sol viaja a la velocidad de la luz en el vacío alcanzando al planeta Tierra en 8 minutos y 20 segundos. Como se observa en la Figura 1.1, desde la Tierra, el disco solar forma un ángulo de 32’ (0.53°). Para muchas aplicaciones especialmente en concentradores solares, donde el Sol no puede considerarse como una fuente puntual y uniforme, éste pequeño ángulo es significativo en el análisis de las características ópticas del colector.
El Sol tiene una temperatura efectiva de cuerpo negro de 5760 K. La temperatura en la región central es mucho mayor, el flujo de energía del Sol es de 3.8x1020MW, la cual es igual a 63 MW/m2, de la superficie del Sol. La Tierra recibe solo una pequeña fracción del flujo de energía que emite el Sol y que es igual a 1.7x1014 kW, incluso con esta fracción pequeña, se estima que en 84 minutos de flujo de energía solar que recibe la Tierra es igual a la energía mundial demandada en un año (alrededor de 900 EJ) [2 y 3].
Como se observa desde la Tierra, el sendero del Sol a través del cielo varía a lo largo del año. La variación en la posición aparente del Sol a través del año es de una oscilación de más de 47°, (a causa de la inclinación de 23.5°, del eje de la Tierra con respecto al Sol), llamado declinación. La oscilación norte-sur en un ángulo aparente es la causa principal de la existencia de las estaciones en la Tierra.
3 Figura 1.1. Relación Sol-Tierra. [1]
1.1.1. Constante Solar
En la Figura 1.1 muestra esquemáticamente la geometría de la situación en el espacio del Sol y la Tierra. Cuando el Sol se encuentra a una distancia de 1.496x1011 m, que es la distancia media Tierra-Sol y sustenta un ángulo de 32’ (0.53°). La constante solar GSC, es la energía proveniente del Sol por unidad de
tiempo recibida en un área de superficie perpendicular a la dirección de propagación de la radiación, a una unidad astronómica fuera de la atmosfera.
El valor comúnmente aceptado para GSC, ha variado en los últimos años, según
las técnicas de medición que se han empleado es de: GSC =1353 W/m2, que en
otras unidades equivale GSC =1.940 cal/cm2-min, 428 Btu/pie2-h ó 4.871 MJ/m2-h.
Estos valores fueron aceptados por la NASA (1971), y por la ASTM [4].
Existen dos razones primordiales para la variación de la radiación solar fuera de la atmósfera terrestre. La primera es la variación de la radiación emitida por el Sol. Se han observado pequeñas variaciones (menores al ±1.5%), con diferentes periodicidad y amplitud por la propia actividad solar. La otra es la variación de la distancia Tierra-Sol donde se tiene una variación del orden del 3.3% en el flujo de
4 radiación extraterrestre. En la ecuación 1.1 se indica esta variación para cada día del año:
[ ( )] (1.1)
Donde Gon, es la radiación extraterrestre, medida en un plano normal a la
radiación para cualquier día n del año.
1.1.2. Distribución espectral de la radiación solar
El espectro electromagnético emitido por el Sol, es aproximadamente al equivalente a un cuerpo negro con una temperatura de 5760K. Después de los efectos combinados de partículas de agua en la atmosfera, polvo y la absorción de diferentes moléculas en el aire, ciertas frecuencias son absorbidas. Para efectos de simulación de la radiación solar se emplea habitualmente el espectro de radiación solar a nivel del mar como se muestra en la Figura 1.2 [5].
El espectro de la energía solar contiene longitudes de onda que son demasiado largas para ser vistos a simple vista como es el infrarrojo y longitudes de onda que son demasiado cortas para ser visible como es el ultravioleta como se muestra en la Figura 1.3.
5 Figura 1.2. Espectro solar. [5]
Figura 1.3. Curva estándar de la distribución del espectro electromagnético de la radiación emitida por el Sol. [2]
6
1.1.3. Relaciones geométricas de la radiación solar
Las relaciones geométricas entre un plano en cualquier orientación, ya sea fijo o con movimiento relativo a la Tierra y la radiación solar directa incidente, que es la posición relativa del Sol con respecto al plano [4 y 5]. Se describen en términos de varios ángulos los cuales se muestran en la Figura 1.4 y son los siguientes:
Latitud (ϕ): Es la ubicación angular hacia el norte (positivo) o hacia
el sur (negativos) de la línea ecuatorial (−90◦ ≤ϕ≤ 90◦).
Pendiente (β): Es el ángulo entre el plano cuestión y la superficie
horizontal. Se comprende en 0 ≤ β ≤ 180°.
Declinación (δ): Es la posición angular del Sol al mediodía solar (es
decir, cuando el Sol está sobre el meridiano local) con respecto al plano ecuatorial, dirección norte tiene un valor positivo y su rango de variación es −23.45° ≤δ ≤ 23.45°. La declinación se calcula con la siguiente ecuación:
( ) (1.2) Ángulo de superficie azimut (): Es la desviación de la proyección
de un plano normal a la superficie del plano receptor, con 0° hacia el sur, al este negativo y al oeste positivo, (-180° ≤ γ ≤ 180 °).
Ángulo horario (ω): Es el desplazamiento angular del Sol sobre la
línea este -oeste del meridiano local debido a la rotación de la Tierra sobre su eje a razón 15° por hora, negativo en la mañana y positivo por las tardes.
7 Figura 1.4. Ángulo zenit, de pendiente, de azimut de la superficie y de azimut solar para
una superficie inclinada. [4]
Ángulo de incidencia (θ): Es el ángulo entre la radiación directa
sobre una superficie y la normal a esta superficie. Para el ángulo de incidencia se puede determinar con la siguiente expresión:
(1.3)
Ángulo zenit (θz): Es el ángulo entre la vertical y la línea del Sol es decir, el ángulo de la incidencia de la radiación solar en una superficie horizontal. En el zenit solar del mediodía el ángulo es cero, en la salida del Sol y la puesta del Sol este ángulo es 90°.
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) (1.4)
Ángulo de altitud solar (αs): Es el ángulo entre el horizontal y la línea del Sol.
Sol Zenit β N E O S
8 Ángulo de azimut solar (γs): El desplazamiento angular desde el sur hacia la proyección de la radiación solar sobre el plano horizontal. Los desplazamientos de este-sur son negativas y oeste-sur son positivas. El ángulo solar de azimut se puede estimar como:
(1.5)
1.1.4 Estimación de la radiación solar
Aquí se hace la subdivisión de la estimación de la radiación solar extraterrestre sobre superficies horizontales y la estimación de la radiación solar en un día despejado.
Estimación radiación solar extraterrestre sobre superficies horizontales La radiación solar incidente sobre un plano horizontal fuera de la atmosfera terrestre es expresada por la siguiente ecuación [4]:
[ ( )] (1.6)
Donde GSC, es la constante solar y n, es el número de días consecutivos del año,
sustituyendo la ecuación (1.4), en la ecuación (1.6), se tiene para una superficie horizontal entre el amanecer y el ocaso como se muestra por la siguiente ecuación:
[ ( )] ( ( ) ( ) ( ) ( ) ( )) (1.7)
Para conocer la radiación extraterrestre diaria Ho, sobre una superficie horizontal
se integra la ecuación (1.7), sobre el periodo de tiempo entre el amanecer y el ocaso. Si GSC, está dada watts por metro cuadrado y Ho, está dada en joules por
9
(
) (
) (1.8)
Donde , es el ángulo horario de ocaso y está dado en grados.
Para calcular la radiación solar extraterrestre sobre una superficie horizontal Io,
para un periodo entre los ángulos horarios, ω1 y ω2, está dada por la siguiente
ecuación: ( ) [ ( ) ( ) ] (1.9)
Estimación de la radiación solar en un día despejado
Los efectos de la atmosfera en la dispersión y absorción de la radiación solar varían con respecto al tiempo, con las condiciones atmosféricas y con la masa de aire. Para eso resulta de mucha utilidad definir un cielo despejado típico y calcular la radiación solar diaria y horaria, que sería recibida en una superficie horizontal bajo estas condiciones estándar [4].
Hottel (1976) presentó un método para estimar la radiación solar transmitida a través de una atmósfera despejada para cuatro tipos de clima como se muestra en la Tabla 1.1. Para la radiación solar transmitida para una atmosfera despejada está dada por el ángulo zenit y la altitud. Para la transmitancia atmosférica de la radiación diaria promedio b, se obtiene por la siguiente ecuación:
( ) (1.10) Las constantes , y k para una atmósfera estándar considera una visibilidad
de 23 km, se determinan con los factores , y k*, los cuales están dados para una altitud de 2.5 km, donde A, es la altitud.
10 ( )
( ) ( )
Donde A es la altitud del observador en kilómetros. (Hottel también da ecuaciones para a0*, a1* y k* para una atmósfera estándar con 5 kilómetros de visibilidad).
Los factores de corrección son los siguientes ⁄ , ⁄ y ⁄ , se muestran en la Tabla 1.1.
Tabla 1.1. Factores de corrección para los tipos de clima.
Tipos de clima r0 r1 rk
Tropical 0.95 0.98 1.02
Latitud media en verano 0.97 0.99 1.02 Verano subártico 0.99 0.99 1.01 Latitud media en invierno 1.03 1.01 1.00
La radiación normal directa sobre una superficie terrestre para un cielo despejado es:
(1.11)
Donde Gon, es la radiación solar extraterrestre sobre una superficie horizontal. La
radiación solar directa sobre un plano horizontal Gcb, en la superficie terrestre para
una atmósfera despejada es:
(1.12)
Para períodos de una hora, la radiación directa sobre una superficie horizontal con cielo despejado es:
11 Para calcular la radiación total incidente para días despejados en una superficie horizontal es necesario estimar la radiación difusa. Para estimar la transmitancia difusa (Liu-Jordan 1960), desarrollaron la siguiente ecuación:
(1.14)
1.2. TIPOS DE CONCENTRADORES SOLARES
Existen varios tipos de concentradores solares, concentradores planos y concentradores de enfoque que siguen al Sol. Los concentradores solares de energía son un tipo especial de intercambiadores de calor que transforman la energía de la radiación solar en energía térmica que es transportada por un fluido de trabajo.En los concentradores solares, la energía proveniente del Sol se concentra en un dispositivo receptor donde dicha energía se absorbe en la superficie y se transforma en calor por conducción.
1.2.1 Concentradores planos
Los concentradores planos son los menos complejos son los que no requieren seguimiento continuo del Sol, éstos tienen un ángulo de aceptación muy grande, concentración baja y diseño con base en alguna curvatura sencilla, su orientación debe ser este-oeste a fin de obtener mejor aprovechamiento de los ángulos de aceptación grande, la concentración pueden llegar hasta 10. Recordemos que la concentración geométrica, o simplemente concentración, se refiere a la relación que existe entre el área de abertura del colector y el área de recepción.
Estos tipos de concentradores simples se muestra en la Figura 1.5, donde corresponde a un colector plano inclinado un ángulo β, que recibe la radiación solar proveniente Sol y la refleja por un espejo horizontal, en la Figura 1.6, se presentan colectores horizontales con espejos inclinados que reflejan la radiación sobre el colector.[6 y 9]
12 Figura 1.5. Colector plano con un espejo plano. [6]
Figura 1.6. Colector plano con dos espejos planos. [6]
1.2.2 Concentradores con seguimiento
Los concentradores de seguimiento se utilizan cuando se requieren concentraciones mayores de 10 por periodos de 6 horas o más a lo largo del año, se requieren sistemas de concentración con seguimiento al Sol. Este tipo de sistemas de concentración pueden ser rotados para seguir al Sol de manera que
13 intercepten la mayor cantidad de radiación directa posible. Pueden tener uno o dos ejes, y pueden estar orientados norte-sur o este-oeste. [7 y 8]
Parabólico de disco reflector
El sistema de disco también es conocido como sistema distribuido de punto de enfoque. El sistema de disco cuenta con pequeños espejos parabólicos que concentra la energía solar en un receptor como se muestra en la Figura 1.7. Emplea un sistema de seguimiento de 2 ejes para mover los espejos para asegurar que toda la energía solar reflejada por los espejos sea capturada. El receptor es montado generalmente por encima de los espejos en el centro del disco en el punto focal, el receptor absorbe la energía solar radiante para su conversión en energía térmica, la energía térmica puede ser convertida en electricidad mediante un generador que esta acoplado directamente al receptor (Schager, 2006).
Los discos parabólicos tienen varias ventajas importantes [7]:
Porque siempre están apuntando hacia el Sol, que son los más eficientes de todos los sistemas de colectores.
Por lo general tienen tasas de concentración en el rango de 600 a 2000 y por lo tanto son altamente eficientes en almacenamiento de energía térmica, en sistemas de conversión y el poder de absorción.
Son colectores modulares y las unidades del receptor puede funcionar de forma independiente o como parte de un sistema más grande de discos.
14 Figura 1.7. Colectores de disco parabólico. (a) Diagrama esquemático. (b) Fotografía del
colector Eurodish. [7] Colectores de campo de helióstatos
Para concentraciones altas de energía radiante, se utilizan una multiplicidad de espejos planos o helióstatos para reflejar su incidencia directa de radiación solar en un objetivo común como se muestra en la Figura 1.8. Se conoce como el campo de helióstatos, mediante el uso de segmentos de espejos ligeramente cóncavo en los heliostatos, grandes cantidades de energía térmica puede ser dirigida hacia la cavidad de un generador de vapor para producir vapor a alta temperatura y presión.
La energía térmica absorbida y concentrada por el receptor se transfiere a un fluido circulante que puede ser almacenado y utilizado para producir energía.
15 Recogen la energía solar y la transfieren a un solo receptor, lo que
minimiza los requisitos de transporte de energía térmica.
Por lo general alcanzan coeficientes de concentración de 300 a 1500 y que son altamente eficientes, tanto en la recolección de energía y en la conversión en electricidad.
Convenientemente se puede almacenar energía térmica.
Son bastante grandes (generalmente más de 10 MW).
Figura 1.8. Esquema del sistema de un receptor central. [7]
1.2.3. Tipos de concentradores solares actuales
El desarrollo de prototipos de concentradores solares ha sido muy variado. En muchas regiones del mundo se han construido y experimentado. Existen diseños de concentradores solares que cumplen un objetivo o satisfacen una necesidad en particular. A continuación se presentan algunos de los diseños existentes.
En el CIEMAT-Plataforma Solar de Almería Madrid España, se desarrolló un prototipo de concentración solar que se llama “Lente de Fresnel de doble reflexión
16 “, como se muestra en la Figura 1.9. Se compone de 864 espejos de (15×12 cm) divididos en 9 anillos concéntricos en un diámetro de 3.5 m. Donde todos los espejos concentran y reflejan los rayos solares en el foco. Tiene una estructura mecánica que permite el seguimiento solar por medio de un sistema electrónico [12].
Figura 1.9. Lente de Fresnel de doble reflexión. [12]
En el ANU (Australian National University), ha trabajado durante varios años en concentradores solares de disco parabólico. Desarrolló un primer prototipo llamado el Sistema SG3, como se muestra en la Figura 1.10. Es un disco de forma hexagonal, de una superficie reflectora de 400m2, de un diámetro de 25m, constituido por 54 paneles reflectores triangulares. El disco parabólico tiene un sistema en la estructura trasera que permite el movimiento en elevación y un sistema en la base que permite el movimiento acimutal [17].
El prototipo SG3 mencionado anteriormente, fue el inicio para la creación del sistema SG4, la construcción de este prototipo fue en el campus de la ANU, como se muestra en Figura 1.11. Tiene una superficie reflectora de 500 m2, con una
17 longitud focal de 13.4m y el sistema de seguimiento de altitud-azimut. Conformado por 380 paneles esféricos reflectores idénticos de 1.17×1.17m. Lovegrove en su trabajo dice que el concentrador SG4, ofrece la posibilidad de eficiencias mayores para la conversión de energía justificando el costo elevado de capital por unidad de área [18].
Figura 1.10. Concentrador de disco parabólico SG3. [17]
18 En el Centro de Investigación en Energía (CIE) de la UNAM, se construyó en el 2008 un concentrador solar parabólico con un ángulo de apertura de 90° denominado COSPAA-90 como se muestra en la Figura 1.12. Este concentrador se construyó a partir de una antena parabólica de telecomunicaciones como un esfuerzo de reconversión tecnológica, ya que fueron dadas de baja aproximadamente 200 antenas por la compañía TELECOM. Debido a las características geométricas y materiales utilizados en dichas antenas parabólicas de telecomunicaciones se sugirió la creación de COSPAA-90 ya que es un plato parabólico con 3.32 m de diámetro, con una área de captación de 8.66 m2 y el material de la antena es de aleación de aluminio (Duraluminio), que al pulirse tiene una reflectancia de 0.75 [19].
19
CAPÍTULO II. DESCRIPCIÓN DE LA
ESTUFA SOLAR URBANA
20 La estufa solar urbana analizada fue diseñada y construida por el ingeniero José Antonio Urbano Castelán. El diseño de la estructura del concentrador solar de espejos planos de la estufa solar urbana está basada en el principio de los lentes de Fresnel, al igual que el sistema de la torre de generación central, en la cual se desvían los haces de luz solar hacia un punto o área focal común por medio de espejos planos que “siguen” automáticamente la trayectoria solar conocidos como helióstatos. Para el concentrador solar de la estufa solar urbana, los espejos planos no tienen movimiento independiente, ya que cada uno está fijo con una orientación específica.
A continuación se muestra una descripción de los componentes de la estufa solar urbana.
2.1. COMPONENTES DE LA ESTUFA SOLAR URBANA
La estufa solar urbana, está compuesto por los siguientes elementos:
1. Soporte principal 2. Tubo cilíndrico
3. Estructura del concentrador 4. Receptor
5. Mecanismo de seguimiento del colector 6. Sensor electrónico
7. Piranómetros
8. Cuarto de maquinas
9. Adquiridor de datos para su evaluación
A continuación se describe de manera amplia cada uno de los elementos indicados.
21
1. Soporte principal
Tiene una forma de cruz compuesto por 4 vigas de perfil estructural tipo H; cada viga tiene un espesor de 0.00635m (0.250”), por 0.174m (6.870”) x0.105m (4.167”) y 1.49m (59”) de longitud, como lo muestra en la Figura 2.1.
2. Tubo cilíndrico
En el centro del soporte principal, se encuentra colocado de manera perpendicular un tubo cilíndrico de 0.127m (5”), de diámetro exterior por 2.09m, de largo. Como se muestra en la Figura 2.2. Al interior pasa la tubería que conecta la entrada y salida del intercambiador de calor tipo serpentín que se encuentra en el receptor del concentrador. Además, el tubo cilíndrico, brinda como punto de apoyo al mecanismo de altitud y azimut del concentrador solar.
22 Figura 2.2. Tubo cilíndrico.
3. Estructura del concentrador
La estructura del concentrador de 610 espejos planos, tiene una dimensión de 3.05×3.01m, que está dividida en 2 partes y está montada al tubo cilíndrico como se muestra en la Figura 2.3. Los espejos del concentrador tienen una dimensión de 0.1 x 0.1 m, con cierta inclinación cada uno, con el objetivo de concentrar los rayos solares en el receptor.
23
4. Receptor
El receptor, donde se absorbe toda la radiación reflejada por los 610 espejos, está conformado por tres intercambiadores tipo serpentín maquilados en cobre, los cuales comparten una misma tubería a la entrada y a la salida. Cada intercambiador se conforma por 8 vueltas de 19 cm de diámetro, en la última vuelta disminuyen su diámetro gradualmente para conformar la tapa del intercambiador. En la Figura 2.4, se muestra el conjunto de intercambiadores tipo serpentín que se colocaron en el receptor del concentrador solar.
Figura 2.4. Intercambiador de calor tipo serpentín colocado en el receptor del concentrador solar.
5. Mecanismo de seguimiento solar
Para el movimiento azimut del concentrador solar se cuenta con un mecanismo de motor y caja de engranes para que tenga un giro de 360°, como se muestra en la Figura 2.5, inciso (a). El mecanismo está montado al tubo cilíndrico. El motor que acciona el sistema de azimut es eléctrico de corriente directa, de 25 W, y va
24 colocado en la parte superior de la caja de engranes para transmitir movimiento al mecanismo de azimut. Al motor eléctrico, se le suministra energía de un módulo solar fotovoltaico dicha energía, se almacena en un banco de capacitores.
Figura 2.5. a) Mecanismo de azimut. b) Mecanismo de altitud.
Para el movimiento de altitud del concentrador solar se cuenta con un mecanismo similar como el anterior como se muestra en la Figura 2.5, inciso (b), el mecanismo se ubica en la parte superior del mecanismo de azimut. Este sistema cuenta con una trayectoria de 0° a 90° en altitud. El motor de altitud se alimenta de la misma fuente del sistema de azimut.
6. Sensor electrónico
El concentrador tiene un sensor electrónico, que está colocado en la parte superior del concentrador como se muestra en la siguiente Figura 2.6, su funcionamiento es por medio del efecto fotoeléctrico que corresponde al cambio de la intensidad de la radiación solar, y produce una señal de salida que es enviada a través de un circuito lógico-digital, para los motores eléctricos del mecanismo de seguimiento solar (altitud y azimut).
a) am ddf b)
25 Figura 2.6. Sensor electrónico.
Figura 2.7. a) Piranómetro para medición de la radiación global b) Piranómetro para medición de la radiación difusa.
7. Piranómetros
El concentrador tiene dos piranómetros que están colocados en la parte superior al centro del concentrador, como se muestra en la siguiente Figura 2.7. Un piranómetro detecta la radiación global y el otro detecta la radiación difusa, y la diferencia de la global y la difusa, obtenemos la radiación directa. Para la experimentación, el error de medición del piranómetro de la marca Campbell es de ±0.2%(0 a 1000 W/m2). Sensor electrónico a) am ddf b)
26
8. Cuarto de máquinas
En el cuarto de máquinas, se encuentra el tanque de almacenamiento como se muestra en la Figura 2.8. Es una característica fundamental de la estufa solar urbana lo que le da un grado de autonomía al permitir hacer uso del fluido caliente cuando no halla radiación solar, por ejemplo, en las noches. El tanque de almacenamiento tiene una capacidad de 500 litros y esta térmicamente aislado con fibra de vidrio para conservar la temperatura del fluido de trabajo.
Figura 2.8. Tanque de almacenamiento.
Dicho tanque de almacenamiento se utiliza para alimentar a una estufa convencional adaptada, que contiene 4 hornillas que son técnicamente intercambiadores de calor, como se muestra en la Figura 2.9, a través de las cuales fluye el fluido caliente, proveniente del tanque de almacenamiento mediante unas bombas, se hace pasar el fluido caliente hacia la superficie de las parrillas que pueden ser utilizadas como hornillas convencionales. También cuenta con un horno adaptado el cual al interior de sus paredes cuenta con intercambiadores de calor, los cuales al pasar el fluido caliente por su interior irradian el calor para que tenga un funcionamiento similar al de un horno convencional.
27 Figura 2.9. Hornillas.
Figura 2.10. Adquiridor de datos para la evaluación.
9. Adquiridor de datos para su evaluación
El equipo de adquisición de datos CR800 es de la marca CAMPBELL SCIENTIFIC®, como se muestra en la Figura 2.10, el cual se programó para
28 monitorear y almacenar los datos cada 5 segundos. Los equipos de medición que están conectados son los piranómetros, termopares y un anemómetro.
2.2. FUNCIONAMIENTO DE LA ESTUFA SOLAR URBANA
El funcionamiento de la estufa solar urbana consiste básicamente en captar la energía solar del concentrador concentrarla en el receptor, donde se lleva a cabo el intercambio de calor hacia el fluido de trabajo (aceite de automóvil). Después el aceite es bombeado a un tanque térmicamente aislado. Finalmente cuando se requiere utilizar la estufa se activa otra bomba que hace pasar el fluido de trabajo a través de las parrillas de la estufa donde por medio de otro intercambio de calor se le da un uso final a la energía para la cocción de alimentos. Después se repite el ciclo. En la fig. 2.11 se muestra el diagrama del proceso completo.
29
CAPÍTULO III. DESCRIPCIÓN Y
DESARROLLO DEL MODELO
30 En este capítulo se hace una descripción del desarrollo del modelo matemático para el concentrador de la estufa solar urbana y también se presenta el desarrollo del programa de cómputo correspondiente al modelo matemático.
3.1. MODELO MATEMÁTICO DE HOTTEL
Para el cálculo de la intensidad de radicación solar teórica se propuso el modelo de Hottel como se describe a continuación y que se ajusta al fenómeno que estamos estudiando.
Los efectos de la atmosfera en la dispersión y absorción de la radiación solar varían con respecto al tiempo, con las condiciones atmosféricas y con la masa de aire. Para eso resulta de mucha utilidad definir un cielo despejado típico y calcular la radiación solar diaria y horaria, que sería recibida en una superficie horizontal bajo estas condiciones estándar.
Hottel (1976) presentó un método para estimar la radiación solar transmitida a través de una atmósfera despejada para cuatro tipos de clima como se muestra en la Tabla 3.1. Para la radiación solar transmitida para una atmosfera despejada está dada por el ángulo zenit y la altitud [4]. Para la transmitancia atmosférica de la radiación diaria promedio b, se obtiene por la siguiente ecuación:
( ) (3.1) Las constantes , y k para una atmósfera estándar considera una visibilidad
de 23 km, se determinan con los factores , y k*, los cuales están dados para una altitud de 2.5 km, donde A, es la altitud.
( ) ( ) ( )
31 Donde A, es la altitud del observador en kilómetros. (Hottel también da ecuaciones para a0*, a1* y k* para una atmósfera estándar con 5 kilómetros de visibilidad).
Los factores de corrección son los siguientes ⁄ , ⁄ y ⁄ , se muestran en la Tabla 3.1.
Tabla 3.1. Factores de corrección para los tipos de clima.
Tipos de clima r0 r1 rk
Tropical 0.95 0.98 1.02
Latitud media en verano 0.97 0.99 1.02 Verano subártico 0.99 0.99 1.01 Latitud media en invierno 1.03 1.01 1.00
La radiación normal directa sobre una superficie terrestre para un cielo despejado es:
(3.2)
En la ecuación (3.2), Gon, es la radiación solar extraterrestre y se calcula mediante
la siguiente expresión:
[ ( )] (3.3)
En la ecuación (3.3), GSC=1353 W/m2; es la constante solar y n, es el número de
días consecutivos del año (1 < n < 365).
La radiación solar directa sobre un plano horizontal Gcb, en la superficie terrestre
para una atmósfera despejada es:
32 En la ecuación (3.4), θz, es el ángulo zenit y se calcula mediante la siguiente
expresión:
(3.5) En la ecuación (3.5), , es la latitud del lugar.
En la ecuación (3.6), n, es el número de días consecutivos del año, (1 < n < 365). Y, , es la declinación y se calcula mediante la siguiente expresión:
[ ( ) ] (3.6)
En la ecuación (3.5), , es el ángulo horario y se calcula mediante la siguiente expresión:
( ) (3.7) En la ecuación (3.7), H es la hora solar.
Para períodos de una hora, la radiación directa sobre una superficie horizontal con cielo despejado es:
(3.8)
Para calcular la radiación total incidente para días despejados en una superficie horizontal es necesario estimar la radiación difusa. Para estimar la transmitancia difusa (Liu-Jordan 1960), desarrollaron la siguiente ecuación:
33
3.2. MODELO MATEMÁTICO DE ERBS
Para poder comprobar el comportamiento que se tiene para la intensidad de la radiación solar difusa es necesario tener un modelo que utilice datos que ya hayan sido registrados previamente en una estación meteorológica (radiación global de la zona).
Para desarrollar este modelo necesitamos una ecuación que utilice la intensidad de la radiación solar global, para así determinar el cálculo de la intensidad de la radiación difusa y a partir de esta se calcula la radiación directa. En este caso se utilizó el modelo de Erbs [4 y 11], y se muestra a continuación:
{ (3.10) Donde: (3.11)
: Es el índice de claridad diario y se define como la relación entre la radiación solar incidente en la superficie terrestre sobre un plano horizontal en un día en particular (H), y la radiación extraterrestre para ese mismo día (H0). Esta ecuación
puede aplicarse a períodos de tiempo promedio mensuales, horarios e instantáneos.
3.3 DESARROLLO DEL PROGRAMA DE CÓMPUTO
Se realizó un programa de computo aplicando los modelos matemáticos descritos en la sección 3.1 y 3.2, esto con la finalidad de determinar el valor de la radiación solar directa teórica y real, para llevar a cabo el análisis energético en el concentrador solar.
34 Para el análisis energético del concentrador solar de espejos planos de la estufa solar urbana, que contiene 610 espejos planos divididos en 2 lados, y cada lado dividido en 15 aros como se muestra en la Figura 3.1. Se analizó cada espejo del concentrador como un plano individual, y también se describen las ecuaciones de movimiento del concentrador solar durante el día tanto en azimut ( ), como en inclinación ( ) Después se midió el ángulo de inclinación de cada espejo ( ), y se calculó el ángulo de azimut de cada espejo ( ), del concentrador solar. El subíndice e se usó para indicar los ángulos de los espejos. A continuación se presenta el desarrollo del modelo matemático.
Figura 3.1. Distribución de los espejos del concentrador.
De la ecuación 3.12, que describe el ángulo de incidencia , de la radiación sobre una superficie [4]. Se derivó con respecto a ( ), y con respecto (β), para obtener las ecuaciones de movimiento que garantiza el movimiento del concentrador solar durante todo el día, a continuación se muestra el procedimiento:
35
(3.12)
Se agruparon las constantes de la ecuación (3.12), como se muestra a continuación:
Se sustituyeron las constantes y se reagruparon los términos, y queda de la siguiente forma. ( ) [ ( ) ( ) ] Derivando: ( ) √ [ ( ) ( ) ] ( ) ( ) √ [ ( ) ( ) ] Despejando para ( ): [ ( )]
36 ( ) ( ) ( ) (3.13) Despejando para (β): ( ) ( ) ( ) ( ( ) ) (3.14)
Después se midió el ángulo de inclinación de cada espejo βe, y se calculó el
ángulo de azimut (γe), en el cálculo se considera cada espejo como un plano para
posteriormente sumar estos ángulos con las ecuaciones de movimiento (3.13), y (3.14), que se desarrolló anteriormente, para facilitar el análisis del concentrador se plantearon las ecuaciones que se muestran a continuación.
(
) (3.15)
( ( )
) (3.16)
En el Apéndice I., se presenta el procedimiento de la medición de los ángulos de inclinación y el cálculo de los ángulos de azimut.
Fue necesario calcular la radiación directa sobre una superficie inclinada a partir de medidas establecidas de la radiación solar en superficies horizontales. El factor geométrico Rb, representa la radiación solar sobre una superficie inclinada con
respecto a una superficie horizontal Gb,T/Gb, y puede ser calculada por las
37 (3.17) ( ) ( ) (3.18)
Para la radiación directa en una superficie inclinada se utilizó la siguiente expresión:
(3.19)
Por lo tanto para calcular la radiación solar absorbida por unidad de área del absorbedor S, es decir el flux absorbido para este tipo de concentradores se define por la siguiente ecuación [4,10 y 12]:
( ) (3.20)
La eficiencia óptica depende de las propiedades ópticas de los materiales involucrados, la geometría del concentrador, y las diversas imperfecciones derivadas de la construcción del concentrador a continuación se muestras los factores que involucran la eficiencia óptica [6 y 14]:
Reflectividad de la superficie del concentrador (ρ). Los valores de la reflectividad disminuyen progresivamente según aumenta la suciedad en la superficie.
Factor de interceptación (ɣ). Se aplica este factor puesto que las imperfecciones de los espejos y los posibles errores de seguimiento solar, provocan que no todos los rayos reflejados intercepten al receptor.
Transmisividad de la cubierta de cristal ( ). Una parte de la radiación solar reflejada por los espejos y que alcanza a la cubierta de cristal del tubo absorbedor, no es capaz de atravesarlo. La razón entre la radiación que
38 pasa a través de la cubierta de cristal, y la radiación total incidente sobre ella, da la transmisividad de esa cubierta de vidrio.
Absortividad (α). Cuantifica la cantidad de radiación incidente sobre la superficie selectiva que esta puede absorber.
Por lo tanto, se define como rendimiento óptico al producto de estos cuatro factores descritos:
(3.21) Todos estos parámetros son adimensionales y sus valores típicos son del orden de 0.90 a 0.95, con excepción de cuyo valor está entre 0.75 y 0.85, según la calidad del reflector [6 y 15].
3.3.1 Descripción de los programasRSD1 y RSD2
Se realizaron 2 programas de cómputo con el Software de Matlab versión 7.11.0 (R2010b) basados en el método de Hottel(programa llamado RSD1) y Erbs (RSD2), el primer programa con la finalidad de calcular la radiación solar directa teórica y el segundo con el método de Erbs para calcular la radiación solar difusa y directa a partir de datos reales de radiación global, para este programa se utilizan datos de la radiación que se registran en un piranómetro de la marca Yankee Enviaromental Systems Co. Mod TSP-1 ubicado en las instalaciones del CINVESTAV del IPN, Ciudad de México D.F. Los programas permiten el cálculo de la intensidad de la radiación solar que llega en el concentrador y la cantidad de energía reflejada hacia el receptor. A continuación se muestran los datos que se consideran para cada uno de los programas:
39 Datos considerados para el programa RSD1
Fecha de la prueba.
Hora.
Latitud del lugar. El ángulo de latitud en grados para el lugar en donde se desee simular el comportamiento de la estufa.
Altitud (km, s.n.m)
Tipo de Clima
Área total de espejos. Superficie de reflexión en metros cuadrados.
Ángulo de Inclinación de la superficie (° )
Ángulo de superficie azimutal (° )
Datos considerados para el programa RSD2
Fecha de la prueba.
Hora.
Latitud del lugar. El ángulo de latitud en grados para el lugar en donde se desee simular el comportamiento de la estufa.
Área total de espejos. Superficie de reflexión en metros cuadrados.
Radiación solar global en W/m2, este dato va ligado con la hora y la fecha de prueba.
Ángulo de Inclinación de la superficie (° )
Ángulo de superficie azimutal (° )
En el Apéndice II. Se muestra el código de programación para los programas de cómputo.
40 Diagrama de flujo para el programa RSD1.
Figura 3.2. Diagrama de flujo del programa de cómputo RSD1.
Generar gráfica de resultados Fin Si Graficar 2 No Generar tabla de resultados Cálculo de la radiación solar instantánea para un plano inclinado.
Cálculo de la radiación reflejada por los espejos hacia el receptor.
Inicio
Ingresar datos: Fecha, hora, Área
de espejos, Tipo de clima, Altitud de la zona. Comenzar Cálculo 1 No Si Contador
41 Diagrama de flujo para el programa RSD2.
Figura 3.3. Diagrama de flujo del programa de cómputo RSD2.
Generar gráfica de resultados Fin Si Graficar 2 No Generar tabla de resultados Cálculo de la radiación solar instantánea para un plano inclinado.
Cálculo de la radiación reflejada por los espejos hacia el receptor.
Inicio
Ingresar datos: Fecha, hora, Área
de espejos, Radiación Solar Global. Comenzar Cálculo 1 No Si Contador
42
3.3.2. OBTENCIÓN DE DATOS A PARTIR DE LOS PROGRAMAS RSD1 y RSD2
En la Figura 3.4 se muestra una ventana con los datos que arroja el programa RSD1. Y en la Figura 3.5 para el programa RSD2.
Figura 3.4. Resultados del programa de cómputo RSD1.
43
CAPÍTULO IV. EXPERIMENTACIÓN Y
COMPARACIÓN DE RESULTADOS
44 En este capítulo se presenta la experimentación que se realizó en las Instalaciones del CINVESTAV Zacatenco del IPN. Y la comparación de los resultados de las pruebas experimentales realizadas en el concentrador solar de espejos planos de la estufa solar urbana los cuales son comparados con los resultados obtenidos de los programas de cómputo.
4.1. DESCRIPCIÓN DE LA INSTRUMENTACIÓN
Piranómetro.- Para la medición de la radiación solar se utilizaron 2 piranómetros
de la marca CAMPBELL SCIENTIFIC®, uno para medir la radiación global y otro para medir la radiación difusa, como se muestra en la Figura 4.1.
Datalogger.- Los piranómetros se conectan a un equipo de adquisición de datos
modelo CR800 de la marca CAMPBELL SCIENTIFIC®, el cual se programó para monitorear los datos y almacenarlos cada 5 s. En la Figura 4.2 se muestra el sistema de adquisición de datos utilizado.
Figura 4.1. a) Piranómetro para medición de la radiación global b) Piranómetro para medición de la radiación difusa.
En la Figura 4.3 se muestra el montaje experimental utilizado para las pruebas, mismas que se evalúan en un lapso de 4 horas.
a) am ddf b) am ddf
45 Figura 4.2. Adquiridor de datos para la evaluación.
46
4.2. OBTENCIÓN DE DATOS A PARTIR DE LA INSTRUMENTACIÓN
En la Figura 4.4 se muestra el esquema que representa la trayectoria que se sigue para la obtención y tratamiento de datos.
Figura 4.4. Esquema para la obtención de datos.
El software Datalogger permite visualizar los datos como se muestra en la Figura 4.5.
.
47
4.3. ANÁLISIS DE RESULTADOS
De los datos de la intensidad de radiación solar registrados para el día 12 de marzo del 2013. En la figura 4.6 se muestran los valores obtenidos experimentalmente durante el lapso de tiempo 11:31h a 15:09h.
Figura 4.6. Resultados experimentales de la intensidad de la radiación solar correspondiente al día 12 de marzo del 2013.
En la Figura 4.6 se muestran los valores de la intensidad de la radiación solar difusa, directa y global. Durante el lapso de medición se pueden apreciar variaciones a lo largo del tiempo de medición, teniendo un máximo de 1192 W/m2 y un valor mínimo de 192 W/m2, para la radiación directa se obtuvo un valor máximo de 1039 W/m2 y un valor mínimo de 5 W/m2 y para la radiación difusa se obtuvo un valor máximo de 640 W/m2 y un valor mínimo de 112 W/m2. Estas variaciones se deben a que la radiación solar que llega a un plano situado en la superficie terrestre varía dependiendo del día, la hora del día, zona geográfica y estación del año. La nubosidad es otro factor que impide que la radiación solar llegue de forma directa al concentrador [4 y 16].
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 11 :3 1 11 :4 0 11 :4 9 11 :5 8 12 :0 7 12 :1 6 12 :2 5 12 :3 4 12 :4 3 12 :5 2 13 :0 1 13 :1 0 13 :1 9 13 :2 8 13 :3 7 13 :4 6 13 :5 5 14 :0 4 14 :1 3 14 :2 2 14 :3 5 14 :4 4 14 :5 3 15 :0 9 In te n si d ad d e la R ad ia ci ó n So la r (W /m 2) Hora
Radiación Difusa W/m2 Radiación Directa W/m2 Radiación Global W/m2
48 Para los días 19, 20 y 21 de marzo del 2013 se presentan las figuras 4.7, 4.8, 4.9 los resultados teóricos y experimentales. Los valores teóricos se obtuvieron con el programa RSD1. En la Figura 4.7 se muestra el comportamiento de la intensidad de la radiación solar teórica (línea morada) para el día 19 de marzo del 2013. En la Figura 4.7 se observa que en la parte experimental hay variaciones mínimas esto se debe a que fue un día despejado sin nubosidad y se aprecia un valor 972 W/m2 y un mínimo de 467 W/m2 en la parte experimental, mientras que en la parte teórica se observa un máximo de 1020 W/m2 y un mínimo de 357 W/m2.
Figura 4.7. Resultados teóricos y experimentales de la intensidad de la radiación solar correspondiente al día 19 de marzo del 2013.
En la Figura 4.8, se observa para la parte experimental un máximo de 829 W/m2 y una mínima de 70 W/m2 debido a que fue un día nublado, mientras que en la parte teórica se observa un valor máximo de 1017 W/m2 y un valor mínimo de 319 W/m2 , se observa diferencia entre la línea teórica y experimental en la línea teórica no se presentan altibajos en la radiación y esto se debe a que para la determinación de la radiación solar teórica se aplican condiciones de un día despejado, en donde no hay factor que interfiera que la radiación solar llegue directamente al concentrador. 0 200 400 600 800 1000 1200 1 1 :2 4 1 1 :3 6 1 1 :4 8 1 2 :0 0 1 2 :1 2 1 2 :2 4 1 2 :3 6 12 :4 8 1 3 :0 0 1 3 :1 2 1 3 :2 4 1 3 :3 6 13 :4 8 1 4 :0 0 1 4 :1 2 1 4 :2 4 1 4 :3 6 14 :4 8 1 5 :0 0 1 5 :1 2 1 5 :2 4 1 5 :3 6 15 :4 8 1 6 :0 0 In te n si d ad d e la R ad ia ci ó n So la r (W /m 2 ) Hora
49 Figura 4.8. Resultados teóricos y experimentales de la intensidad de la radiación solar
correspondiente al día 20 de marzo del 2013.
Figura 4.9. Resultados teóricos y experimentales de la intensidad de la radiación solar correspondiente al día 21 de marzo del 2013.
0 200 400 600 800 1000 1200 11 :0 4 11 :1 6 11 :2 8 11 :4 0 11 :5 2 12 :0 4 12 :1 6 12 :2 8 12 :4 0 12 :5 2 13 :0 4 13 :1 6 13 :2 8 13 :4 0 13 :5 2 14 :0 4 14 :1 6 14 :2 8 14 :4 0 14 :5 2 15 :0 4 15 :1 6 15 :2 8 15 :4 0 15 :5 2 16 :0 4 In te n si d ad d e la R ad ia ci ó n S o la r ( W /m 2) Hora
Radiación Experimental Radiación Teórica
0 200 400 600 800 1000 1200 11 :0 0 11 :1 3 11 :2 6 11 :3 9 11 :5 2 12 :0 5 12 :1 8 12 :3 1 12 :4 4 12 :5 7 13 :1 0 13 :2 3 13 :3 6 13 :4 9 14 :0 2 14 :1 5 14 :2 8 14 :4 1 14 :5 4 15 :0 7 15 :2 0 15 :3 3 15 :4 6 15 :5 9 16 :1 2 In te n si d ad d e l a R ad ia ci ó n S o la r (W /m 2 ) Hora
50 En la Figura 4.9, se observa que fue un día con nubosidad obteniendo un valor máximo de 1004 W/m2 y un mínimo de 8 W/m2, como se mencionó anteriormente los factores que afectan a estas variaciones, mientras que en la parte teórica un máximo de 1017 W/m2 y un mínimo de 245 W/m2. En las gráficas que se describieron anteriormente se aprecia que la radiación solar máxima y mínima varía en cada uno de los días de experimentación y con esto se corrobora que la cantidad de radiación solar que llega a la superficie del concentrador dependerá de la hora y las condiciones del día.
Para determinar la cantidad de energía reflejada hacía el receptor se utilizó la ecuación 3.20, que permitió evaluar la cantidad de energía que recibe el receptor. En las Figuras 4.10, 4.11, 4.12 y 4.13 se muestran la intensidad de la radiación solar reflejada por la superficie reflectora de 6.1m2 hacia el receptor. En la figura 4.1 se observa un máximo para la parte experimental 4778.78 W y un mínimo de 4.60 W, esto se debe a que se encuentra árbol cerca del concentrador y genera sombra cuando hay más nubosidad y afecta a la energía reflejada por la superficie reflectora, otro factor son las imperfecciones de los espejos, la reflectividad de los espejos y al error del sistema de seguimiento del concentrador.
Figura 4.10. Resultados teóricos y experimentales de la intensidad de la radiación reflejada hacia el receptor solar correspondiente al día 12 de marzo del 2013.
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 11 :3 1 11 :3 9 11 :4 7 11 :5 5 12 :0 3 12 :1 1 12 :1 9 12 :2 7 12 :3 5 12 :4 3 12 :5 1 12 :5 9 13 :0 7 13 :1 5 13 :2 3 13 :3 1 13 :3 9 13 :4 7 13 :5 5 14 :0 3 14 :1 1 14 :1 9 14 :3 1 14 :3 9 14 :4 7 14 :5 5 15 :1 0 In te n si d ad d e la R ad ia ci ó n S o la r R e fl e ja d a (W) Hora
51 Figura 4.11. Resultados teóricos y experimentales de la intensidad de la radiación solar
reflejada hacia el receptor solar correspondiente al día 19 de marzo del 2013.
Figura 4.12. Resultados teóricos y experimentales de la intensidad de la radiación solar reflejada hacia el receptor solar correspondiente al día 20 de marzo del 2013.
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 11 :2 4 11 :3 5 11 :4 6 11 :5 7 12 :0 8 12 :1 9 12 :3 0 12 :4 1 12 :5 2 13 :0 3 13 :1 4 13 :2 5 13 :3 6 13 :4 7 13 :5 8 14 :0 9 14 :2 0 14 :3 1 14 :4 2 14 :5 3 15 :0 4 15 :1 5 15 :2 6 15 :3 7 15 :4 8 15 :5 9 In ten si o d ad d e la R a d ia ci ó n S o la r R ef lej a d a (W) Hora
Radiación Reflejada Teórica (W) Radiación Reflejada Experimental (W)
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 1 1: 0 4 1 1: 1 6 1 1: 2 8 1 1: 4 0 1 1: 5 2 1 2: 0 4 1 2: 1 6 1 2: 2 8 1 2: 4 0 1 2: 5 2 1 3: 0 4 1 3: 1 6 1 3: 2 8 1 3: 4 0 1 3: 5 2 1 4: 0 4 1 4: 1 6 1 4: 2 8 1 4: 4 0 1 4: 5 2 1 5: 0 4 1 5: 1 6 1 5: 2 8 1 5: 4 0 1 5: 5 2 1 6: 0 4 In ten si d a d d e la R a d ia cí ó n S o la r R ef lej a d a (W) Hora
