Generación de vapor de agua utilizando un concentrador solar tipo Scheffler de 8m
2Eliana Cárdenas – [email protected] Miguel Hadzich – [email protected] Sandra Vergara – [email protected]
Pontificia Universidad Católica del Perú, Grupo de Apoyo al Sector Rural
Resumen. La presente investigación está referido a la generación de vapor de agua utilizando como fuente de energía un concentrador solar tipo Scheffler de 8 m2 de superficie, a través de un caldero que utilizará la potencia térmica entregada por el concentrador. Las pruebas se realizaron en el tiempo de verano, el concentrador solar, entregó una potencia de 533.16W, permitiendo obtener una cantidad considerada de vapor de agua en menos de 1h 25min. En pruebas realizadas la temperatura del agua llegó hasta los 101°C, alcanzando un rendimiento de 75.7% en el flujo energético de la caldera.
Palabras-clave: Concentrador Solar, Vapor de agua, Scheffler Concentrator, Energía Solar
1. INTRODUCCIÓN
El reflector Scheffler puede rastrear el movimiento del sol, enfocando la luz solar en un lugar fijo. La luz enfocada puede calentar una olla muy grande, o un caldero para generar vapor, cocinar, hornear panes, calentar agua o para la inceneración (Ulrich Oelher y Scheffler, 1994; Scheffler, 2006a, b).
Fig. 1. Representación de un Concentrador Scheffler en una aplicación de cocción solar
Fuente: Simone Alberti (2014). ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF THE SCHEFFLER SOLAR CONCENTRATOR (Thesis presented to the Faculty of California Polytechnic State University, San Luis Obispo).
Teniendo en cuenta las diversas ventajas, debido a las características únicas del reflector Scheffler sobre otros concentradores parabólicos, se utilizó un caldero de 20L de capacidad. El caldero fue diseñado en el Grupo de Apoyo al Sector Rural (GRUPO PUCP), utilizando acero inoxidable, incluyendo un visor de nivel, que nos permitió medir el flujo de vapor de agua en el tiempo, teniendo presente todos los parámetros para un mejor análisis.
Fig. 2. Caldera de 20L de capacidad.
Fuente: GRUPO-PUCP
2. METODOLOGÍA
2.1. Instalación del sistema.
Para la generación de vapor de agua se colocó el caldero con agua a la altura del foco del concentrador solar tipo Scheffler de 8 m2 de superficie, como se muestra en la fig. 3.
Fig. 3. Concentrador solar tipo Scheffler con caldero, instalado en el campus de la PUCP.
2.2. Toma de datos.
Se controló la temperatura del agua; la temperatura de las paredes del caldero, la irradiancia, como se muestra en la Tabla 1.
Fig. 4. Toma de datos en el Caldero.
Tabla 1: Toma de datos el 26 de febrero de 2020.
TIEMPO (mm:ss)
IRRADIANCIA
(W/m2) T1 T2 T3 T4
09:05 360.5684 25.6 25 24.6 26.4
09:10 350.5826 36.1 23..9 23 25.7
09:15 430.3231 43 23.9 22.7 26.3
09:20 397.9903 45.9 28.4 22.1 24
09:25 363.4496 53.9 24.8 20.7 27
09:30 356.9441 58.2 24.5 22.6 27.1
09:35 418.3994 63.3 23.1 21.8 26.2
09:40 351.444 72.3 34.2 23.1 30
09:45 347.3389 71.2 24 19.5 25.2
09:50 401.8299 76.1 25.5 21.7 26.4
09:55 518.7154 79.8 30 25.5 33
10:00 878.5233 84.8 34.5 26.8 31.3
10:05 1008.858 88.4 32.8 27.4 32.9
10:10 1065.036 89.7 32.3 25.1 30.2
10:15 755.125 91.4 30.2 24.6 29.7
10:20 737.7188 93.5 25.5 25.3 21.2
10:35 438.3431 95.8 30.8 27 32.3
10:40 447.1204 100.4 43.8 30.2 26.8
10:45 524.8692 95.8 41.1 31.1 35.9
10:50 499.3331 98.3 32.6 28.6 34.9
10:55 596.7528 100.4 38.7 33.6 38.1
11:00 1176.28 102.2 36.6 30.3 36.8
11:05 1129.364 100.9 38.9 28.5 33.7
11:10 782.47 100.2 35.3 30.7 36.8
11:15 652.6096 99.8 30.7 23.9 31.6
11:20 513.3241 97.9 33.1 27.2 32.2
11:25 575.8902 105.9 40.8 29.8 36
11:30 1151.711 103 39 32.7 35.2
11:40 441.3247 98.8 39.9 28.1 30.7
11:45 400.2214 97.2 32.7 25.7 28.1
11:50 617.8187 100.8 35.1 27 31.6
11:55 1095.573 98.6 40.6 29.8 33.6
12:20 1061.012 92.8 33.1 25.8 35.7
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1. Potencia y Eficiencia del Concentrador Solar.
Para calcular la potencia entregada por el concentrador primero se calcula el área útil, se tiene los siguientes datos en la Tabla 2.
Tabla 2: Dimensiones de la superficie del concentrador.
Dimensiones del elipse
a 1.88 m
b 1.37 m
Area teoretica ( Pi * a * b ) 8.09 m2 Perdidas por construccion
(huecos, hilo metalicos…) 5%
Area útil 7.69 m2
Fig. 5. Área de la elipse utilizada.
El área útil se multiplica por el factor de apertura el cual depende de la declinación solar. Para hallar el factor de apertura, tenemos:
Tabla 3: Factor de apertura (U. Oelher, 1994) Apertura para reflector de pie de 8m²
Factor de apertura (cos factor):
Hemisferio Norte: cos(43,23°+angulo solar/2) Hemisferio Sur: cos(43,23°-angulo solar/2)
Cálculo de la declinación solar [Cooper, 1960]:
Donde:
• δ= declinación solar (º)
• j = Número de día en el año
Una vez se tiene la potencia que se transmitirá al agua para que cambie de fase, se puede determinar todos los parámetros del vapor generado:
➢ Energía necesaria para llevar 10L H2O de temperatura ambiente a 96ºC (Qc):
𝑄𝑐 = 𝑚 ∗ 𝐶𝑝 ∗ (𝑇𝑓 − 𝑇𝑖) [𝐾𝐽]
Dónde:
● M: massa de agua a calentar [L].
● Cp: calor específico H2O= 4.1813 KJ/gºC
➢ Energia para evaporar 10L de H2O (Qv):
𝑄𝑣 = 𝑚 ∗ 𝐿𝑣 [𝐾𝐽]
Dónde:
● Lv: Calor latente del agua a 96ºC= 2257 KJ/kg
➢ Eficiencia de la caldera:
𝜂 = 𝑄̇𝑢 𝑄̇𝑖𝑛∗ 100
3.2. Resultados obtenidos.
Apertura útil para cada día del año, en la tabla 4 se muestra la apertura útil y el factor de apertura para el 26 de febrero de 2020.
Tabla 4: Apertura útil para cada día del año POTENCIA DEL
REFLECTOR 21-ene 26-feb 21-marz 21-abr 21-mayo Unidad
Dia del año 2019 21 57 81 112 142
Declinación solar -20.14 -9.41 0 11.93 20.34 °
Factor de apertura 84% 78% 73% 65% 60%
Apertura teoretica 6.77 6.33 5.90 5.29 4.82 m2
Apertura útil 6.43 6.01 5.60 5.02 4.58 m2
Tabla 5: Apertura útil para cada día del año
Tiempo (mm:ss)
Tiempo (s)
Temperatura agua (°C)
Irradiancia (W/m^2)
Potencia teorica reflector Scheffler
Potencia útil (kJ)
Potencia solar Scheffler
Efficiencia global
09:05 0 23.8 360.57 1083.51
09:10 5 27.6 350.58 1053.50 159.07 2137.01 0.07
09:15 10 35 430.32 1293.12 309.76 2346.62 0.13
09:20 15 40.1 397.99 1195.96 213.49 2489.08 0.09
09:25 20 45.7 363.45 1092.17 234.42 2288.13 0.10
09:30 25 52.7 356.94 1072.62 293.02 2164.78 0.14
09:35 30 58 418.40 1257.29 221.86 2329.91 0.10
09:42 37 62.2 351.44 1056.09 175.81 2313.38 0.08
09:45 40 65.6 347.34 1043.75 142.32 2099.84 0.07
09:50 45 71.3 401.83 1207.50 238.60 2251.25 0.11
09:55 50 74.7 518.72 1558.74 142.32 2766.24 0.05
10:00 55 77.3 878.52 2639.96 108.84 4198.70 0.03
10:05 60 81.7 1008.86 3031.62 184.18 5671.58 0.03
10:10 65 87.3 1065.04 3200.43 234.42 6232.05 0.04
10:15 70 89.4 755.13 2269.15 87.91 5469.58 0.02
10:20 75 93.1 737.72 2216.84 154.88 4486.00 0.03
10:25 80 98.6 728.02 2187.71 230.23 4404.55 0.05
10:30 85 100.2 694.91 2088.20 66.98 4275.91 0.02
10:35 90 100 438.34 1317.22 -8.37 3405.42 0.00
10:40 95 99.7 447.12 1343.60 -12.56 2660.82 0.00
10:45 100 100.2 524.87 1577.23 20.93 2920.83 0.01
Fig. 6. Gráfica de generación de vapor de agua en el tiempo, teniendo en cuenta los parámetros de temperatura e irradiancia.
4. CONCLUSIONES
Se ha demostrado que, mediante el uso de energía solar concentrada, es posible generar vapor de agua en un caldero, a pesar de lo fluctuante que es el clima en el distrito de San Miguel – Lima (PUCP); por lo tanto, esta tecnología de fácil acceso y manipulación, puede ser usado en zonas que tengan buena irradiancia todo el año.
El concentrador solar tipo Scheffler de 8 m2, entregó una potencia de 533.16W, permitiendo obtener una cantidad considerada de vapor de agua en menos de 1h 25min. En pruebas realizadas la temperatura del agua llegó hasta los 101°C, alcanzando un rendimiento de 75.7% en el flujo energético de la caldera.
5. REFERENCIAS
Ulrich Oelher and Scheffler Wolfgang (1994) The use of indigenous materials for solar conversion. Solar Energy Materials & Solar Cells. 33, 379- 438.
Simone Alberti (2014). ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF THE SCHEFFLER SOLAR CONCENTRATOR (Thesis presented to the Faculty of California Polytechnic State University, San Luis Obispo).
Miguel Hadzich, François Veynandt (2014). Design of a Solar Coffee Roaster for Rural Areas. ELSEVIER, 57, 3215 – 3224.
Anil Kumar, Om Prakash, Ajay Kumar Kaviti. (2017), A comprehensive review of Scheffler solar collector.
Renewable and Sustainable Energy Reviews 77, 890-898
Water steam generation through Scheffler-type solar concentrator 8m2
Eliana Cárdenas – [email protected] Miguel Hadzich – [email protected] Sandra Vergara – [email protected]
Pontificia Universidad Católica del Perú, Grupo de Apoyo al Sector Rural
Abstract. The present research refers to the generation of water steam using a Scheffler-type solar concentrator of 8 m2 surface as an energy source, through a boiler that will use the thermal power delivered by the concentrator. The tests were carried out in the summer season, the solar concentrator delivered a power of 533.16W, allowing to obtain a considered quantity of water steam in less than 1h 25min. Values were obtained of water temperature until the101 ° C, reaching yield of 75.7% in the energy flow of the boiler.
Keywords: Scheffler Concentrator, Solar Energy, Water steam
