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MariethRuiz Actividad3.2Investigación
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INGENIERÍA EN ENERGÍAS
RENOVABLES
INSTITUTO TECNOLÓGICO DEL VALLE DE ETLA
Investigación
Actividad 3.2
Presenta
Asesor
Semestre:
7º
Indicé
Contenido
Introducción:...........................................................................................................................3
Conclusión:...........................................................................................................................24
Referencias Bibliográficas....................................................................................................25
3
Introducción:
Como primer punto comenzamos con el tema de los colectores de concentración. Los
concentradores se pueden dividir en dos categorías: sin imágenes y con imágenes. También
pueden ser reflectores o refractores, pueden ser cilíndricos o superficies de revolución, y
pueden ser continuos o segmentado. También veremos las configuraciones que tienen cada
uno de los colectores de concentración.
Por ultimo haremos énfasis en la eficiencia óptica de los colectores de concentración, donde
veremos las propiedades ópticas y como varían sustancialmente con la geometría del
dispositivo. Para culminar se dará a conocer el diseño y dimensionado de los sistemas
térmicos.
A continuación se desarrollara con más profundidad los puntos antes mencionados para una
mejor comprensión.
4
Se han propuesto muchos diseños para concentrar colectores. Los concentradores pueden
ser reflectores o refractores, pueden ser cilíndricos o superficies de revolución, y pueden ser
continuos o segmentado. Los receptores pueden ser convexos, planos o cóncavos y pueden
cubrirse o descubrirse.
Los concentradores pueden tener relaciones de concentración desde valores bajos menores
que la unidad hasta valores altos valores del orden de 10^5. Razones crecientes significan
temperaturas crecientes a las que la energía se puede entregar y los requisitos crecientes de
precisión en la calidad óptica y posicionamiento del sistema óptico. Por lo tanto, el costo de
la energía entregada de una concentración colector es una función de la temperatura a la
que está disponible. En el rango más alto de concentración y la correspondiente precisión
más alta de la óptica, los colectores de concentración son denominados hornos solares;
Estas son herramientas de laboratorio para estudiar las propiedades de los materiales en alta
temperaturas y otros procesos de alta temperatura. Laszlo (1965) y las Actas del Simposio
de Hornos Solares de (1957) incluye extensas discusiones sobre hornos solares. Las
principales preocupaciones de este capítulo son los sistemas de suministro de energía que
operan a niveles bajos o concentraciones intermedias.
Son posibles muchos tipos de concentradores para aumentar el flujo de radiación en los
receptores. Pueden ser reflectores o refractores. Pueden ser cilíndricas para enfocarse en
una "línea" o circular para enfocarse en un "punto". Los receptores pueden ser cóncavos,
planos o convexos. Ejemplos de seis Las configuraciones se muestran en la Figura 1.
5
Los dos primeros son conjuntos de tubos de vacío con absorbedores cilíndricos separados
entre sí, con reflectores traseros para dirigir la radiación de la zona entre los tubos a los
absorbentes. El primero utiliza un reflector trasero difuso plano y el segundo reflectores
especulares en forma de cúspide.
La configuración que se muestra en la Figura 1 (c) tiene un receptor plano con reflectores
planos en los bordes para reflejar radiación adicional sobre el receptor. Las relaciones de
concentración de este tipo son baja, con un valor máximo de menos de 4. Algunos de los
componentes difusos de la radiación incidente en los reflectores serían absorbidos por el
receptor.
Estos coleccionistas pueden ser vistos como colectores de placa plana con radiación
aumentada. Análisis de estos concentradores han sido presentados por Hollands (1971),
Selcuk (1979) y otros. Figura 1 (d) muestra un reflector de sección parabólica, que podría
ser una superficie cilíndrica (con un receptor tubular) o una superficie de revolución (con
un receptor esférico o hemisférico). Los colectores cilíndricos de este tipo se han estudiado
con cierto detalle y están siendo aplicados.
Para los concentradores que se muestran en las Figuras 1 (c– f), los receptores planos de un
solo lado pueden ser utilizados (si el receptor no está "dentro" del reflector). Cilíndrico,
hemisférico u otro también pueden ser posibles formas convexas, y también pueden usarse
receptores de cavidades (Duffie, et al., 2013).
Los concentradores son inherentemente más eficientes a una temperatura dada que son
colectores de placa plana, ya que el área de la que se pierde el calor es menor que el área de
apertura. En un dispositivo de placa plana, ambas áreas tienen el mismo tamaño. Un simple
el balance energético ilustra este principio. La energía útil entregada por un coleccionista
que viene dado por
7
q u=η0 I c Aa −U v ( T r −T a ) A r , ( EC .3 )
qn
ηC = ,( EC .4)
Ic Aa
U c ( T r−T a ) 1
ηC =ηo− .( EC .5)
Ic CR
Para una placa plana CR ≅ 1, y para concentradores, CR> 1. Como resultado, el término
de perdida (segundo término) en la Ecuación 5 es menor para un concentrador y la
eficiencia es mayor.
Una desventaja de los concentradores es que pueden recolectar sólo una pequeña fracción
de la energía difusa incidente en su apertura. Esta la propiedad es un criterio importante
para definir los límites geográficos de la uso exitoso de concentradores (Yogi, 2015).
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Aa
C= (EC .6)
Ar
r2 4
Q s → r= Aa 2 σ T s (EC .7)
R
Un receptor perfecto (es decir, cuerpo negro) irradia energía igual a Ar T 4 r , y una fracción
de esto, Er −s , llega al sol:
Q r → s= Ar σ T 4 r Er− s ( EC .8 )
Aa R2
= = Er−s ( EC .9 )
Ar r 2
Aa R2 1
( )
Ar circular ,max
=
r 2
= 2 ( EC .10 )
sin θs
Aa 1
( )
Ar circular ,max
=
sinθ s
( EC.11)
10
La curva de "límite inferior" representa las relaciones de concentración en las que las
pérdidas térmicas serán iguales a la energía absorbida; las relaciones más altas resultarán
entonces en una ganancia útil. El rango sombreado corresponde a eficiencias de cobranza
de 40 a 60% y representa un rango probable de operación.
También se muestran rangos aproximados en los que se pueden utilizar varios tipos de
reflectores. (Esta figura no debe usarse para el diseño. Se basa en un conjunto supuesto de
condiciones que determinan la radiación absorbida y las pérdidas térmicas y en prácticas de
diseño razonables a diversas temperaturas.
Los concentradores se pueden dividir en dos categorías: sin imágenes y con imágenes. Los
concentradores sin imágenes, como su nombre lo indica, no producen imágenes claramente
definidas del sol en absorbente, sino que distribuye la radiación de todas las partes del disco
solar a todas las partes del absorbedor.
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Las relaciones de concentración de los colectores lineales sin imágenes están en el rango
bajo y generalmente están por debajo de 10. Los concentradores de imágenes, en cambio,
son
análogos a la cámara lentes porque forman imágenes (generalmente de muy baja calidad
según los estándares ópticos ordinarios) en el absorbedor (Duffie, et al., 2013).
Los colectores concentradores tienen propiedades ópticas que varían sustancialmente con la
geometría del dispositivo. Los siguientes conceptos generales se pueden aplicar a todos los
concentradores, aunque las formas en que se aplican varían según la configuración. Una
ecuación para S, la radiación absorbida por unidad de área de apertura sin sombrear, se
puede escribir como
S=I b ρ ¿
Los términos de esta ecuación tienen implicaciones diferentes de las de los colectores de
placa plana, y su tratamiento depende de la geometría del colector.
Los siguientes tres factores, γ , τ y α, son funciones del ángulo de incidencia de la radiación
en la apertura. Los efectos del ángulo de incidencia sobre estas características pueden
12
∫ I ( w ) dw
A
γ = +∞ (EC .13)
∫ I ( w ) dw
−∞
Se puede usar un modificador del ángulo de incidencia K γτα para tener en cuenta las
desviaciones del ángulo de incidencia normal de la radiación en la apertura. Para sistemas
cilíndricos se requieren modificadores de incidencia biaxiales, con tratamiento separado
para los planos longitudinal y transversal.
Sin embargo, el modificador de ángulo de incidencia transversal solo se usaría para rastrear
errores y puede que no sea necesario en la práctica. Para sistemas circulares que son
13
Para el diseño del sistema térmico se parte del parámetro básico de dimensionado de la
instalación que es el número y las características de los colectores solares aunque algunas
veces, para simplificar y en cálculos aproximados, se utiliza como parámetro el tamaño en
metros cuadrados de superficie de apertura de colectores solares
Sistema de captación
En este apartado se analiza el diseño del sistema de captación, desde el punto de vista
hidráulico y térmico, para que resulte un campo de colectores homogéneo y optimizado. De
esta manera se consideran:
En una instalación solar de gran tamaño el número final de colectores debe resultar del
proceso de diseñar un campo de colectores con baterías de igual tamaño y distribuidas de
forma homogénea por el espacio disponible.
No siempre es posible pero, en muchas ocasiones, es mejor renunciar a una parte del campo
de colectores cuya instalación podría desajustar las baterías, complicar la instalación o
desequilibrar los circuitos. En otras ocasiones, es necesario instalar, por las mismas
razones, algunos colectores adicionales a los inicialmente previstos.
- Baterías de colectores
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Los colectores de una misma batería podrán estar conectados entre sí en paralelo, en serie o
en forma mixta combinando ambos tipos de conexiones.
La gran ventaja del paralelo interno es el importante ahorro en cañerías exteriores que, a la
vez, evita importantes pérdidas térmicas de la instalación.
colectores en serie, el fluido recorre más distancia y por ende cada vez son mayores las
pérdidas de carga (Véase en la figura 7).
Figura 7. Conexión de colectores en serie para
formar batería.
Las baterías del campo de colectores deberían tener el mismo número de colectores y
deberían estar conectadas de la misma forma. Cuando no sea posible habrá que adoptar las
medidas necesarias para que no haya diferencias en la temperatura de salida de cada una de
ellas. Para conseguir esto se suele admitir, con el uso de válvulas de balanceo, que las
diferencias de caudales entre baterías sean inferiores al 5%-10%.
El flujo se divide entre las distintas baterías y la precaución en el diseño es que circule el
mismo caudal por cada batería. Para ello se pueden utilizar dos procedimientos: el
equilibrado con válvulas o con retorno invertido.
El conexionado en retorno directo consiste en que las distintas baterías están conectadas a
una alimentación común y las salidas son conectadas de forma similar utilizando la menor
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longitud de cañería a una cañería principal de salida de flujo sin importar si los recorridos
de los distintos flujos son desiguales.
Las baterías de colectores se agrupan de forma que el resultado final del campo de
colectores sea un conjunto de grupos conectados en paralelo y cada grupo tendrá el mismo
número de baterías y conectadas, en serie, paralelo o mixta, pero de la misma forma.
El trazado hidráulico del circuito primario es una parte de los circuitos hidráulicos de la
instalación por lo que le serán de aplicación todas las especificaciones sobre los mismos
recogidos en éste y otros capítulos.
Ramal del circuito (de ida o de retorno) invertido, para obtener recorridos hidráulicos
iguales por todos los lazos del campo.
Válvulas de equilibrado u otras válvulas de control de caudal, en cada lazo para forzar y
regular las pérdidas de carga necesarias.
Para minimizar las pérdidas térmicas asociadas a la circulación del fluido en el circuito
primario, el trazado hidráulico se realizará:
Ajustando los caudales de circulación que permite reducir las secciones de tuberías.
En general, el diseño del trazado hidráulico respetará los ejes principales del edificio y del
campo de colectores (Véase en l figura 12).
22
Sistema de acumulación
- Dimensionado
El volumen total del sistema de acumulación se puede definir, en función del tamaño del
campo de colectores, utilizando un valor de la acumulación específica de 75 litros de
acumulación por metro cuadrado de captación.
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40 ≤ V / ACOL ≤ 180
Debido a su dependencia con el consumo, algunas veces se determina el volumen de
acumulación V en base al consumo medio diario demandado Q ACSque, si no es contante a
lo largo del año, se adopta el consumo medio en la temporada de mayor insolación y se
recomienda cumplir:
Conclusión:
En cuanto a lo abordado con anterioridad podemos decir, que la energía solar térmica es la
aplicación de la energía solar y es de mucha importancia ya que se basa principalmente en
las leyes de la termodinámica.
También pudimos entender lo que son los concentradores o conocido como sistema óptico,
que es la parte del colector que dirige la radiación hacia el receptor. Para culminar
podremos decir que es importante conocer el índice de concentración, la eficiencia óptica
de los colectores solares de concentración, ya que de ello depende su buen funcionamiento
o vida útil.
25
Referencias Bibliográficas
[1] Duffie J.A, Beckman W.A. (2013). Solar Engineering of Thermal Processes. WILEY.