Reaxion UTL

Diseño y desarrollo de un colector de canal parabólico para aprovechamiento de energía solar térmica

Design and development of a parabolic trough collector for the use of solar thermal energy
Universidad Tecnológica de Manzanillo


Por: Juan Antonio Díaz Gómez, Manuel Ramos Ponce, Juan Ríos Hernández y David Manuel Ramos Sánchez.

Resumen

Actualmente las energías renovables tienen un papel cada vez más importante en la generación de energías limpias. Con este proyecto se busca impulsar las energías renovables y la sustentabilidad. Se propone un prototipo para el aprovechamiento de la energía solar, mediante un colector solar de canal parabólico (CSCP). El diseño se realiza en CAD (Diseño asistido por computadora), además se consideran parámetros ópticos, geométricos y ecuaciones para el comportamiento térmico. Se analizó el CSCP en cinco aspectos: ubicación, orientación; la estructura soporte; concentrador; acoplamiento; funcionamiento. En los resultados se observa que el prototipo es adecuado para alcanzar temperaturas por arriba de los 100 °C, con un factor de concentración de 22.42 y un área de apertura de 16 m2, así como inclinación hacia el sur de 19.1°, utilizando una placa de aluminio acabado plata espejo.

Palabras clave: colector de canal parabólico, energías renovables, caracterización del colector solar.


Abstract

Renewable energies currently play an increasingly important role in the generation of clean energy. This project pursues to promote renewable energies and sustainability. A prototype is proposed for the use of solar energy by means of a parabolic trough solar collector (CSCP). The design has been developed in CAD (Computer Aided Design), in addition, optical and geometrical parameters and equations for thermal behavior are considered. The CSCP was analyzed in five aspects: location, orientation; the support structure; concentrator; coupling; operation). The results show that the prototype is suitable to reach temperatures above 100 °C, with a concentration factor of 22.42 and an aperture area of 16 m2, as well as an inclination towards the south of 19.1°, using a silver aluminum mirror plate.

Keywords: parabolic trough collector, renewable energy, characterization of the solar collector.


Introducción

La energía solar es un recurso importante que se extiende en la mayor parte del territorio mexicano, en promedio de unos 5.5 kW/m2, de acuerdo con los datos de IRENA1. El uso de tecnologías que aprovechan esta fuente energética trae beneficios al medio ambiente y una disminución del uso de combustibles fósiles, principalmente en el sector industrial y en las centrales de potencia donde se requiere calor de proceso. La tecnología fototérmica de canal parabólico es la más extendida a nivel mundial, con más de 2600 MWe instalados. Sin embargo, existen otras aplicaciones, como la generación de calor de proceso, las cuales resultan muy interesantes y de gran utilidad para la industria que requiere energía térmica en sus procesos. Se estima que en una industria típica la demanda de calor de proceso2 puede ir desde un 40 hasta un 60 % del total de la energía consumida y que un 30 % de ese calor es utilizado a temperaturas entre 80 y 250 °C.

El Sistema Eléctrico Nacional proporciona el factor que estipula cuántas emisiones de CO2eq conlleva la generación de electricidad en el país, y de acuerdo con la Comisión Reguladora de Energía, que es la encargada de calcular cada año el factor de emisiones del sector eléctrico nacional permite observar las tendencias de cada año sobre las emisiones de CO2. En la Figura 1 se muestra el factor de emisiones del periodo 2017-2021.

Figura 1. Factor de emisiones 2017-2021

Figura 1. Factor de emisiones 2017-2021 Fuente. Micrositio de CELs, CRE3

Como se muestra en la Figura 1, existe una tendencia a la baja del factor de emisiones, y se observa que en el 2021 el kWh generado ha emitido alrededor de 0.423 kg de CO2eq, que es la cifra más baja de los últimos años, esto principalmente se debe al crecimiento de las energías renovables en participación de energía solar y eólica.

Otra parte de la reducción más significativa corresponde al periodo 2020 y 2021, y es debido al efecto de la pandemia COVID19, sin embargo, a medida que se regularicen las actividades se prevé que en 2022 y años subsecuentes este factor aumente de nuevo conforme al incremento del consumo eléctrico en el país y la ausencia de integración de nuevas energías renovables en la matriz energética.

Es necesario involucrar proyectos orientados a la reducción del CO2 eq y por ello este proyecto va encaminado a proporcionar alternativas en el sector industrial y eléctrico, creando prototipos en energías renovables, más específicamente en la producción de vapor para procesos de media y alta temperatura para los sectores residenciales e industriales. Con relación a la Ley General del Cambio Climático (LGCC), una de las metas de contribución comprometida por México para el año 2030, es reducir un 22 % de sus emisiones de gases de efecto invernadero, con respecto a una línea base, aumentando a un 36 %, de acuerdo con la reforma a la Ley General del Cambio Climático4.


Objetivo

Analizar, diseñar y construir un colector solar de canal parabólico (CSCP) de media temperatura, para la producción de vapor de proceso (etapa 1).


Planteamiento del problema

La producción de vapor de proceso para los diferentes sectores (empresarial, residencial y doméstico), es de suma importancia para la región, ya que el estado de Colima (México) se encuentra en una zona con un promedio de radiación solar de 5.5 W/m2, y que es de fácil aprovechamiento, con un máximo de 13 h de sol durante junio y unas 11 h de sol en el mes de diciembre. Colima, cuenta con un promedio de radiación que es considerado alto, y dado que los usos de las fuentes de energía renovables actualmente están siendo abordados a nivel mundial, es de vital prioridad dar soluciones con sistemas fototérmicos asequibles. Es por ello que el optimizar y analizar dispositivos que permitan concentrar la energía puede ser económicamente factible, ya que permite ahorrar el uso de electricidad o algún combustible de origen fósil.

Otro aspecto que se considera para este tipo de tecnologías es que se aborda el desarrollo de nuevos materiales, los cuales permiten una mayor eficiencia de la energía solar, además de estudiar nuevos modelos de producción y consumos que garanticen un crecimiento sostenible en el tiempo.

Las nuevas propuestas tecnológicas permiten la optimización de recursos, la reducción de material primas y el reprocesamiento de residuos, reciclándolos o dándoles una nueva vida para convertirlos en nuevos productos.

Se observa también con la propuesta de los CSCP la disminución de gases de efecto invernadero que pudieran emitir los sectores industriales, además de incentivar a los sectores residenciales y domésticos con los beneficios ambientales a largo plazo que se pudieran generar a través de estos proyectos.


Marco teórico

Se analizaron los CSCP, ya que se clasifican dentro de los sistemas de colección de gama media, alcanzando temperaturas entre 50 °C y 400 °C.5

Los desarrollos de esta tecnología se reportaron en el 11th Int. Symposium on Concentrating Solar Power and Chemical Energy Technologies, realizado en Zurich, Suiza. Se trata de un colector parabólico que ha sido desarrollado para varias aplicaciones y cuenta con un intervalo de temperaturas de operación entre 200 y 400 °C. La planta solar fototérmica dispuesta con esta tecnología está destinada para producir cientos de megawatts Una característica de este concentrador parabólico es que cuenta con una estructura de soporte diferente a las convencionales, hecha de acero pregalvanizado, con bajo peso y baja torsión. Cada espejo está apoyado sobre la estructura en cuatro puntos sobre su parte posterior. Esto le permite doblarse dentro de la gama de su flexibilidad sin efecto sobre el foco6.

Los retos para el diseño de nuevas estructuras y concentradores se resumen así:

Los CSCP con recibidores tubulares al vacío, es la principal tecnología usada actualmente en plantas térmicas solares de potencia (pero es también usada en la generación de vapor, absorción, destilación de agua de mar)7.

Para la construcción es importante tomar en cuenta las ecuaciones que rigen el fenómeno térmico, a fin de obtener el factor de concentración y las eficiencias térmicas globales y ópticas.

La razón de concentración tiene un límite máximo que depende de si la concentración se hace en un concentrador circular o como un paraboloide. La razón de concentración máxima para un concentrador lineal se determina mediante la siguiente ecuación8:

(1)       (1)

Donde:

Ancho, diámtro, razón

Algunas clasificaciones muestran que los CSCP están entre algunos valores de concentración específicos:

Baja, media, alta

La radiación solar absorbida incidente por unidad de área del tubo absorbedor es:

(2)       (2)

Donde:

Absorbancia, ángulo...

Finalmente, la energía útil ganada por unidad de área del recibidor, se expresa en términos del coeficiente convectivo local del recibidor-ambiente, la radiación incidente absorbida por unidad de área (Sr) así como los efectos por radiación existentes en el ambiente.

(3) (3)7

El rendimiento del concentrador solar se puede estimar mediante la siguiente ecuación:

(4) (4)

Donde:

Energía, factor...

Para determinar el rendimiento óptico pico del CSCP, se calcula mediante la siguiente ecuación:

(5) (5)

Donde:

ρ = Reflectividad de la superficie del colector
α = Absorbancia de la superficie selectiva
τ = Transmitancia de la cubierta de cristal
ϒ = Factor de forma (debido a las imperfecciones de los espejos y los posibles errores de seguimiento solar.)


Metodología

Este trabajo consta de dos etapas: la primera parte (es esta) se encamina al análisis, diseño y construcción del CSCP; la segunda corresponde a la puesta en marcha, experimentación y la validación de modelo numérico versus experimentación. Aclarado lo anterior, se describe la metodología a seguir de esta primera parte.

Con base en las ecuaciones analizadas en la sección anterior, se diseñan componentes principales que involucran al CSCP, los cuales son:


Ubicación y orientación

Razón social: Universidad Tecnológica de Manzanillo (UTEM)
Ubicación: Camino hacia Las Humedades s/n, Salagua, C.P. 28,869 Manzanillo, Colima, Méx.

Mapa:

Figura 2. Mapa del sitio (UTEM)

Figura 2. Mapa del sitio (UTEM), lugar de construcción del CSCP, con una ubicación geográfica 19.1399, -104.3141° [Google, s.f.]9


La estructura soporte

El objetivo de la parte estructural del colector es darle rigidez al conjunto de elementos que lo integran. La mayoría de las estructuras comerciales son metálicas y en otros casos de algún perfil de aluminio, sin embargo, hay investigaciones en las cuales se pueden utilizar otros materiales, principalmente plásticos y fibras de vidrio.

Una de las principales técnicas para la construcción de la estructura es la de soporte central y la espacial.

En este caso se optó por una estructura de diferentes tubos PTR (perfil tubular rectangular) y el tubo de soporte central. A continuación, se muestra el diseño que se llevó a cabo en el software CAD SolidWorks10.

La base estructural está construida por un PTR de 10.2 cm de acero, calibre 16, con una altura de 1.25 m, los lados están unidos a un PTR de 5.1 cm calibre 18, con una inclinación de 45° para darle rigidez y soporte a la estructura. Obsérvese la Figura 3, en donde se muestra el previo de la base principal.

Figura 3. Base estructural, diseño en CAD.

Figura 3. Base estructural, diseño en CAD. Fuente: elaboración propia.

Esta primera base se utiliza como un prototipo, y se usan un total de 4 estructuras similares, que son las que formarán parte de la estructura principal del montaje del colector solar. La distancia entre cada una de ellas fue de 1.75 m, para dar una longitud total del colector de 7 m. La parte intermedia de la estructura va unida a un PTR cuadrado de 2.5 cm, calibre 18, a una altura de 70 cm a partir del piso, esto con el objetivo de darle rigidez a la estructura en el eje paralelo al piso, como se observa en la Figura 4.

Figura 4. Estructura principal del CSCP con una longitud total de 7 m.

Figura 4. Estructura principal del CSCP con una longitud total de 7 m. Fuente: elaboración propia

En la base principal se le coloca un cuadro de solera de 15 cm x 7.5 cm que va soldado en el extremo de la base; además, para reforzar, se colocan 2 nervios de 9 cm x 7.5 cm, para darle solidez a esta base. En esta base se instaló una de las chumaceras, la cual, en conjunto con los 4 restantes, son las que proporcionan junto con el eje, el movimiento radial al canal parabólico. En la Figura 5 se puede observar la base con los nervios, todos ellos soldados a la base. Este mismo procedimiento se replica en el otro extremo de la base principal.

Figura 5. Base con nervios para el soporte de las chumaceras. Fuente: elaboración propia

Figura 5. Base con nervios para el soporte de las chumaceras. Fuente: elaboración propia

El siguiente paso fue colocar el eje central que dará torsión al canal parabólico, el cual consta de un tubo de 2.5 cm de diámetro de acero al carbón, que va soldado a un PTR cuadrado de 3.8 cm, este a su vez va unido a otro tubo de 2.5 cm de diámetro y finalmente se conecta a la siguiente chumacera. Este proceso se repite en cada sección, hasta terminar los 7 m de longitud del colector (Figura 6).

Figura 6. Tubo central de torsión. Fuente: elaboración propia

Figura 6. Tubo central de torsión. Fuente: elaboración propia

Para el siguiente paso, se montaron las 11 estructuras (Figura 7) en el eje central, las cuales son las que soportan la superficie reflectiva (lámina de aluminio). Las estructuras tienen la forma de una parábola y están completamente alineadas para que la lámina de aluminio al ser colocada también forme la superficie reflectiva en forma de parábola, y es la responsable de fungir como el reflector del CSCP. Es importante recalcar que las 11 estructuras estén cuidadosamente alineadas, para que exista un mínimo error a la hora de colocar la superficie reflectiva. Cada estructura (Figura 7) está hecha con un PTR cuadrado de 2.5 cm, la cual cuenta con 9 tubos del mismo calibre, distribuidas a lo largo de la parábola. Estas secciones fueron soldadas cuidadosamente, con la finalidad de darle rigidez a la pieza, las dimensiones que se muestran en la siguiente figura están en centímetros.

Figura 7. Diseño de la estructura de PTR en forma de parábola. Fuente: elaboración propia

Figura 7. Diseño de la estructura de PTR en forma de parábola. Fuente: elaboración propia


Acoplamiento

Las 11 estructuras son distribuidas a lo largo del soporte de torsión, en la Figura 8 se muestra el acoplamiento.

Figura 8. Base final con las 11 estructuras acopladas al eje de torsión. Fuente: elaboración propia

Figura 8. Base final con las 11 estructuras acopladas al eje de torsión. Fuente: elaboración propia


Concentrador de canal parabólico

El concentrador de canal parabólico es de vital importancia, ya que es el responsable de concentrar los rayos de sol en el tubo recibidor. Para su selección, existe una gama de materiales que pueden utilizarse, por ejemplo: acero inoxidable 316, películas de plata o aluminio depositadas sobre algún soporte o algún reflector más grueso, chapa metálica, aluminio tipo espejo, etc. La selección del material va a depender del costo y la calidad de los materiales, además de tomar en cuenta parámetros ópticos como la alta reflectancia en el espectro UV y visible, así como la durabilidad y resistencia. Para este prototipo se optó por utilizar una lámina de aluminio tipo plata espejo de calibre 23. El aluminio tiene la ventaja de utilizar una capa de óxido, el cual tiene la capacidad de proteger del ambiente, al mismo tiempo de ser flexible, y proveer de una reflectividad del 89 %. En la Figura 9, se observa el acoplamiento de la lámina de aluminio a la estructura principal.

Otro aspecto a considerar es el área de apertura del concentrador, el cual representa una amplia zona que está expuesta al viento, de modo que las cargas de viento resultantes pueden ser considerables para poder modificar el foco y por lo tanto disminuir la eficiencia. En este caso el colector cuenta con un área de apertura de16 m2.

Figura 9. Acoplamiento de toda la estructura y concentrador de aluminio. Fuente: elaboración propia

Figura 9. Acoplamiento de toda la estructura y concentrador de aluminio. Fuente: elaboración propia


Funcionamiento

Funcionamiento del colector solar de canal parabólico (CSCP)
Figura 10. Diagrama de funcionamiento del CSCP y principales componentes. Fuente: elaboración propia

Figura 10. Diagrama de funcionamiento del CSCP y principales componentes. Fuente: elaboración propia

La Figura 10 muestra un esquema general del proceso adoptado en este proyecto, que a su vez cuenta con las siguientes características:

Base estructural principal

El proceso de funcionamiento comienza con el precalentamiento de la resistencia en el tanque número 1, el agua adquiere una cierta temperatura que pasa posteriormente a la bomba, la cual suministra el fluido a una razón de 0.5-5 l/min al colector solar. En el colector solar pasa a través del tubo recibidor, adquiriendo la temperatura a lo largo de este y dependiendo de la radiación solar en ese momento. Posteriormente el agua caliente o vapor de agua, es utilizada para algún proceso, en este caso se almacena en el tanque número 2. Se toman diferentes mediciones de temperatura con los termopares previamente configurados, así como las mediciones de flujo y presión del sistema, en los puntos propuestos. Para la medición de temperaturas se utilizan termopares tipo K, configurados en diferentes puntos del sistema, y que mediante el adquisidor de datos y una PC se recaban datos y se analizan.

Las características del equipo que se ha configurado para el diseño y adquisición de datos, son las siguientes: Core i5, 16 GB RAM, tarjeta gráfica Nvidia GeForce GTX 1650, 4 Gb DDR5, obsérvese la Figura 11.

Figura 11. Adquisidor de datos DAQ970A y PC para captura de datos. Fuente: elaboración propia

Figura 11. Adquisidor de datos DAQ970A y PC para captura de datos. Fuente: elaboración propia

El cable termopar tipo K (Figura 12) es el conductor formado de hierro y cromel, fabricado para la extensión de sensores de hasta 700 °C, que es conectado a la tarjeta de adquisición de datos y esta a su vez es insertada en el DAQ DAQ970A para su funcionamiento. Estos termopares van colocados en los diferentes puntos como lo indica el diagrama de proceso (Figura 10) para la toma de temperaturas.

Figura 12. Cable termopar tipo K AWG 24. Fuente: elaboración propia

Figura 12. Cable termopar tipo K AWG 24. Fuente: elaboración propia


Resultados

Datos geométricos y características generales

En la Tabla 1 se muestran las características principales de diseño del CSCP de acuerdo con un análisis previo y a las ecuaciones termodinámicas.

Tabla 1. Parámetros geométricos y características. Fuente: elaboración propia

Características Unidad Material
Superficie reflectiva 2.4 m x 7 m Aluminio tipo plata espejo (reflectividad 0.89)
Longitud del receptor (L) 7 m Tubo de cobre
Tubo transparente 7 m Borosilicato
Fluido de trabajo 0.7 l/min Agua
Distancia focal (F) 0.44 m  
Diámetro interno del receptor (Dr, int) 27.6 cm Tubo de cobre
Diámetro externo del receptor (Dr, ext) 26.5 cm  
 Conductividad térmica del tubo receptor (Kr) 54 W/m K Tubo de cobre
Relación de concentración (C) 22.42  
Absorción del receptor (α) 0.906  
Emisividad del receptor (ξr) 0.14  
Emisividad de la cubierta (ξc) 0.93  
Transmitancia de la cubierta de vidrio (τ) 0.95  
Reflectividad superficial reflejada (ρο) 0.93  
Factor de forma (ϒ) 0.92  
Ángulo de inclinación (θ) 0  
Cambio de ángulo de incidente (Fa) 1  
Eficiencia óptica (ηop) 0.736  
Presión atmosférica (Patm) 86 KPa  
Área de apertura 16 m2  


Resultados de la construcción

En esta parte se muestran los resultados del CSCP que se ha construido, en cada una de sus etapas de diseño, tomando en cuenta el análisis de las ecuaciones y diseño en CAD.

En la Figura 13 se muestra la preparación del lugar. Se analizó el sitio y se observó el terreno. Se colaron 4 bases de concreto en la parte de los extremos, ya que no existían, y son las que fungieron como cimiento, y sobre ellas fueron colocados los 4 soportes de la estructura principal.

Figura 13. Cimiento para la colocación de la base estructural del CSCP. Fuente: elaboración propia

Figura 13. Cimiento para la colocación de la base estructural del CSCP. Fuente: elaboración propia

El siguiente paso fue realizar la estructura de PTR en forma de parábola, para lo cual, se utilizó una máquina de enrolado de metales, esto con el fin de darle la forma correcta al PTR de 2.5 cm. Posteriormente se cortaron diferentes PTR a diferentes medidas para las secciones de acuerdo con el diseño mostrado en la Figura 7. Las estructuras fueron soldadas y la forma final se pueden observar en la Figura 14.

Figura 14. Bases de forma de parábola hechas con PTR de 2.5 cm C18. Fuente: elaboración propia

Figura 14. Bases de forma de parábola hechas con PTR de 2.5 cm C18. Fuente: elaboración propia

Se montó la parte de la estructura base principal y se realizaron las sujeciones laterales con un ángulo de 45°, con anclas expansivas de 1.58 cm. El mismo procedimiento se realizó con las 5 bases principales. Además, se colocó el soporte y la chumacera en cada estructura base (Figura 15).

Figura 15. A) Estructura base del CSCP.  B) Colocación de las chumaceras en las bases restantes. Fuente: ambas de elaboración propia

Figura 15. A) Estructura base del CSCP. B) Colocación de las chumaceras en las bases restantes. Fuente: ambas de elaboración propia

En la Figura 16 se preparó la estructura para colocar el tubo de torsión, alineado al eje central, este eje de torsión consta de un tubo, que va conectado a la chumacera de 2.5 cm de diámetro, con un largo de 5 cm, acoplado a un PTR de acero de 3.8 cm, calibre 18.

Figura 16.  A)  Estructura del eje de torsión acoplado a la chumacera.  B) Acercamiento a la estructura. Fuente: elaboración propia

Figura 16. A) Estructura del eje de torsión acoplado a la chumacera. B) Acercamiento a la estructura. Fuente: elaboración propia

El siguiente paso fue colocar las estructuras base de la parábola, un total de 11 estructuras fueron colocadas sobre el tubo de torsión y posteriormente fijadas. Estas se fijaron mediante una placa de 10 cm x 7.5 cm (solera de acero al carbón), entre la estructura de la parábola y el tubo de torsión. El resultado se puede observar en la siguiente figura:

Figura 17. Estructura de la parábola, acoplada al eje de torsión. Fuente: elaboración propia

Figura 17. Estructura de la parábola, acoplada al eje de torsión. Fuente: elaboración propia

Enseguida se colocó la lámina de aluminio sobre la estructura de la parábola, la cual se realizó por secciones, para esto se cuidó que estuvieran alineadas a paño cada una de las estructuras, colocando una cuerda en cada extremo y verificando que la cuerda (nivel) tocara cada una de las estructuras. Una vez alineadas se colocó la lámina sobre la estructura, la cual se fijó con remaches de 0.31 cm y se verificaron las sujeciones. En la siguiente figura 18 se observa el montaje final

Figura 18. Prototipo final del CSCP. Fuente: elaboración propia

Figura 18. Prototipo final del CSCP. Fuente: elaboración propia

Finalmente, el último paso fue la colocación del sistema hidráulico del CSCP. Esto conlleva la instalación de las tuberías, bombas, medidores de flujos y medidores de presión. En la Figura 19 se muestra el flujómetro y la bomba instalada de acuerdo con el diagrama de proceso (Figura 10), en la parte de entrada del fluido se ha optado por colocar tubo plus hidráulico de 2.5 cm de diámetro.

Figura 19. Instalación hidráulica. Fuente: elaboración propia

Figura 19. Instalación hidráulica. Fuente: elaboración propia

En la Tabla 2 se muestras las características tanto de los materiales empleados como de la instrumentación.

Tabla 2: Características de instrumentación y tuberías. Fuente: elaboración propia

Instrumento/material Características
Tubería de alimentación Tubo plus hidráulico de 2.5 cm
Flujómetro Medidor rotámetro para agua de 1-5 l/min
Manómetro Medidor de glicerina para alta presión, escala dual 1000 Psi (70 kg/cm2), caja de acero inoxidable de 6.35 cm.
Bomba Bomba presurizadora Shimge Aqc-15 1/7 HP, diámetros de entrada y salida de 2.5 cm.
Termotanque Tinaco 600 L, tricapa vertical polietileno
Termopares Termopar tipo K Calibre 24 AWG
Tubo absorbedor Tubería de cobre tipo M, para agua, de 2.5 cm de diámetro

Otro parámetro que se analizó fue la inclinación del colector solar. Para captar la mayor cantidad de energía, el colector debe inclinarse dependiendo de la posición geográfica del lugar de instalación, y debido que nos encontramos en la parte norte del hemisferio, el colector debe inclinarse hacia al sur, más específicamente con respecto a la latitud del lugar. Para este caso, el colector fue orientado a 19.1° hacia el sur. Cabe mencionar que, para este primer caso de estudio, se ha utilizado esta orientación (norte a sur), y quedaron fijos los ejes de este a oeste, de manera que esta configuración permite recibir la mayor cantidad de radiación solar sin un seguimiento mecánico.


Discusiones y trabajos futuros

La realización del prototipo propuesto del CSCP se ha llevado a cabo con éxito, pero se han tenido algunos inconvenientes a la hora de la construcción debido al montaje, sin embargo, con las adecuaciones necesarias y el diseño se ha configurado y puesto en marcha adecuadamente.

En cuanto a la implementación, de manera general este tipo de colectores se puede emplear en la industria a gran escala, o para el sector residencial de media temperatura, sin embargo, se ha observado que de inicio se requiere una fuerte inversión de capital, y es importante tener en cuenta el mantenimiento (en el tubo de torsión, engrase de las chumaceras, la limpieza de reflector, revisar el eje focal debido a deformación de la estructura). No obstante, este tipo de dispositivos pueden alcanzar una vida útil de 20 años. En este caso el prototipo desarrollado tiene un costo aproximado entre 55 mil a 65 mil pesos mexicanos, con las características mencionadas.

Debido a que se utilizaron materiales convencionales como PTR de diferentes calibres, el costo aún es considerado alto, comparado con los colectores ya comerciales como los del proyecto de Agua Prieta II en Sonora, que genera 14 MW, los cuales son de acero inoxidable, con placas de aluminio, entre otras mejoras, con materiales de otra calidad.

Con relación a los resultados, se observan varias mejoras para trabajos futuros sobre esta primera etapa. Una de las principales es la automatización para el seguimiento del sol, esto conlleva la colocación de dos motores en el eje de torsión, para un seguimiento automático, con la programación de un algoritmo mediante las ecuaciones del tiempo. También se pretende aumentar la eficiencia térmica global, mediante la implementación de un panel fotovoltaico, el cual va alimentar a 2 motores. La energía generada en exceso, servirá como fuente para de calentamiento de una resistencia, con el objetivo de aumentar el gradiente de temperatura del fluido en el termotanque inicial.

Cabe mencionar que este proyecto está en su primera etapa de diseño y construcción, y no se muestran resultados de la puesta en marcha. En la siguiente etapa se mostrarán los resultados de las temperaturas máximas alcanzadas, así como la validación con el modelo numérico simulado.

Al ser una tecnología de media temperatura se pretende realizar estudios con diferentes fluidos de trabajo y mejorar la transferencia de calor para el aprovechamiento en sistemas de refrigeración.


Conclusiones

Los materiales que se han utilizado para economizar son los más comerciales como PTR y solera de diferentes tamaños, principalmente son de acero al carbón, esto le permite dar rigidez al CSCP, pero le añade peso, sin embargo, no afecta al funcionamiento del mismo, pero sí aumenta la fuerza de torsión a la hora del seguimiento que el colector realice.

El tubo recibidor se ha pintado con un material selectivo negro, lo que permite aumentar la absorción del calor. Los cálculos teóricos muestran una eficiencia térmica global del 46 %. Con relación al factor de concentración logrado, para este diseño y con un área de apertura de 16 m2, fue de C = 22.46, lo que permite al foco alcanzar una mayor concentración de la radiación solar directa.

Este proyecto permitió realizar el diseño y hacer una pre visualización del desarrollo de la estructura, así como el análisis de materiales utilizados en el colector, por ejemplo: PTR de acero de la estructura de diferentes tamaños, también la rigidez, la ductilidad de las láminas de aluminio, y la importancia del foco cuando se tiene una estructura de estas dimensiones. Si la estructura principal a base de PTR se añade demasiado peso, este puede desplazar el foco y por ende disminuir el factor de concentración y a su vez disminuir su eficiencia térmica. También se identificaron los principales parámetros de diseño de este tipo de colectores los cuales son: factor de concentración, área de apertura, dimensiones, y diseño del tubo de torsión.


Agradecimientos

Este proyecto pudo ser posible bajo el programa de PRODEP 2021 Incorporación de nuevos PTC, de profesores de la Universidad Tecnológica de Manzanillo; también se agradece el préstamo del taller de la carrera de mantenimiento para la realización de este proyecto, y la participación del Dr. Adrián Tintos, incorporado a esta misma institución.


Referencias

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Fecha de recepción Fecha de aceptación Fecha de publicación
09/03/2022 26/09/2022 31/01/2023
Año 10, Número 2. Enero - Abril, 2023.

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