COLECTORES DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA EN PANAMÁ 1 1 1 R eynaldo eynaldo Solórzano , Ada Adan Atenc Atencio io , Jorge Acuña Acuña , Victo Victori a Serr Serr ano 2 1 Lic. Ingeniería Electromecánica, 2 Prof. Metodología de la Investigación – Universidad Universidad Tecnológica de Panamá
Resumen Este artículo propone un nuevo diseño de colector solar térmico económico y eficiente, con lentes posicionados de forma estratégica que concentra los rayos solares en un plano focal uniforme, de tal for ma incrementa aproximadamente 30% la temperatura normal presente en el ambiente, dependiendo del diámetro del lente biconvexo y la intensidad de luz concentrada. El nuevo diseño del colector fue resultado de la investigación realizada para brinda a los países pobres una forma más económica de aprovechar el calentamiento global y los arduos veranos mejorando la recolección y concentración de energía solar térmica. El diseño del colector se basa en dos lentes: uno bicóncavo y otro biconvexo que disminuye el área de la radiación solar entrante a un área menor, logrando un mejor incremento de la temperatura potencial en función de la hora del día, época del año y situación atmosférica. Además, el artículo presenta un análisis de la temperatura generada dependiendo del diámetro de los dos lentes, si continuas leyendo este artículo obtendrás conocimiento de como dos objetos cristalinos y tres mentes creativa pueden revolucionar el mundo con una nueva forma de procesar la energía solar térmica.
Palabras claves Colectores, concentración, termosolar, bicóncavo, biconvexo, materia uniforme, heliostato, divergente. Abstract This article proposes a new design of economic and efficient solar thermal collector, with strategically positioned lenses that concentrates the solar rays in a uniform focal plane, in such a way it increases approximately 30% the nor mal temperature present in the environment, depending on the diameter of the biconvex lens and the intensity of concentrated light. The new collector design was the result of research conducted to provide poor countries with a more economical way to take advantage of global warming and the arduous summers by improving the collection and concentration of solar thermal energy. The design of the collector is based on two lenses: a biconcave lens and a biconvex lens that decreases the area of incoming solar radiation to a smaller area, achieving a better increase in the potential temperature depending on the time of day, da y, time t ime of year and situation a tmospheric I n addition, addit ion, the article presents an analysis of the temperature generated depending on the diameter of the two lenses, if you continue reading this article you will get knowledge of how two crystalline objects and three creative minds can revolutionize the world with a new way of processing solar thermal energy.
Keywords Collectors, solar thermal, biconcave, biconvex, heliostat, uniform matter, concentration. * Corresponding author:
[email protected] [email protected]
1. INTRODUCCIÓN La radiación solar siempre ha estado presente desde antes que existiera la tierra y es el principal recurso energético para el desarrollo y evolución del planeta. De la enorme cantidad de energía que emite constantemente el sol, una parte llega a la atmósfera terrestre en forma de radiación solar de ella, el 16% es absorbida por la estratosfera y la toposfera y el 22.5% por el suelo; el 4% es reflejada di rectamente al espacio desde el suelo [1]. Hoy en día tenemos suficiente conocimientos para transformar esa radiación térmica en electricidad para diferentes utilizaciones según las necesidades. En la actualidad se han construido herramientas para recolectar esta radiación como lo son espejos
parabólicos y helióstatos. Estos se consideran consideran colectores de alta temperatura, los reflectores de cilindro poseen dimensiones con forma de parábola, que concentran sobre su l ínea focal toda la radiación solar que atraviesa su plano plano de apertura [1]. Unas de las principales herramientas de recolección de radiación solar es la que aseguran haber conseguido estudiantes de Universidad Universidad de Almería [2]. Ellos aseguran aseguran haber creado un heliostato autónomo que además de su alta reflexividad, posee un sistema único de seguimiento del sol que facilitan las operaciones para la concentración solar en un punto.
Algunos científicos no se quedaron atrás con el surgimiento de estas nuevas tecnologías de recolección de radiación solar y fabricaron el celostato que es un sistema que consiste en dos espejos uno de ellos es un heliostato y el otro posee forma de lupa, pero esto sólo se utiliza para mejores captaciones de la luz cósmica en donde se obtiene una mejor apreciación de la radiación del universo [3]. Aunque otros países han logrado un desarrollo considerable en la implementación de estos colectores térmicos para la concentración de radiación en un recolector, resulta muy costoso para un país como Panamá desarrollarlos de la misma manera. Por tal motivo no se ha elaborado una infraestructura de esta magnitud. El siguiente estudio propone el desarrollo de un colector de energía solar térmica a bajo costo. El artículo está organizado de la siguiente manera: la sección 2 muestra el diseño del colector donde se incluyen los materiales utilizados y el diseño y análisis del prototipo. En la sección 3 se presentan el análisis de resultados con gráficas y datos cuantificables se analizarán las variables obtenidas en el desarrollo del proyecto. Finalmente la conclusión se muestra en la sección 4 donde encontrará lo innovador que es este proyecto y su aporte en Panamá.
Fig. 1 El
eje óptico pasa por la curbatura de ambas superficie de la lente.
Fig. 2 Los
rayos emergen en lente paralelamenteal eje.
2. DISEÑO DEL COLECTOR Para lograr un desempeño apropiado del nuevo diseño de colectores térmico solar, se detallan a continuación los materiales utilizados, así como las técnicas utilizadas para aumentar la concentración de rayos solares en un plano focal. Además, se muestra el diseño y análisis del prototipo, que luego permitió el desarrollo de la maqueta estructural con la que se recolectaron datos de concentración de calor .
2.1. Materiales
Kit de arduino 2 motores paso a paso o Cables de conexión o Termómetro rango 0° a 150° o Arduino uno o Lupa de 10 cm de diámetro Lente bicóncavo de 4 cm de diámetro PC portátil 0.8m de cartón
2.2. Técnica para disminuir el área de concentración de los rayos solares Las siguientes imágenes Fig.1 Fig.2 demuestran de forma ilustrativa el proceso de divergencia de la óptica.
Fig. 3 Lentes divergentes posicionados de forma estratégica. Como método innovador se aplica la teoría de la física óptica, pero en colectores térmicos solares. En la Fig. 3 el lente biconvexo puede ser de cristal o de plástico dependiendo de cuál sea la inversión, el le nte bicóncavo por ley tuvo que ser de cristal ya que la concentración de los rayos solares aumenta la temperatura en el punto de su ubicación lo que derretiría a un lente de plástico.
2.3 Diseño y análisis del prototipo Un primer diseño incluía la utilización de dos lentes biconvexas, pero no cumplió la expectativa debido a que el lente biconvexo tenía reacción inversa en el punto focal esto hacía que divergiera en un diámetro más grande cuando llegaba al recolector en la parte inferior. El nuevo diseño se creó con dos lentes divergentes, el biconvexo hizo que se curvaran los
rayos de luz a un menor diámetro. Posteriormente antes que convergiera en el punto focal se añadió un lente bicóncavo, ya que en este punto los rayos del sol emergen paralela al eje focal del biconvexo como se muestra en la Fig. 4.
En la fig. 5 se muestra el prototipo del colector real elaborado con carton para que los motores paso a paso puedan moverlo de forma radial y pueda proceder con el seguimiento del sol, la separación optima de estos dos lentes fue de 21 cm entre ellos.
Fig. 6 Circuito con arduino.
Fig. 4 Dos lentes divergentes y una estructura rotatoria con soporte para el sensor de temperatura en la parte inferior. En la Fig.4 se muestra la estructura de soporte que posee movilidad con un motor paso a paso en la parte inferior que permitió girar 360° y en la conexión de los dos lentes divergentes, un servo motor que permite rotar arriba y abajo los lentes para que siguiera la trayectoria del sol de 9:00 a.m. a 4:00 p.m.
2.4 Fabricación del prototipo
La Fig. 6 muestra con detalle los conponen usados como: motores pasó a paso (gris) un sensor de temperatura Ky-028 (rojo), un photoresistor LDR parte superior a lado de la resistencia. El primer motor está conectado a los pines digitales 5, 6, 7 y 8 y sus conexiones a 5 voltios con el graund. Este rota la base de la estructura de izquierda a derecha o en sentido contrario; el segundo rota la plataforma de arriba hacia abajo, con conexiones a los pines digitales 9, 10, 11, 12 y sus conexiones a 5 voltios y el ground; el sensor de temperatura tiene conexiones al pin analógico A2, 5 voltios más el ground; el joystick cuya función es activar los motores del sistema con conexiones a 5 voltios y ground, la conexión del ej e vertical al pin análogo A5 y el horizontal al pin A4; por último está el LDR que tiene sus conexiones de unas de su patas a 5 voltios y la otra para esta conectada al p in análogo A0 esta misma pata tiene conectada una resistencia de un kilo ohm en serie con el ground.
3. ANÁLISIS Y RESULTADOS En la tabla N° 1 se muestran los resultados de temperatura obtenidos durante una semana tomados a las 12:00 P.M.
Fig. 5 Prototipo real del colector.
Días 5/5/2018 6/5/2018 7/5/2018 8/5/2018 9/5/2018 10/5/2018 11/5/2018 Tabla N°1
°C en 6.2 cm 35.18 32.19 34.19 35.18 35.87 33.52 35.57
°C en 2.2 cm 54.92 46.19 57.04 59.11 59.6 47 59.45
[1]
Temperatura vs diámetro
[2]
80 60
[3]
40 20 0 1
2
3 °C en 6. 2 cm
4
5
6
7
[4]
°C en 2. 2 cm
Fig. 7 Gráfica de temperatura La Fig. 7 muestra gran diferencia de temperatura producida debido a la combinación de estos tipos de lentes.
[5]
4. INNOVACIÓN En la actualidad el cristal es el uno de los materiales más abundante del planeta con un coste de producción muy bajo, este es la materia prima del colector diseñado, si la fabricación de este lente a gran escala iniciara, se podría hacer colectores para recolectar 1% de los 1.559.280 TWh que llega a la tierra procedente del sol cada año [1]. El proyecto no termina aquí, porque solo se logro concentrar la radiación solar, se propone crear un sistema mecánico para la producción de electricidad a base de calor como las turbinas de vapor Siemens [4].
5. CONCLUSIÓN Se logró probar la hipótesis sobre la concentración de los rayos solares, mezclando dos lentes: uno biconvexo y el otro bicóncavo que conforman el colector solar térmico, mejorando el rendimiento y producción de calor. Además la temperatura lograda por el prototipo a escala tiene un promedio 20 °C más de calor concentrado que representa 30% de incremento de la temperatura normal del ambiente gracias a la disminución del diámetro de la radiación solar. El colector se podrá mejorar en el futuro alojándose herméticamente para disminuir la pérdida de calor. Existe la posibilidad de que alguien se haya imaginado el contenido de este artículo, pero es seguro que no se encontró referencia alguna de usar este tipo de diseño como concentrador solar.
6. REFERENCIAS
[6]
J. González, Centrales de Energía Renovables, Madrid: PEARSON, 2009. A. E. G., «El HELIOSTATO AUTÓNOMO,» IX Congreso Ibérico de Energía Solar, 2000.
U. Astrofisica, «Universidad Complutense Madrid,» 2012. [En línea]. Available: http://webs.ucm.es/info/Astrof/users/jaz/CELO STATO/index.html. Energiza, «Energiza "Especial Turbinas de Vapor",» Disiembre 2011. [En línea]. Available: http://www.energiza.org/anteriores/energizadi ciembre2011.pdf. L. Saravia, «DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN CONCENTRADOR LINEAL DE FRESNEL DE 24 M2 DE AREA.,» 2008. [En línea]. Available: https://www.mendozaconicet.gob.ar/asades/modulos/averma/trabajos /2008/2008-t003-a016.pdf. J. Muñoz, «Universidad Politécnica de Cartagena,» 23 Septiembre 2012. [En línea]. Available: http://repositorio.upct.es/bitstream/handle/1031 7/2885/pfc4460.pdf;jsessionid=6EF69B0D200A2 F8F31901F5230E11C7A?sequence=1.
