Docstoc

Propuesta Joy Linares. Borrador 2.docx

Document Sample
Propuesta Joy Linares. Borrador 2.docx Powered By Docstoc
					                            UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
                        DECANATO DE ESTUDIOS DE POSTGRADO

                                    TITULO DE TRABAJO:

   DISEÑO Y DESARROLLO DE UN CONCENTRADOR SOLAR QUE OPTIMICE LA
                   CAPACIDAD DE CONCENTRACIÓN

       TRABAJO FINAL PRESENTADO A LA UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR POR:
                       Ing. Joyce Alexandra Linares Montilla

                   COMO REQUISITO PARCIAL PARA OPTAR AL GRADO DE:
                             Magíster en Ingeniería Mecánica

                            REALIZADO CON LA ASESORIA DE:
                                  Prof. Renzo Boccardo
                                   Prof. Yrina Ramirez

                                           RESUMEN


   En el presente trabajo se desarrolla un concentrador solar desde su fase de diseño hasta la
experimentación del mismo. En la fase de diseño y a lo largo de todo el proyecto, se evaluarán dos
aspectos importantes, la optimización de la capacidad de concentración en los colectores solares y
la reducción del impacto ambiental de los mismos. La metodología empleada comprende cuatro
fases: El diseño preliminar del concentrador; La simulación numérica, que permitirá realizar el
estudio del fenómeno y proponer mejoras óptimas del diseño previo; La construcción y
experimentación del prototipo, para luego ser comparado con los resultados computacionales y a fin
de validar la propuesta del diseño optimizado. Como el desarrollo de esta investigación, se espera
obtener un diseño de colector solar óptimo, con la descripción de su desempeño energético, su
capacidad de concentración, la reducción del impacto ambiental asociado y una gama de posibles
aplicaciones que pueda tener a nivel mundial.


Carnet: 09-87332                                                  Fecha Estimada de Culminación:
C.I: 17.064.527                                                                Enero-marzo 2012

  ______________________           ______________________            ______________________
    Prof. Renzo Boccardo              Prof. Yrina Ramirez                Ing. Joyce Linares
            Tutor                          Co-Tutor                         Estudiante
1. INTRODUCCIÓN

   Para introducir la propuesta de estudio que se presenta a continuación, sobre el Diseño y
desarrollo de un concentrador solar que optimice la capacidad de concentración, se tratarán
brevemente los siguientes aspectos: El planteamiento y la justificación del problema, que
enriquecen a esta investigación; los antescedentes de los colectores solares; las preguntas o
hipótesis que se buscarán responder a lo largo de esta investigación; y, finalmente, algunas de las
variables y definiciones relevantes del estudio.


   1.1. Planteamiento del Problema

   Actualmente, la situación energética mundial se encuentra en estado de alerta. Esto se debe a
varios factores, entre los cuales destacan, la rápida creciente demanda de energía de la población; la
escasez, disminución y detrimento de los recursos energéticos convencionales y, por último y muy
importante, el impacto ambiental negativo que las prácticas en el consumo energético de la
población mundial han generado [1]. De este aspecto, es importante resaltar que los desechos de las
actividades del hombre son cada vez más abundantes, la capacidad de la naturaleza y de las
sociedades para procesarlos o disponerlos adecuadamente es cada vez más difícil y las
consecuencias negativas de ellas son cada vez mayores. El contexto anterior demuestra la
importancia de generar y aprovechar fuentes alternas (limpias) de energía para compensar la crisis
energética y ambiental.

   Hoy en día existen sistemas de aprovechamiento de la energía eólica, solar, hidráulica,
mareomotriz, geotérmica, entre otras, que son considerados ambientalmente amigables en términos
de emisiones, desechos e impacto al ecosistema. Particularmente en el caso de la energía solar,
fuente primaria de energía en nuestro planeta, se han desarrollado tecnologías que aprovechan la
radiación solar en forma de electricidad (Sistemas fotovoltaicos) y en forma de temperatura
(concentradores y colectores solares).

   Las tecnologías más utilizadas, estudiadas y documentadas en términos de energía solar son los
sistemas fotovoltaicos, en primera instancia; los colectores solares, en segunda, y, por último, los
concentradores. Es conocido que los concentradores solares pueden aportar altas temperaturas
(mayor que en los colectores), con mayor eficiencia y relativamente pocas pérdidas. Son sistemas
que pueden funcionar en conjunto o de forma aislada, ajustados a una amplia gama de aplicaciones,
por ejemplo, calentamiento de agua, electricidad junto con Motores Stirling o sistemas
fotovoltaicos, entre otros. Sin embargo, actualmente existen muchas limitaciones que han frenado
su aplicación; entre ellas la gran área que requieren y la orientación precisa para captar la radiación
directa necesaria del sol, que implican grandes construcciones (recursos) y altos costos.

   Los equipos concentradores solares constan principalmente de tres elementos: El concentrador,
el receptor y el sistema de direccionamiento. Dado que, para estos casos, la energía final
concentrada en un punto es el resultado de redireccionar la radiación directa del sol a una zona de
menor área (capacidad de concentración), el mejoramiento sobre cualquiera de los tres elementos
constituyentes, permitirán optimizar la capacidad de concentración. Esto es, cuánta mayor energía
logre captar el colector y conducirla al receptor, el concentrador en conjunto será más óptimo,
requerirá de menor área y los costos podrían reducirse. En vista del potencial de mejoramiento
sobre estos sistemas de energías limpias y la necesidad de mantener la sustentabilidad ambiental,
surge el cuestionamiento sobre ¿Cómo desarrollar un concentrador solar, optimizando la
capacidad de concentración sin arriesgar su potencial para reducir el impacto ambiental?

   En Venezuela, particularmente, el recurso solar es alto y los colectores solares con una óptima
capacidad de concentración podrían convertirse en una alternativa competitiva (limpia, económica,
eficiente) frente a fuentes convencionales de energía. Hoy en día existe la necesidad y el interés de
ampliar los conocimientos sobre los concentradores solares y extender el rango de aplicación de los
mismos. Con el desarrollo de éste proyecto, el estudio de un concentrador solar optimizado
tomando en cuenta sus partes principales y las fases de diseño, simulación y experimentación, podrá
estudiarse su desempeño como sistema aislado capaz de cubrir un rango energético particular.
2. OBJETIVOS DEL PROYECTO

  2.1. Objetivo general

     Diseñar y construir un concentrador solar que optimice su capacidad de concentración y sea
      ambientalmente amigable, para cubrir rangos de demandas energéticas particulares.


  2.2. Objetivos específicos

     Describir los principales tipos de colectores solares existentes, desempeño y limitaciones.
     Proponer un diseño óptimo en función de la capacidad de concentración solar, los elementos
      constituyentes y la aplicación
     Simular numéricamente el rendimiento energético del colector diseñado.
     Construir un prototipo del colector diseñado.
     Caracterizar experimentalmente el modelo construido y comparar los resultados
      experimentales con los simulados.


  2.3. Alcance de la investigación (Limites)
3. ESTADO DEL ARTE

   3.1. Concentradores Solares. Definiciones principales

   Los concentradores solares son equipos que permiten entregar energía a altas temperaturas,
luego de recibir cierta radiación solar, al reducir el área donde las pérdidas de calor ocurren. Esto
implica la concentración en un punto o zona cuya área es menor a aquella donde se recibe
inicialmente la energía. Los equipos ópticos que son utilizados para este fin son los intermediarios
entre la fuente irradiante y el receptor, pueden ser concentradores de imágenes o sin imágenes,
reflectores o refractores, cilíndricos o superficies de revolución, continuos o segmentados [1].

   Varios estudios han sido realizados en el área de la energía solar. Hoy en día son reconocidas
varias fuentes bibliográficas primarias que describen los principales principios ópticos y de
transferencia de calor a los cuales ellos responden. De acuerdo a Duffie (Duffie, 19__), los
colectores solares se pueden distinguir según sus características ópticas en concentradores con
imagenes lineales, que tienen tasas de concentración intermedio; Concentradores solares con
bidireccionales, que son concentradores que direccionan los rayos de incidencia desde dos
direcciones diferentes y permiten la concentración en una línea de recepción; y Concentradores
solares tridireccionales (parabólicos, esféricos), que son concentradores que direccionan los rayos
de incidencia desde tres direcciones diferentes y permiten la concentración en un punto de
recepción.


   3.2. Sobre la radiación y la energía solar.

   Ángulos de incidencia del sol (Latitud, Azimuth, Declinación)

   Constantes y determinación de la irradiación solar sobre un sitio

   3.3. Elementos que componen un concentrador solar.

   Hay cuatro elementos principales que componen estos sistemas colectores solares. El
concentrador, que es el equipo óptico que redirecciona la radiación; el absorbedor, es el elemento
que recibe la radiación y cuya temperatura es elevada; el receptor, equipo completo que recibe la
radiación, incluye al absorbedor más otros elementos que transforman la energía recibida.


   3.4. Área de apertura y Relación de concentración,

   La apertura es el área a través de la cual la radiación solar entra al colector.
   La relación de concentración es un indicador de la capacidad que tiene el concentrador para
llevar altas temperatura al receptor. Mayores tasas de concentración, mayor la temperatura que
puede ser entregada. Las tasas de concentración pueden variar desde valores menores a la unidad
hasta valores mayores o en el orden de 105 [1].


   3.5. Rendimiento (óptico y térmico)

   3.6. Factores que afectan la concentración solar

   Relación de concentración

   Angulo de incidencia del sol

   Radiación recibida

   3.7. Tipos de Concentradores solares. Características. Principios de funcionamiento

   Lentes tipo Fresnel

   3.8. Tipos de Receptores. Características
4.       METODOLOGÍA

     4.1. Marco Teórico




     4.2. Diseño preliminar del concentrador solar

        Descripción de los elementos constituyentes del colector solar.
        Dimensionamiento del equipo en función de un estudio simplificado del rendimiento
         energético.


     4.3. Simulación numérica

        Ansys Workbench para dibujo de la estructura mecánica.
        Empleo de Matlab para estudio numerico-matemático del comportamiento energético del
         modelo previamente diseñado.


     4.4. Construcción y experimentación del prototipo

        Medición de radiación y flujos de calor en el equipo receptor




     4.5. Validación de la propuesta del diseño optimizado para aplicación particular.
5. FUENTES BIBLIOGRÁFICAS

   [1] Ojo
   [2] Duffie, John A. “Solar Engineering of thermal Processes”. 2da edición. Estados Unidos.
6. APÉNDICE




              Fig 1. V de Gowin de la investigación
Tabla 1. Tabla situacional de la investigación

				
DOCUMENT INFO
Shared By:
Categories:
Tags:
Stats:
views:7
posted:3/26/2013
language:Unknown
pages:10