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Prototipo a escala: Planta termosolar de concentración. Resumen: “Luchar contra el cambio climático es primordial, así que es esencial que el sector de generación de energía sea prácticamente libre de CO2 tan pronto como sea posible.” (Richter, 2009) en consecuencia, se han considerado como principales desafíos la satisfacción de la creciente demanda de energía requerida para el bienestar social y económico sin ser una amenaza medioambiental y en base en esto se desarrolló la idea del uso de la energía solar térmica de concentración; la producción de calor concentrando mediante espejos la luz del sol sobre un líquido térmico (comúnmente agua o aceite sintético) y este, se calienta hasta los 400°C de temperatura por la radiación solar, utilizándose para producir vapor de agua que impulsa un turbogenerador para producir electricidad. Al aprovechar la luz solar no hay combustiones y por tanto emisión de gases de efecto invernadero por ejemplo la planta Mojave Solar que produce 280 MW en Barstow que abastece a aproximadamente 91.000 hogares del estado de California y evitará la emisión de cerca de 223.440 toneladas de dióxido de carbono (CO2) anuales a la atmósfera”, sobre Abengoa, empresa responsable de la Mojave Solar, sin considerar que su fuente de energía es inagotable y que reduce el costo según José A, Roca en “El periódico de la Energía” en 2016. Tomando esto como fundamento, decidimos recrear estas plantas situadas en los países del sur de Europa, norte de África y Oriente Medio, partes de la India, China, el sur de Estados Unidos y Australia, donde la luz solar es abundante durante horas y que llegan a medir 64 m de largo con una potencia de 50MW a 280 MW, con un tamaño compacto con materiales de costo accesible y de fácil montado intentando tener la menor perdida posible de energía, manteniendo los principios físicos que sustentan el método y haciéndola funcional, aunque genere cantidades muy pequeñas de energía. Con esto en mente armamos el reflector con media cubeta, 16 espejos, el tubo absorbedor con un tubo de cobre y algunas piezas de plástico, la base de alambre galvanizado, la turbina con partes recicladas de botellas y una polea de impresora, obteniendo resultados favorables luego de la exposición a luz solar constante

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Prototipo a escala: Planta termosolar de concentración.

Resumen:

“Luchar contra el cambio climático es primordial, así que es esencial que el sector

de generación de energía sea prácticamente libre de CO2 tan pronto como sea

posible.” (Richter, 2009) en consecuencia, se han considerado como principales

desafíos la satisfacción de la creciente demanda de energía requerida para el

bienestar social y económico sin ser una amenaza medioambiental y en base en

esto se desarrolló la idea del uso de la energía solar térmica de concentración; la

producción de calor concentrando mediante espejos la luz del sol sobre un líquido

térmico (comúnmente agua o aceite sintético) y este, se calienta hasta los 400°C

de temperatura por la radiación solar, utilizándose para producir vapor de agua

que impulsa un turbogenerador para producir electricidad. Al aprovechar la luz

solar no hay combustiones y por tanto emisión de gases de efecto invernadero por

ejemplo la planta Mojave Solar que produce 280 MW en Barstow que abastece a

aproximadamente 91.000 hogares del estado de California “y evitará la emisión de

cerca de 223.440 toneladas de dióxido de carbono (CO2) anuales a la atmósfera”,

sobre Abengoa, empresa responsable de la Mojave Solar, sin considerar que su

fuente de energía es inagotable y que reduce el costo según José A, Roca en “El

periódico de la Energía” en 2016. Tomando esto como fundamento, decidimos

recrear estas plantas situadas en los países del sur de Europa, norte de África y

Oriente Medio, partes de la India, China, el sur de Estados Unidos y Australia,

donde la luz solar es abundante durante horas y que llegan a medir 64 m de largo

con una potencia de 50MW a 280 MW, con un tamaño compacto con materiales

de costo accesible y de fácil montado intentando tener la menor perdida posible de

energía, manteniendo los principios físicos que sustentan el método y haciéndola

funcional, aunque genere cantidades muy pequeñas de energía.

Con esto en mente armamos el reflector con media cubeta, 16 espejos, el tubo

absorbedor con un tubo de cobre y algunas piezas de plástico, la base de alambre

galvanizado, la turbina con partes recicladas de botellas y una polea de impresora,

obteniendo resultados favorables luego de la exposición a luz solar constante

durante 5 horas, comprobando que la energía producida por la radiación solar

podría ser una de las mejores alternativas a los combustibles fósiles en esta

región (México) pues con la cantidad de luz recibida es suficiente para ocuparse

en plantas de mayor tamaño y con esto comenzar a disminuir nuestra huella de

CO2 producida por el sector energético.

Introducción.

Marco teórico:

a) Funcionamiento general

De inicio se debe recoger la luz del sol para

convertirla en calor mediante la reflexión de

la misma enfocándola en un cuerpo que

almacene energía térmica, este calor luego

se trata para generar electricidad de las

maneras convencionales como las turbinas

de vapor o motores Stirling, o de ser

almacenada en diferentes medios como el

hormigón, las sales fundidas o cerámicas para ser utilizadas en las horas que no

se dispone de luz solar evitando que las turbinas dejen de trabajar. Un ejemplo de

esto es la planta Andasol de 50 MWe diseñadas para almacenar la energía

térmica hasta por 8 horas.

Las plantas pueden usar sistemas de espejos con enfoque puntual que pueden

concentrar la radiación hasta 1000 veces y producir temperaturas de trabajo de

1000°C, un ejemplo de este tipo de sistemas son los receptores centrales y los

sistemas de discos parabólicos. Otro tipo de enfoque es el lineal, que concentran

la radiación 100 veces con temperaturas de hasta 550 ° C, por ejemplo, los

1) Funcionamiento de un reflector

(imagen tomada de Energía

solar térmica de concentración

2009, Short R)

sistemas de canales parabólicos y sistemas de concentradores lineal de Fresnel.

(Richter, Teske 2009)

b) Óptica.

Reflectores de Fresnel: Principio de funcionamiento

El sistema concentrador está constituido por

superficies reflectoras con un elevado radio de

curvatura que interceptan, concentran y

reflejan la radiación solar dirigiéndola hacia el

tubo receptor, situado en un plano diferente al

de reflexión. Como el objetivo es concentrar

los rayos solares sobre la superficie del

receptor, el sistema concentrador debe

disponer de un mecanismo de control que le

permita seguir la trayectoria del sol de modo

que siempre se encuentre enfocado hacia él. Una vez que la radiación

concentrada llega al receptor, éste la convierte en energía térmica mediante una

transferencia de energía al fluido de trabajo. (Villa. 2009)

Canales Parabólicos:

Se usan reflectores de espejo en forma cilindro

parabólica para concentrar la luz solar en el tubo

contenedor del líquido de trabajo, este se posiciona

justo donde se forma el foco; al centro de la línea

focal de la parábola. El fluido (agua o aceite térmico

sintético) se calienta hasta los 92°C y se bombea

para producir más vapor y la mejor circulación de

este, luego de esto puede accionar las turbinas.

3) Canales parabólicos

(imagen tomada de

Energía solar térmica de

concentración 2009, Short

R)

2) Sistema de concentración de

Fresnel (imagen tomada de

Energía solar térmica de

concentración 2009, Short R)

(Richter. Teske 2009)

Ley de Snell

Esta ley nos ayuda a comprender la manera en que la luz trabaja sobre diferentes

materiales o concentraciones, variando la manera en que se propaga y su

velocidad (porque distintos medios ofrecen distinta resistencia al desplazamiento

de la luz) y produciéndose el fenómeno de la refracción, origina en el cambio de

velocidad de propagación de la onda, cuando pasa de un medio a otro.

n1·senα1 = n2·senα2

Donde n1 es el índice de refracción del primer medio (cómo de difícil le resulta a la luz avanzar a

través de él), n2 es índice de refracción del segundo medio, y a1 y a2 los ángulos de incidencia y

reflexión, respectivamente,

(Valenzuela, 2011)

Aberración esférica

Es la falta de coincidencia de los rayos luminosos que deben encontrarse

en el foco de una lente o de un espejo cóncavo. Afecta de manera diferente a

cada longitud de onda. Es proporcional a la cuarta potencia del diámetro de la

lente o espejo e inversamente proporcional al cubo de la longitud focal siendo

mucho más pronunciado en sistemas ópticos de corta focal.

(Ditchburn RW, 1982)

Imagen

La imagen óptica es el principio básico de todos los sistemas de captación o

registro de imágenes. Su generación se produce por la reflexión de los rayos de

luz, dado que no son los objetos en sí lo que vemos sino la luz que reflejan.

La reflexión es la propiedad por la cual un rayo luminoso es desviado de su

trayectoria inicial cuando en su camino se encuentra un cuerpo opaco. La luz se

refleja sobre los objetos despidiendo sus haces en todas direcciones y, según el

principio de la imagen óptica, en la punta de cada uno de esos rayos reflejados va

un punto de imagen del objeto que produjo el reflejo, de forma que cualquier

objeto puede ser entendido como un conjunto infinito de puntos, cada uno de los

cuales refleja la luz que recibe hacia todas direcciones.

( Universitat Politècnica de València, 2005)

Absorbancia y Transmitancia

La transmitancia nos habla de la propiedad de los materiales para reflejar la luz sin

conservarla como energía térmica esto nos es útil pues la transformación en

energía térmica en el reflector supone una pérdida de luz para el tubo de Fresnel.

La absorbancia es la capacidad de almacenar la energía recibida y emitir la menos

posible. Sería al igual que en los colores, el negro sería el de mayor absorbancia

(90- 98%) y menor transmitancia en contraste al blanco con mayor transmitancia y

menor absorbancia (14-20%) Son inversas proporcionalmente.

Transmitancia = P / P0 Donde:

T = Transmitancia. P = Intensidad de la luz transmitida. P0 = Intensidad de

la luz incidente.

La absorbancia se define como el logaritmo negativo de la transmitancia, y se

observa que la absorbancia y la transmitancia tienen una relación inversa:

Absorbancia = -log ( T ) = -log ( P ⁄ P0 )

(González, 2010)

c) Tubo absorbedor:

Ubicado en el foco de la parábola para mejor captación de la luz y aumento en

la transformación de calor, está compuesto:

1) Tubo absorbedor: hecho

generalmente de acero inoxidable

recubierto con algún material con el

que el líquido térmico de su interior

pueda circular correctamente.

2) Tubo de vidrio: Con recubrimientos

antirreflexivos para una mejor

transmisión del calor evitando la

pérdida de energía por formación de

imagen. Uso del efecto invernadero en su interior, además que el vacío entre

ambos tubos suprime el escape de calor del líquido de trabajo.

3) Dilatador o fuelle: absorbe dilataciones térmicas.

4) Getter: Mantiene el vacío entre ambos tubos.

(Abengoa Solar, 2015)

d) Generador de electricidad

Turbina de vapor:

El vapor de agua choca violentamente contra las aspas de la turbina donde la

presión es utilizada para que éstas giren más rápido. (González, sf)

Una turbina de vapor es una turbomáquina motora, que transforma la energía de

un flujo de vapor en energía mecánica a través de un intercambio de cantidad de

movimiento entre el fluido de trabajo (entiéndase el vapor) y el rodete, órgano

principal de la turbina, que cuenta con palas o álabes los cuales tienen una forma

particular para poder realizar el intercambio energético. Las turbinas de vapor

están presentes en diversos ciclos de potencia que utilizan un fluido que pueda

cambiar de fase, entre éstos el más importante es el Ciclo Rankine, el cual genera

el vapor en una caldera, de la cual sale en unas condiciones de elevada

temperatura y presión. En la turbina se transforma la energía interna del vapor en

energía mecánica que, típicamente, es aprovechada por un generador para

producir electricidad En una turbina se pueden distinguir dos partes, el rotor y el

estator. El rotor está formado por ruedas de álabes unidas al eje y que constituyen

la parte móvil de la turbina. El estator también está formado por álabes, no unidos

al eje sino a la carcasa de la turbina. (Fernández, 2005)

e) Motor:

Se trata de una máquina que se encarga de

convertir la energía eléctrica en energía mecánica

a través de la acción de los campos magnéticos

producidos por bobinas.

Pueden funcionar a la inversa, es decir no

solamente pueden ser utilizados para transformar

energía eléctrica en mecánica. También pueden

funcionar como generadores de electricidad.

(Mecafix, 2018)

f) Termodinámica

Ciclo de Carnot.

El ciclo de Carnot consiste en dos procesos donde con temperatura constante

donde la energía calorífica sea igual a 0 y por tanto la temperatura interna sea

igual al trabajo, esto quiere decir que toda la energía sería ocupada y nada sería

desperdiciado. Por tanto habría ciclos reversibles y la entropía no amentaría. Esto

no es posible, pues en todo sistema termodinámico hay un porcentaje de entropía,

o energía que es no es aprovechada y ésta tiende a aumentar.

El ciclo establece el uso ideal de la energía obtenida resultada en trabajo. No es

viable pues el calor es casi desconsiderable.

(Olmo, 2005)

Entalpia:

Es la energía transferida en forma de calor por un sistema a presión constante,

aun cuando el calor no es una propiedad del sistema, sí es una medida del cambio

en una propiedad fundamental del sistema en el momento que los procesos

ocurren manteniendo la presión constante.

La energía térmica útil recibida por el reflector viene dada, en términos de

incremento entálpico que experimenta el fluido de trabajo en el sistema, por:

(Qutil= Qm x H (Qsalida-Qentrada)

(Garritz, 2005)

Capacidad calorífica

La capacidad calorífica específica es la cantidad de energía necesaria para que un

gramo de sustancia eleve un grado centígrado su temperatura.

Si consideramos los procesos que ocurren a presión constante, hablamos de la

capacidad calorífica específica a presión constante (Cp). Mientras mayor sea la

capacidad calorífica específica de un sistema, mayor cantidad de energía se

requiere para elevar su temperatura. de la materia La capacidad calorífica

específica es igual al calor (q) dividido por el cambio en la temperatura (▲T Tf-Ti )

multiplicado por la masa.

La capacidad calorífica específica siempre será positiva, porque la masa es

siempre positiva, y q y ▲T son positivos los dos, o negativos los dos. Cuando el

calor es negativo significa que el sistema ha transferido energía hacia los

alrededores. Eso quiere decir que la temperatura del sistema disminuye y ▲T es

negativo. Si el calor es positivo es porque los alrededores han transferido energía

al sistema, su temperatura aumenta como consecuencia y ▲T es positivo.

(Garritz, 2005)

Características termodinámicas del agua:

“Se estima que cada 1000 m de altura el punto de ebullición del agua varía

3ºC. A nivel del mar el agua hierve a 100º C. En el DF, entre 94 y 95ºC, y en la

cumbre del Everest, a 8,850 msnm (multiplicamos 8x3=24), hervirá a unos 75ºC.”

(Xicoténcatl. A ,2011)

Eficiencia energética:

Para 2015 se esperaba asistir a la instalación anual de un mínimo de energía solar

térmica de concentración de 566 MW bajo un modelo conservador, hasta 6.814

MW (6,8GW) anualmente bajo un escenario avanzada el mundo podría tener una

potencia de energía solar combinada de más de 68 GW para el año 2020 y de 830

GW para 2050, con un despliegue anual de cerca de 41 GW, que representaría

entre el 1 y el 1,2% de la demanda global para 2020 y saltaría a 8,5 - 11,8% en

2050. En el escenario moderado los resultados económicos serían de más de

92.000 millones de euros en inversiones y de más de un millón de puestos de

trabajo al año.

En 2020, el ahorro en emisiones de dióxido de carbono sería de 148 millones de

toneladas de CO2 anuales. Aumentarían hasta 2.100 millones de toneladas en

2050. Bajo un escenario avanzado de desarrollo de la industria, con altos niveles

de eficiencia energética, la energía solar térmica de concentración podría

abastecer hasta el 7% de las necesidades mundiales para 2030 y hasta un tercio

para 2050.

(Short. R, 2009)

Objetivos:

Objetivo general:

1) Elaboración de una planta termo solar de concentración funcional con las

características de temperatura, altitud, latitud y calidad del aire de la Ciudad

de México que sea capaz de prender un led usando como fuente de

energía vapor producido con luz solar.

Objetivos específicos:

1) Lograr el ensamblaje sea llevado a cabo sin piezas prefabricadas.

2) Mantener su funcionalidad con materiales de bajo costo y obtención

accesible.

3) Evitar en lo posible perdidas de energía por imagen y transmisión.

4) Hacer el proceso semiautomático.

Planteamiento del problema:

El constante crecimiento poblacional ha creado una mayor demanda energética

pues actualmente la generación de ésta se está volviendo insuficiente, además

que compromete la sustentabilidad y la calidad del ambiente, así como nuestra

disposición de recursos como combustibles fósiles; el gas, petróleo y carbón

haciendo necesaria la construcción de alternativas más amigables con el ambiente

tanto en reducir la emisión de gases de efecto invernadero como el uso de las

energías renovables como, en este caso, la solar, de la que hacemos uso en este

proyecto calentando agua que pasa a través de un sistema para producir

electricidad.

Hipótesis:

Si el armado del sistema solar térmico de concentración es eficiente y la cantidad

de calor recibida es aprovechada por el sistema como debería de ocurrir entonces

este será capaz de generar energía y transmitirla a un led. Esto quiere decir que si

el foco formado por los espejos sobre el tubo de cobre, calienta este y el agua en

su interior para que ésta última pase a ser vapor y accionada con el embolo salga

a presión suficiente para hacer funcionar una turbina conectada a unos engranes

que harán trabajar un motor entonces este producirá la electricidad necesaria para

prender un led.

Procedimiento:

Materiales:

• 1 motor 12v

• 1 recipiente plástico rectangular con tapa

• 1 cubeta de 20 L partida por mitad sin fondo color blanco

• 12 espejos de 10x10 cm

• 4 espejos de 10x5

• 1 corcho

• 1/2botella de plástico

• 1/2 tubo de cobre ½ inc 50 cm de largo

• 1 engranaje de 60 dientes, 7.4 cm diámetro

• 1 engranaje 2.4 cm diámetro

• Polea 15.5 cm diámetro

• 2m alambre precocido

• 1 jeringa vidrio de 5 mL de doble cámara

• Silicón caliente

• Soldadura eléctrica

• 3 ganchos metálicos

• 1 Base metálica

• 1 Manguera de plástico

• 1 Led.

• 1 Boquilla de cobre de 0.5 In.

• 2 tapones de caucho de1.5 cm de diámetro con perforación al centro.

• Cinta aislante.

• Base metálica, acero 35cm

Sustancias:

1) Agua

Procedimiento general:

Para el reflector:

1. Dividir la media cubeta en dos partes iguales de manera vertical.

2. Colocar los espejos de 10x10cm de manera alineada (6 por media cubeta,

en dos filas de 3 espejos)

3. Colocar los espejos de 5x10 cm (2 en cada mitad de la cubeta)

4. Se repite la operación en ambos lados de la cubeta.

5. Perforar pequeños orificios en dos esquinas de cada cubeta, esto para el

montado a la base.

Para la turbina de vapor:

1. Cortar la parte curva de la botella en 8 rectángulos, estas piezas serán las

aspas de las turbinas.

2. Hacer 8 cortes al corcho de manera vertical donde embonaran las aspas.

3. Pegar las aspas al corcho.

4. Embonar el corcho por su superficie inferior al engrane grande,

5. En el recipiente plástico hacer dos orificios conectados por una abertura,

esta deberá ser del ancho de la polea para poder introducir esta.

6. Conectar la polea del engrane mayo al menor.

7. Unir el extremo del motor al centro del engrane menor.

8. Perforar el recipiente por debajo, esto para que se drene el agua luego que

el vapor se condensara.

9. Conectar a la manguera de plástico al orificio hecho anteriormente y sellar

con silicón para prevenir fugas.

10. Perforar al recipiente un círculo de 0.5 In por un costado al centro, esto para

introducir la boquilla de cobre del tubo absorsor.

11. En la tapa del recipiente perforar un pequeño orificio donde se pueda

introducir una varilla de plástico como soporte auxiliar de la turbina, para

que esta tenga espacio suficiente para girar adecuadamente.

Para el tubo Absorsor:

1) Por un extremo del tubo colocar un tapón de caucho y a continuación la

boquilla de cobre, esto para que la presión de salida de vapor aumente.

2) En el otro extremo, colocar el tapón de corcho.

3) Colocar la jeringa sin embolo en el orificio del tapón anterior.

4) Colocar la manguera de plástico en la jeringa, para cerrar el sistema y se

reutilice la mayor cantidad de agua posible.

5) Con alambre precocido cortar dos segmentos de 40 cm y girar sobre los

extremos del tubo para posteriormente montarlos a la base.

Montado:

1) Torcer ambos extremos del alambre para fijar el tubo a la base,

2) Dejar libres 20 cm para ensamblar el alambre por los dos orificios hechos

anteriormente a cada mitad de reflector.

3) Pasando por debajo de los reflectores y la base metálica el alambre para

asegurar el sistema.

4) Ensamblar las piezas faltantes.

5) Conectar el led a cada lado correspondiente del motor.

(Reflector A y B

tienen la misma

composición)

Imagen1.2: Parte A del

Reflector.

Imagen1.1: Pegado

del cristal.

Imagen 2.0 Corcho, aspas y engranaje

grande

Imagen 3: Engrane pequeño (blanco) Engrane

grande (negro)

Imagen2.1 Turbina (con

recipiente abierto)

Resultados:

Se dejo el sistema al sol durante 5 horas, en este periodo el cobre alcanzó una

temperatura de 94°, después se le inyectaron 200 ml de agua, con el émbolo

impulsamos el vapor en un diámetro de media pulgada, a lo largo de 50 cm por lo

cual, con una velocidad inicial de 1.6 m/s salió a una de 3.7 m/s, haciendo girar la

turbina que luego convertirá el motor a electricidad logrando prender un led

durante 5 minutos.

Imagen 4: Ensamblaje Prueba 1.

Análisis de resultados:

Se comprobó la hipótesis, el tubo de cobre recibió el suficiente calor para poder

evaporar el agua, que esta saliera a presión e hiciera girar al motor, con una

fuerza suficiente como para generar la energía para prender un led durante 5

minutos. Esto nos comprueba como las energías limpias son una opción, que sólo

necesitan ser apoyadas y optimizadas para que tengan un gran impacto en el

mundo.

Conclusiones:

1) El uso de la energía solar para aplicaciones tecnológicas va en constante

desarrollo, por lo que es muy importante que se apoye y se ayude al

desarrollo de nuevos proyectos, sobre todo en países de centro América

donde cuentan con mejores condiciones para la instalación de plantas.

2)

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