View
115
Download
1
Category
Preview:
Citation preview
Mxico, D.F. 2010
Instituto Politcnico Nacional
Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica
Seccin de Estudios de Posgrado e Investigacin
DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN SISTEMA DE
CONTROL PARA LA ORIENTACIN DE UN
CONCENTRADOR SOLAR
CILINDRO-PARABLICO ESTE-OESTE
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE
MAESTRO EN CIENCIAS
CON ESPECIALIDAD EN INGENIERA MECNICA
PRESENTA:
ING. LIZBETH SALGADO CONRADO
DIRIGIDA POR:
M. EN C. CNDIDO PALACIOS MONTFAR
DR. JUAN ALEJANDRO FLORES CAMPOS
i
RESUMEN
En este trabajo se propone el diseo y la implementacin de un sistema para el
control de la orientacin de un concentrador solar cilindro-parablico. El control de
orientacin permite enfocar la superficie reflectora perpendicular a los rayos del Sol, para
captar la mayor cantidad de energa y aumentar la captacin del concentrador.
El concentrador solar cilindro-parablico es un mecanismo de un grado de libertad
constituido a base de perfiles tubulares de diferentes calibres. Se encuentra apoyado y
soportado sobre dos chumaceras en cada extremo, separadas 6.50 m y los ejes de ambas
chumaceras son coaxiales, stas a su vez estn fijas en torres de soporte a una altura de
2.5 m.
El perfil parablico se construy tambin, colocando lmina de acero inoxidable del
tipo 304 con acabado espejo sobre perfiles de PTR, con forma de parbola previamente
establecida. La lnea focal de esta parbola coincide con el eje de giro del concentrador
solar. Es importante mencionar que se tienen 3 mdulos solares con una superficie de 24 m2
cada uno, por lo cual se tiene una superficie total de calentadores de 72 m2.
El control de orientacin del ngulo azimutal de este sistema mecnico se lleva a
cabo con ayuda de un seguidor solar comercial. El sensor de este instrumento manda la
seal al PLC (S7-200 Siemens), el PLC a su vez manda una seal al mecanismo ejecutor
del movimiento, donde una electrovlvula activa al sistema de orientacin por
desplazamiento de agua, que hace girar a todo el concentrador solar el ngulo deseado.
Este mecanismo ejecutor, cuya patente est en trmite, consiste de dos recipientes
de agua de 60 litros con una capacidad de llenado al 50% y un motor en cada uno de ellos,
se bombea agua de un recipiente a otro dependiendo de la necesidad de orientacin.
Con el objeto de caracterizar el sistema, se estableci un modelo dinmico, el cual
balancea las fuerzas y momentos generados por el peso del agua, el peso del concentrador
solar, el momento de inercia del concentrador, considerando a este sistema mecnico como
un pndulo.
Se ha realizado el control para un mdulo, ya que los otros concentradores solares
han sido conectados en paralelo para emplear la misma seal de orientacin.
Por ltimo, la tesis contiene cuatro captulos, el primero de estos presenta la
informacin de otros sistemas semejantes a lo que aqu se propone. El segundo captulo
trata del clculo de los momentos de inercia de cada componente del concentrador solar,
ii
que servir para realizar el control con el modelo dinmico. El tercer captulo presenta la
metodologa empleada para realizar el control de los concentradores en conjunto y por
ltimo el captulo cuatro contiene las grficas y las interpretaciones de los resultados, as
como las conclusiones. En los apndices se tiene los programas y tutoriales relacionados
con los captulos.
iii
ABSTRACT
This paper proposes the design and the implementation of a system for the control
and orientation of a cylinder-parabolic solar concentrator. The turning control allows
focusing on the reflective surface perpendicular to the suns rays, to capture more energy
and increase the uptake of the concentrator.
The cylinder-parabolic solar concentrator is a mechanism of one degree of freedom,
which was built with tubular profiles of different caliber. This is supported on two bearings
at each end separated 6.50m and the axes of both bearing are coaxial, these in turn are fixed
to support towers to a height of 2.5m.
The parabolic profile built by placing the stainless steel sheet type 304 with mirror
end on profiles of flawing PTR with form of parable previously established. The focal line
of the parable coincides with the axis of rotation of the solar concentrator. It is important to
mention that there are three solar modules with a superface of 24 m2 each one, thus having
a superface of 72m2.
The control of orientation of the azimuth angle of this mechanical system, is carried
out using a commercial solar tracker. The sensor of this instrument sends a signal to the
PLC (S7-200 Siemens), turn the PLC sends another signal at the executing mechanism of
movement, where a solenoid actives the system of turning by water displacement turns
around the solar concentrator a desired angle.
This executing mechanism, which patent is in process, consists of two containers of
water of 60 liters, with a capacity of filling of 50% with one motor in each one of them; the
water is pumped of a container to another depending on the need for turning.
In order to characterize more deeply the system, it was established a dynamic
model, that balances the forces and moments generated by the weight of water, the weight
of solar concentrator, the inertial moment of it, considering the mechanical system as a
pendulum.
The control was made by a solar module, as the other solar concentrators have been
connected in parallel to use the same turning signal.
Finally, the thesis contains four chapters, the first of these presents the information
from other similar systems to what is proposed here. The second chapter deals with the
calculation of moments of inertia of each component of the solar concentrator, which will
iv
assist in the control with the dynamic model. The third chapter present the methodology
used for the control of the concentrator together and finally the chapter fourth is the graphs
and interpretations of the results and conclusions. On the other hand, the appendices have
the programs and tutorial related to the chapter.
v
TABLA DE CONTENIDO Pg.
Resumen... i Abstract. iii Tabla de contenido... v ndice de figuras... vii ndice de tablas. x ndice de grficas.. xi Simbologa xii Objetivo General.. xv Justificacin... xvi Definicin del problema xvii
CAPTULO I
ESTADO DEL ARTE
1.1 Concentradores solares. 2 1.1.1 Ventajas del empleo de concentradores solares.... 3 1.1.2 Desventajas del empleo de concentradores solares... 3 1.2 Antecedentes histricos.... 4 1.3 Tipos de seguidores solares.. 10 1.3.1 Seguidores de un eje.. 10 1.3.2 Seguidores de dos ejes..
11
CAPTULO II
MODELO DINMICO DE UN CONCENTRADOR SOLAR CILINDRO-PARBOLICO 2.1 Parmetros geomtricos.... 14 2.2 Componentes del concentrador solar cilindro-parablico..... 18 2.2.1 Perfiles parablicos.... 19 2.2.2 Marcos del concentrador... 23 2.2.3 Soleras del concentrador solar... 25 2.2.4 Lmina... 29 2.2.5 Base del tensor del concentrador.. 31 2.2.6 Base de los porrones.. 34 2.2.7 Porrones o contenedores de agua.. 39 2.2.8 Bomba de agua de los porrones..... 40 2.2.9 Ejes.... 41 2.2.10 Soportes del concentrador... 42 2.2.11 Tensores... 43 2.2.12 Tubos absorbentes... 43 2.2.13 Contenedores de agua fra.. 45 2.2.14 Contenedores de agua caliente.... 45 2.3 Momentos de inercia total del concentrador solar cilindro-parablico..... 46 2.4 Modelo dinmico del concentrador solar.
47
vi
CAPTULO III
DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN SITEMA DE CONTROL POR DESPLAZAMIENTO
DE AGUA
3.1 Descripcin general del sistema de calentamiento de agua en el concentrador solar... 60 3.2 Orientacin del concentrador solar... 65 3.3 Componentes del sistema de control para la orientacin del concentrador solar por
desplazamiento de agua..
67
3.3.1 Sensor solar.... 67 3.3.2 PLC.. 75 3.3.2.1 CPU 222. 76 3.3.2.2 Entradas analgicas EM231 79 3.3.2.3 Contactor LC1D12BD 81 3.3.2.4 Visualizador de textos TD 200... 84 3.3.2.5 Configuracin del TD 200 EN STEP7 MICRO/WIN... 85 3.4 Programa de orientacin en el PLC y conexiones....
90
CAPTULO IV
ANLISIS DE RESULTADOS
4.1 Condiciones de operacin del concentrador solar 94 4.2 Anlisis de los resultados obtenidos . 95 4.3 Consideraciones geomtricas del foco de los concentradores solares cilindro-parablicos 128
4.4 Aspectos econmicos del concentrador solar cilindro-parablico
130
Conclusiones 131 Trabajos futuros.. 132 Apndice A Cdigo del programa en Matlab. 133 Apndice B Detalle de piezas del concentrador solar 159 Apndice C Teora de los PLCs. 174 Apndice D Diagramas elctricos del controlador del sensor solar 200 Apndice E Diagramas de control en Matlab. 204 Bibliografa. 207
vii
NDICE DE FIGURAS
Pg.
Figura 1.1 Concentradores solares A) CCP, B) CRS, C) DP... 3 Figura 1.2 Esquema general del colector solar.... 6 Figura 1.2 A) Ubicacin del seguidor solar en la estructura del concentrador, B) Vista lateral
del sensor del seguidor y principio de funcionamiento...............
6
Figura 1.3 Montaje experimental para la prueba con tira bimetlica... 7 Figura 1.4 A) Sistema de seguimiento solar para el cual se dise el circuito de control, B)
Sistema experimental usado para la calibracin del circuito electrnico
8
Figura 1.5 Mecanismos planos usados en la orientacin de paneles solares... 9 Figura 1.6 Sistema de seguimiento milimtrico de la trayectoria solar 10 Figura 2.1 Fotografa del concentrador solar cilindro-parablico 13 Figura 2.2 Componentes del concentrador CCP.. 14 Figura 2.3 Concentradores solares instalados en una superficie de 150m
2.. 15 Figura 2.4 Parbola del concentrador solar 16 Figura 2.5 Eje de giro del concentrador 18 Figura 2.6 Ejes paralelos.. 19 Figura 2.7 A) Configuracin de los seis perfiles parablicos en vista isomtrica realizado en
el paquete Mechanical Desktop 6 Power Pack demo, B) Fotografa de los perfiles
parablicos del concentrador solar en construccin.....
20
Figura 2.8 A) Vista frontal, B) Vista inferior, C) Medidas de un perfil parablico 21 Figura 2.9 Cilindro parablico slido.. 22 Figura 2.10 Marcos del concentrador solar.. 23 Figura 2.11 Fotografa de los marcos del concentrador solar.. 23 Figura 2.12 Referencias de medidas de los marcos 1 y 2 para los momentos de inercia 24 Figura 2.13 Referencias de medidas de los marcos 3 y 4 para los momentos de inercia 24 Figura 2.14 A) Vista isomtrica del concentrador solar y B) Vista superior (soleras
enumeradas)..
26
Figura 2.15 Fotografa de las soleras del concentrador solar 27 Figura 2.16 A) Medidas de soleras de la 1 a la 5 y de la 21 a la 25, B) Medidas de soleras de la
5 a la 20
28
Figura 2.17 Fotografa de la lmina de acero inoxidable del concentrador solar cilindro-
parablico.
29
Figura 2.18 Representacin de la lmina de acero inoxidable #304 en Mechanical Desktop
2004 demo
30
Figura 2.19 Medidas de la lmina de acero inoxidable #304 acabado espejo.. 31 Figura 2.20 Fotografa de la base del tensor y el cable tensor del concentrador solar lado
derecho.
32
Figura 2.21 Base del tensor.. 32 Figura 2.22 Base del tensor izquierdo y derecho.. 33 Figura 2.23 Fotografa de la base de los porrones para el concentrador solar lado izquierdo. 34 Figura 2.24 Base de los porrones para el concentrador solar lado izquierdo y derecho 34 Figura 2.25 Piezas que integran la base del porrn.. 35 Figura 2.26 Fotografa del porrn lado izquierdo. 39 Figura 2.27 Bomba de agua del porrn. 41 Figura 2.28 Fotografa del eje del concentrador solar cilindro-parablico 41 Figura 2.29 Eje frontal y posterior del concentrador solar cilindro-parablico 41 Figura 2.30 Fotografa de los soportes del concentrador solar. 43 Figura 2.31 A) Fotografa del tensor derecho del concentrador solar, B) Fotografa del tensor
medio del concentrador solar
43
viii
Figura 2.32 Fotografa de los tubos absorbentes del concentrador solar...... 44 Figura 2.33 Fotografa de los tubos absorbentes del concentrador solar en los tres mdulos.. 44 Figura 2.34 Fotografa de los contenedores de agua fra.. 45 Figura 2.35 Fotografa de los contenedores de agua caliente 45 Figura 2.36 A) Pndulo simple en reposo, B) Concentrador solar en reposo, C) Pndulo
simple desplazado un ngulo y D) Concentrador solar orientado a un ngulo
47
Figura 2.37 Diagrama del pndulo a) posicin de equilibrio estable, b) Pndulo con un
ngulo .
48
Figura 2.38 Diagrama de cuerpo libre del concentrador solar..... 48 Figura 2.39 Modelo dinmico del concentrador solar con en la posicin inicial de 30.. 49
Figura 2.40 Comportamiento del concentrador solar con en la posicin inicial de 30.. 50
Figura 2.41 Control proporcional... 51 Figura 2.42 Comportamiento del concentrador solar utilizando un controlador Proporcional. 51
Figura 2.43 Comportamiento del torque con un controlador Proporcional.. 52 Figura 2.44 Comportamiento del error con un controlador Proporcional. 52 Figura 2.45 Control proporcional derivativo. 53 Figura 2.46 Posicin y Velocidad angular del concentrador con un controlador Proporcional
Derivativo.
53
Figura 2.47 Grfica del error para un controlador PD.. 54 Figura 2.48 Control proporcional integral derivativo 54 Figura 2.49 Grfica de la posicin y velocidad angular del concentrador solar con un control
PID.......
55
Figura 2.50 Grfica del error con un control Proporcional Integral Derivativo. 55 Figura 2.51 Torque aplicado al concentrador solar cilindro-parablico para una posicin de
0 a 60...
56
Figura 2.52 Fotografa de los porrones del concentrador solar. 56 Figura 2.53 Control de nivel de fluido en el porrn derecho. 57 Figura 3.1 Esquema general de la instalacin de los concentradores solares 61 Figura 3.2 Esquema del flujo de agua que se desea calentar a 60c para uso domstico. 62 Figura 3.3 Esquema del flujo de agua de la alberca que se desea calentar .. 63 Figura 3.4 Esquema de los detalles de la tubera del concentrador solar.. 64 Figura 3.5 Fotografa del concentrador solar cilindro-parablico. 65 Figura 3.6 Diagrama del concentrador solar cilindro-parablico.. 65 Figura 3.7 Flujo de agua del porrn izquierdo al porrn derecho. 66 Figura 3.8 Flujo de agua del porrn derecho al porrn izquierdo. 66 Figura 3.9 Sensor solar. 67 Figura 3.10 Esquema del sensor solar .. 68 Figura 3.11 Fotografa del controlador de seguimiento. 69 Figura 3.12 Diagrama de ubicacin de los componentes del controlador de seguimiento 70 Figura 3.13 Pines de conexin de la compuerta LM2901D.. 72 Figura 3.14 Circuito que controla la latitud hacia arriba UP. 73 Figura 3.15 Circuito que controla la latitud hacia abajo (DOWN) 74 Figura 3.16 Estructura interna del PLC ... 75 Figura 3.17 Partes del CPU 222. 76 Figura 3.18 Conexiones generales de voltaje de la CPU 222 77 Figura 3.19 Fotografa del cable de conexin PC/PPI... 78 Figura 3.20 Selector del PLC Siemens S7-200.. 78 Figura 3.21 Mdulo de expansin de salidas analgicas EM231.. 79 Figura 3.22 Conexiones del mdulo de expansin de entradas analgicas EM231 80 Figura 3.23 DIP switch. 80 Figura 3.24 Contactor LC1D12BD 81
ix
Figura 3.25 Interruptor sencillo de un solo polo (SPST).. 81 Figura 3.26 Interruptor doble de un solo polo (SPDT). 82 Figura 3.27 Interruptor sencillo de polo doble (DPST). 82 Figura 3.28 Interruptor doble de polo doble (DPST). 83 Figura 3.29 Principales componentes del TD 200. 84 Figura 3.30 Configuracin punto a punto.. 85 Figura 3.31 Abrir el asistente del visualizador de textos en Micro/WIN SP5 V4.0 STEP 7
demo
85
Figura 3.32 Introduccin del asistente del TD 200 86 Figura 3.33 Modelo y versin del TD 200. 86 Figura 3.34 Idioma y juego de caracteres.. 87 Figura 3.35 Botones del teclado del TD 200. 87 Figura3.36 Asignacin de la memoria.. 88 Figura 3.37 Men personalizado 89 Figura 3.38 Mensaje del TD 200 al inicio del proceso. 89 Figura 3.39 Mensaje al finalizar el proceso de orientacin de los concentradores solares 90 Figura 3.40 Conexiones del PLC.. 92 Figura 4.1 Concentradores solares C1,C2 y C3. 94 Figura 4.2 Fotografa de la colocacin del Sensor Solar en el Concentrador Solar.. 94 Figura 4.3 Medicin del ngulo en el concentrador solar 107 Figura 4.4 Posicionamiento de los porrones con respecto al Este-Oeste.. 107 Figura 4.5 Trayectoria solar . 124 Figura 4.6 Clculo del foco producido por el haz luminoso que llega a la superficie del
concentrador cilindro-parablico
128
Figura 4.7 Fotografa de los haces luminosos reflejados en el foco del concentrador solar.. 129
x
NDICE DE TABLAS
Pg.
Tabla 1 Coordenadas de la parbola con vrtice en el origen..... 17 Tabla 2 Caractersticas generales de un perfil parablico... 21 Tabla 3 Momentos de inercia de los 6 perfiles parablicos de la lmina 22 Tabla 4 Caractersticas de cada marco del concentrador solar 24 Tabla 5 Momentos de inercia de cada marco.. 25 Tabla 6 Caractersticas de las soleras del concentrador solar. 27 Tabla 7 Momentos de inercia de las soleras del concentrador solar... 28 Tabla 8 Caractersticas de la lmina de acero inoxidable #304 acabado espejo. 30 Tabla 9 Momentos de inercia de la lmina de acero inoxidable #304 acabado espejo.. 31 Tabla 10 Caractersticas de la base de los tensores del concentrador. 32 Tabla 11 Momentos de inercia de la base de los tensores del concentrador... 33 Tabla 12 Caractersticas generales de la base del porrn... 35 Tabla 13 Caractersticas y momentos de inercia de las partes de la base del porrn. 36 Tabla 14 Caractersticas y momentos de inercia de un porrn 40 Tabla 15 Caractersticas y momentos de inercia de un eje.. 42 Tabla 16 Momentos de inercia con respecto al eje de giro. 46 Tabla 17 Caractersticas del sensor solar 68 Tabla 18 Especificaciones del controlador de seguimiento 69 Tabla 19 Caractersticas de los elementos del controlador de seguimiento 70 Tabla 20 Direccionamiento de entradas y salidas.. 77 Tabla 21 Rango de escalas de la configuracin del EM231 80 Tabla 22 Ajustar el bloque de parmetros del TD 200 88 Tabla 23 Calentamiento del agua de la alberca del 8 de Octubre del 2010 95 Tabla 24 Datos para obtener el rendimiento del concentrador solar.. 97 Tabla 25 Inclinacin, velocidad y aceleracin del concentrador solar del 8 de Octubre del
2010..
103
Tabla 26 Calentamiento del agua de la alberca del 14 de Octubre del 2010 108 Tabla 27 Inclinacin, velocidad y aceleracin del concentrador solar del 14 de Octubre del
2010..
113
Tabla 28 Calentamiento del agua de uso domstico del 15 de Octubre del 2010. 117 Tabla 29 Inclinacin, velocidad y aceleracin del concentrador solar del 15 de Octubre del
2010...
123
xi
NDICE DE GRFICAS
Pg.
Grfica 1 Lecturas de las temperaturas del calentamiento del agua de la alberca del 8 de Octubre de
2010 de 10 hrs. a 15:30 hrs..
99
Grfica 2 Lecturas de las temperaturas del foco del 8 de Octubre de 2010 de 10 hrs. a 15:30 hrs.. 100
Grfica 3 Lecturas de la radiacin solar del 8 de Octubre de 2010 de 10 hrs. a 15:30 hrs 101
Grfica 4 Rapidez de cambio de la temperatura de salida con respecto a la entrada del da 8 de
Octubre de 2010 de 10 hrs. a 15:30 hrs.
102
Grfica 5 Lecturas de inclinacin de los concentradores solares del da 8 de Octubre de 2010 de 10
hrs. a 15:30 hrs..
104
Grfica 6 Lecturas de la velocidad de los concentradores solares del da 8 de Octubre de 2010 de
10 hrs. a 15:30 hrs.
105
Grfica 7 Lecturas de la aceleracin de los concentradores solares del da 8 de Octubre de 2010 de
10 hrs. a 15:30 hrs.
106
Grfica 8 Lectura de las temperaturas del calentamiento del agua de la alberca del 14 de Octubre de
2010 de 10 hrs. a 15:30 hrs
109
Grfica 9 Lectura de las temperaturas del foco del 14 de Octubre de 2010 de 10 hrs. a 15:30 hrs.. 110
Grfica 10 Lecturas de la radiacin solar del 14 de Octubre de 2010 de 10 hrs. a 15:30 hrs 111
Grfica 11 Lecturas de la rapidez de cambio de la temperatura de salida con respecto a la entrada
del da 14 de Octubre de 2010 de 10 hrs. a 15:30 hrs...
112
Grfica 12 Lecturas de la inclinacin de los concentradores solares del da 14 de Octubre de 2010
de 10 hrs. a 15:30 hrs
114
Grfica 13 Lecturas de la velocidad de los concentradores solares del da 14 de Octubre de 2010 de
10 hrs. a 15:30 hrs.
115
Grfica 14 Lecturas de la aceleracin de los concentradores solares del da 14 de Octubre de 2010
de 10 hrs. a 15:30 hrs
116
Grfica 15 Lecturas de las temperaturas del calentamiento del agua de uso domstico del 15 de
Octubre de 2010 de 10 hrs. a 13:15 hrs
119
Grfica 16 Lecturas de las temperaturas del foco del 15 de Octubre de 2010 de 10 hrs. a 13:15 hrs 120
Grfica 17 Lecturas de la radiacin solar del 15 de Octubre de 2010 de 10 hrs. a 13:15 hrs 121 Grfica 18 Lectura de rapidez de cambio de la temperatura de salida con respecto a la entrada del
da 15 de Octubre de 2010 de 10 hrs. a 13:15 hrs 122
Grfica 19 Lecturas de la inclinacin de los concentradores solares del da 15 de Octubre de 2010
de 10 hrs. a 13:15 hrs.
125
Grfica 20 Lecturas de la velocidad de los concentradores solares del da 15 de Octubre de 2010 de
10 hrs. a 15:15 hrs
126
Grfica 21 Lecturas de la aceleracin de los concentradores solares del da 15 de Octubre de 2010
de 10 hrs. a 15:15 hrs.
127
xii
SIMBOLOGA
rea,
Ampere
La mitad de lo ancho de la parbola A/D Analgico/Digital AWL Lenguaje por lista de instrucciones
Distancia del foco al vrtice b Friccin C Contadores
C1 Concentrador solar 1
C2 Concentrador solar 2
C3 Concentrador solar 3
CPC Concentrador parablico compuesto
CPU Unidad Central de Proceso
CRS Concentrador de receptor solar
Distancia perpendicular entre los ejes paralelos
Largo de perfil parablico
DC Corriente Directa
D.I.M. Monitor directo de la insolacin
DP Discos parablicos o paraboloides de revolucin
Error
EM231 Mdulo de expansin de entradas analgicas
E/S Entradas/Salidas
E-W Este-Oeste
Foco
1F Fuerza del porrn 1, N
2F Fuerza del porrn 2, N
FUP Plano de funciones lgicas
G Centro de masas C Grados Centgrados
Gravedad GRAFCET Grfico de Orden Etapa-Transicin
Coordenada del vrtice en el eje x Altura inicial del agua de los porrones Altura final del agua del porrn 1
Hz Herz
I Entrada digital del PLC
Momento de Inercia
Radiacin incidente sobre el captador,
Momento de inercia con respecto al eje de giro Coordenada del vrtice en el eje y
kg Kilogramos KOP Lenguaje de contactos
xiii
Constante proporcional
Constante derivativa
Constante integrativa
l Litros
l Longitud, LDR Resistor dependiente de la luz
Masas M rea de marcas
Metros
m Mili
N Newton
O Origen p Coordenada del Foco en el eje x
PC Computadora
PC/PPI Cable de conexin del PLC a la PC
PLC Controlador Lgico Programable Q Salida digital del PLC
Flujo del agua,
Calor til
r brazo de palanca, RUN Ejecutar el programa del PLC
Sensores
SM Marcas especiales
STOP Parar el programa del PLC
S7-200 Lnea de fabricacin del PLC
SW Switch T Temporizadores
Tiempo Temperatura de salida
Temperatura de entrada
TD 200 Visualizador de textos del PLC
TERM Terminar el programa del PLC
V Vrtice
V Volt
Voltaje de salida del amplificador
Voltaje inicial para el amplificador
Voltaje final para el amplificador Volumen,
VCA Voltaje de corriente alterna VDC Voltaje de corriente directa
Coordenada en x x , y , z Centroide del sistema
'x , 'y , 'z Ejes paralelos
Coordenada en z
AB Eje mayor de la elipse del foco
xiv
mn Eje menor de la elipse del foco ACDBGE Superficie de la elipse
Suma de momento con respecto al eje de giro
Densidad,
Angulo de giro del sistema
Velocidad angular del sistema
Aceleracin angular del sistema ngulo deseado Microameperes
Rendimiento de los concentradores solares Torque
Subndices
Coordenada en x Coordenada en y Coordenada en z Centroide en el eje x Centroide en el eje y Centroide en el eje z
per Perfil parablico mar Marco sol Solera del concentrador bas Base del porrn sole Solera de la base del porrn por Porrn HP Caballos de fuerza
xv
OBJETIVO GENERAL
Disear y construir un sistema de control para la orientacin de un concentrador
solar cilndrico-parablico Este-Oeste.
OBJETIVOS PARTICULARES
1. Obtener los parmetros fsicos y mecnicos del concentrador solar.
2. Obtener el modelo dinmico del concentrador solar.
3. Implementar esquemas de control al concentrador solar.
4. Integracin total del sistema de control a los concentradores, depuracin de errores
y puesta en marcha.
5. Obtencin de resultados experimentales.
xvi
JUSTIFICACIN
El aumento del precio de los hidrocarburos (petrleo, gas, etc.) en los ltimos aos
han llevado a varios pases a reflexionar sobre la necesidad de crear alternativas de
suministro energtico distintas al petrleo. Por lo mismo, se han concentrado los esfuerzos
en las energas alternativas tambin conocidas como energas renovables para evitar el
calentamiento global. Esta energa se obtiene de fuentes naturales virtualmente inagotables,
unas por la inmensa cantidad de energa que contienen, y otras porque son capaces de
regenerarse por medios naturales.
En la actualidad se siguen buscando soluciones para resolver esta crisis inminente.
La energa solar es un notable ejemplo de energas renovables, sta se puede aprovechar de
forma directa para la obtencin de agua caliente o bien puede convertirse en energa
elctrica. En cualquier caso, la primera condicin que debe reunir un sistema de
aprovechamiento de energa solar es la de recoger la mayor cantidad posible de energa
recibida en un determinado lugar. Esta condicin exige que la superficie colectora sea, en
todo momento, perpendicular a los rayos solares y, por tanto, una coleccin ptima slo
puede conseguirse si dicha superficie est dotada de un movimiento de seguimiento del Sol.
Naturalmente, la energa colectada no es la mxima posible, esto se debe a todas
aquellas condiciones climatolgicas que no son favorables como el caso de nublados
frecuentes, lluvias, nieve, entre otros; pero el sistema de control para la orientacin de un
concentrador cilndrico-parablico Este-Oeste puede resultar una solucin aceptable cuando
se trata de concentradores solares que calientan grandes cantidades de agua, ya que, el
concentrador solar posicionado en la posicin Este-Oeste garantiza la captacin de los
rayos solares desde que amanece hasta la puesta del sol de un da y con el sistema de
control de orientacin posiciona al concentrador solar en cada cambio de estacin del ao.
xvii
DEFINICIN DE PROBLEMA
La energa que enva el Sol a la tierra llega en diferentes ngulos, esto depende de la
situacin geogrfica, hora del da y poca del ao, por esta razn la orientacin de los
concentradores solares es uno de los parmetros ms importantes para el mayor
aprovechamiento de la energa solar en los sistemas de calentamiento de agua, de manera
que la superficie captadora se debe de encontrar en todo momento perpendicular a los rayos
del Sol desde el Este en la alborada hasta el Oeste en la puesta.
Es trascendental mencionar que al orientar automticamente el concentrador solar se
mejora su captacin; y con ello, el seguimiento del Sol es ms certero, sustituyendo el
esfuerzo fsico humano a lo largo del da. Ahora bien, la aportacin principal de este
trabajo de investigacin es la implementacin de un control de orientacin de bajo costo
basado en el desplazamiento de agua aplicado para concentradores solares que presentan
alta inercia, debido a sus dimensiones y peso de los materiales que se utilizan en su
construccin.
II
1
CAPTULO I ESTADO DEL ARTE
2
CAPTULO I ESTADO DEL ARTE
El mundo se enfrenta a un gran reto: cambiar de modelo energtico, esto es,
pasando del consumo basado en los combustibles fsiles a las energas renovables. Los
combustibles fsiles son limitados y algn da se agotarn. El Sol, sin embargo, continuar
brillando durante millones de aos, ante esta idea, los ingenieros y cientficos han
desarrollado prototipos que permiten el aprovechamiento de la radiacin solar, entre los que
se encuentra el concentrador solar. Este tipo de sistemas de colectores solares necesitan
tener un sistema de seguidor solar, que permita los rayos solares estn concentrados en un
punto, en una lnea o en una superficie en todo momento.
La necesidad de captar la mayor cantidad posible de la energa incidente en un
determinado punto es una exigencia comn en todos los sistemas de aprovechamiento de
energa solar. La mxima captacin se tiene si la superficie colectora se mantiene
constantemente en la posicin normal a los rayos del Sol, lo que puede conseguirse si dicha
superficie est dotada de un movimiento de seguimiento del Sol, aunado a una construccin
del calentador prcticamente perfecta.
1.1 CONCENTRADORES SOLARES
Un concentrador solar es un tipo de colector solar, capaz de concentrar la energa
solar en un rea reducida aumentando la intensidad energtica (radiacin solar
concentrada). Entendiendo por radiacin solar la energa radiante recibida del Sol en forma
directa y difusa.
Los concentradores se pueden clasificar segn las siguientes caractersticas:
Temperatura de operacin
Tipo de seguimiento
Forma geomtrica
Los concentradores menos complejos son los que no requieren seguimiento
continuo del Sol; stos estn orientados Este-Oeste (E-W) a fin de obtener mejor
aprovechamiento de los rayos del Sol, tienen un ngulo de aceptancia muy grande y
concentracin baja. El ngulo de aceptancia es la amplitud de la zona angular dentro de la
cual la radiacin es captada por el absorbedor de un concentrador. En caso de que el
sistema de control falle, el concentrador sigue funcionando
Desde el punto de vista tecnolgico, y atendiendo a las caractersticas de la parte
solar, existen diversos concentradores, figura 1.1, entre los principales se tienen:
Concentrador solar cilindro parablico (CCP)
Concentrador de receptor solar (CRS)
3
Discos parablicos o paraboloides de revolucin (DP)
Figura 1.1 Concentradores solares a) CCP, b) CRS, c) DP [1w]
1.1.1 Ventajas del empleo de concentradores solares
1. La cantidad de energa colectada sobre la superficie de absorcin por unidad
de rea se aumenta, con lo cual se pueden alcanzar altas temperaturas
aprovechables en algn ciclo termodinmico o en dispositivos termoinicos,
termoelctricos u otros.
2. Reduciendo las prdidas de calor al utilizar un absorbedor de menor rea no
slo se mejoran las eficiencias trmicas sino que tambin se reducen efectos
transitorios, ya que la masa trmica es mucho ms pequea que en colectores
planos.
3. Los costos se reducen pues se reemplaza un absorbedor costoso por un rea
reflectora menos costosa y ms duradera.
4. Se pueden obtener altas temperaturas incluso en invierno [1].
1.1.2 Desventajas del empleo de concentradores solares
1. Trabajan slo con la componente directa de la radiacin solar, quedando
restringida su utilizacin a lugares de alta insolacin
2. La calidad ptica de la superficie reflectora requiere mantenimiento y
proteccin intensiva contra su exposicin a la intemperie.
3. Cuanto ms alta es la temperatura a la cual la energa va a ser entregada
en un concentrador, mayor deber ser la razn de concentracin; para
lograr esto, la geometra del concentrador necesita ser la ms precisa
posible, as como del sistema que permite seguir al Sol, lo que se ve
reflejado en el costo del sistema termosolar [1].
absorbenteTubo
parablico
Espejo
Tuberias
Receptor
Heliostato
Receptor
Reflector
4
1.2 ANTECEDENTES HISTRICOS
La funcin ms especfica de un sistema de seguimiento es que el colector siga al
Sol en su movimiento, mantenindose apuntado hacia l en todo momento. Es por eso que
se han creado varios sistemas de orientacin para colectores solares como se muestra a
continuacin.
En [2] se presenta un sistema de seguimiento construido para controlar el panel solar
fotovoltaico con lentes de Fresnel para concentrar la radiacin solar directa sobre clulas
solares de silicio, el cual posee una superficie de . El panel a control utiliza una
configuracin de seguimiento en dos ejes en un montaje azimut- elevacin, quedando, por
tanto, determinada su orientacin por los ngulos azimutal y de elevacin. El seguimiento
del Sol en cada uno de estos ejes se consigue mediante un bucle de control, utilizando
sistemas fotosensores situados en una pieza soldada al panel, para las condiciones de fuerte
viento o granizo se genera una orden de posicionamiento de seguridad que controla el
movimiento de los motores para colocar el panel en la posicin adecuada; los autores
vieron la posibilidad de producir un desenfoque momentneo del panel para el caso en que
se produzca una elevacin indeseable de temperatura que pueda afectar al panel. En este
artculo se presenta un esquema de los circuitos y el diagrama de bloque de un sistema de
seguimiento.
El objetivo de [3] se relaciona con los montajes del colector solar y ms
particularmente del seguidor solar, este ltimo tiene un campo visual limitado que
monitorea la presencia o ausencia de la luz directa del sol para reducir al mnimo los errores
de orientacin que se puedan ocasionar cuando existan nubes.
Otra aportacin importante en esta invencin es que se proporciona un D.I.M. (un
monitor directo de la insolacin), que indica la presencia o la ausencia de la insolacin
directa sin importar la posicin del Sol mientras que ste se mueve a travs del cielo y con
ello poder tener un sistema de orientacin predeterminado que no est basado en la posicin
del Sol. Como es descrito detalladamente, en el montaje del colector de energa solar se
utilizan paneles para recolectar la energa solar, el panel tiene la trayectoria que sigue al Sol
desde que amanece hasta la puesta del Sol. Este proyecto incluye un motor elctrico u otros
medios convenientes para mover al panel solar hacia adelante y hacia atrs a lo largo de la
trayectoria del Sol.
En [4] se presenta una explicacin del planteamiento general y de las funciones
particulares que se esperan de un sistema de seguimiento. Estos sistemas de seguimiento
suponen que pueden mover un panel fotovoltaico de concentracin de unos de
superficie colectora. En primera instancia, se plantea la cinemtica del seguimiento del Sol
haciendo referencia al giro del planeta tierra con respecto al Sol, posteriormente hace
5
nfasis en el diseo de un sistema de arrastre y control que mueva al concentrador o
colector solar y lo mantenga continuamente apuntando al Sol. El autor de este artculo
concluye con una comparacin de las ventajas y desventajas que tiene un seguidor solar de
coordenadas calculadas y uno guiado por fotosensores.
En [5] se presenta un estudio terico que se realiz en diferentes sistemas de
seguimiento solar. Este estudio se bas en el clculo de la energa de radiacin solar
captada por los diferentes sistemas, utilizando la radiacin global y difusa de una superficie
horizontal que mide la radiacin de haz. Los diseos de estos sistemas son un sistema fijo
colocado en el Sur e inclinado grados de la vertical del eje donde se encuentra el
seguidor, el otro se inclin 6 grados con respecto del eje del seguidor. Los resultados
tericos fueron comparados con la energa solar prctica medidos desde los sistemas
instalados en un campo de prueba. La precisin anual de los valores obtenidos del presente
estudio son 5,36%, 9,07%, 7,92% y 5,98%, respectivamente. El anlisis tambin demostr
que este valor de precisin cambiado de mes a mes se acerca a las mediciones anuales que
se realizaron.
El seguidor solar electrnico de [2w] se basa fundamentalmente en la utilizacin de
un amplificador operacional 741 operando en modo diferencial, figura 1.2. El integrado
recibe sendas seales de dos fotoresistores LDR (Resistor dependiente de la luz) que
forman un divisor de tensin, estos al estar sometidos a la accin de los rayos solares, y
estando separados por un tabique opaco, reciben en cierto momento distinta radiacin,
entregando de esta manera distintas seales ( y ) a cada entrada del amplificador.
Dicho amplificador entonces al estar conectado en modo diferencial entrega una tensin de
salida proporcional a la diferencia
La figura 1.2a muestra un esquema de la ubicacin de los sensores del seguidor
en la estructura del concentrador, y el movimiento de correccin que se logra en el sistema.
La figura 1.2b ilustra el detalle del principio de funcionamiento del seguidor
utilizando dos LDR como sensores. Mientras que en la figura 1.2 se muestra el esquema
general del colector solar a controlar, que tiene como caractersticas: un dimetro de 1,5
metros, su foco est situado a 1 metro y la superficie reflectante fue realizada con pequeos
espejos trapezoidales de 2 mm de espesor.
6
Figura 1.2 Esquema general del colector solar [6].
Figura 1.2 a) Ubicacin del seguidor solar en la estructura del concentrador, b) Vista lateral del
sensor del seguidor y principio de funcionamiento [6].
El seguimiento solar se utiliza en grandes plantas de energa fotovoltaicas de
conexin a la red para maximizar la coleccin de la radiacin solar y, por lo tanto, tienden a
reducir el costo de entrega de electricidad. En particular, el seguimiento nico con eje
vertical, tambin llamado acimut seguimiento, permite ganar hasta un 40% de energa como
se muestra en el artculo [6], en comparacin con los arreglos de discos completamente
estticos ptimamente inclinados. Los autores de este artculo examinan los aspectos
tericos relacionados con el diseo de seguimiento azimut, teniendo en cuenta el
sombreado entre diferentes seguidores y las caractersticas de seguimiento.
En el artculo [7] los autores se concentran en la comparacin de los colectores CPC
(concentrador parablico compuesto) que no tienen seguidor solar con los colectores que
tienen seguidor. Los primeros se montan en direccin Este-Oeste con un ngulo que
depende de la latitud del lugar, las temperaturas mximas que se pueden alcanzar son hasta
200-250 C. Mientras que el segundo tiene un mecanismo magntico que gua la posicin
Batera
FocoSolarRadiacin
Espejos
Sensor
seguidor
CircuitoPin
CadenaMotor
Elctrica
Conexin Rodamiento
Tripode
dentada Corona
EjeBastidor
LDR
sistema
delPosicin
separador
Tabique
LDR
fija
angular
Posiscin
Focosistema delRadiacin
solarRadiacin
LDR
opaco Tanque
Soporte
7
del concentrador solar parablico, la temperatura que se genera es de 350C, siendo sta
ltima ms eficiente que la primera.
En [8] se propone un sistema seguidor solar a bajo costo el cual es activado por tiras
bimetlicas de aluminio y acero, y a su vez controlado por un amortiguador viscoso, figura
1.3. Las tiras bimetlicas se colocaron en un marco de madera, de forma simtrica a ambos
lados de un eje horizontal central y posicionadas de tal manera que la tira ms lejos del Sol
absorbe la radiacin solar, mientras que la otra tira tiene sombra. En las pruebas
experimentales se demostr que la tira de aluminio que est expuesta al sol se dobla ms
que la del acero debido a su coeficiente de expansin trmica. Esta deflexin produce una
flexin mxima en el punto medio, lo que genera un momento y a su vez un movimiento
que orienta el colector hacia el Sol. Cuando la temperatura es muy fra, se produce otra
deflexin que provoca que el colector solar regrese a su posicin inicial (mecanismo de
retorno durante la noche). Con esta propuesta se obtiene un aumento de eficiencia del 23%
con respecto a los seguidores solares comerciales.
Figura 1.3 Montaje experimental para la prueba con tira bimetlica [8].
Se presenta en [9] el diseo y construccin de un circuito electrnico para
seguidores de sol, el cual puede ser usado para orientar de manera automtica, paneles
hacia la regin de mayor incidencia de radiacin, incrementando la eficiencia de stos, en el
proceso de conversin de energa solar- energa elctrica. Una de las ventajas del circuito es
que puede usarse en otros sistemas que requieran la propiedad de heliotropismo tales como
colectores solares y medidores de radiacin directa, figura 1.4.
El circuito diseado, permite un seguimiento continuo y automtico del sol
alrededor de un eje. ste, evala el nivel de radiacin procedente de dos sensores ( y )y
acta sobre un motor DC, haciendo girar al sistema (en torno al eje H) hasta que las
radiaciones detectadas por los sensores sean iguales, con esto se consigue mantener una
plataforma siempre orientada hacia el Sol. Una barra es colocada entre ambos sensores para
eliminar la radiacin directa que incide sobre el sensor que est ms alejado del Sol. El
circuito posee adems, dos sensores de carrera ( y ), los cuales le indican el inicio y la
culminacin del da.
termicaRadiacin
Fijo Suporte
8
a) b)
Figura 1.4 a) Sistema de seguimiento solar para el cual se dise el circuito de control, b) Sistema
experimental usado para la calibracin del circuito electrnico [9].
Los autores de [3w] utilizan algoritmos genticos como una tcnica para optimizar
los seguidores solares en cuanto a su posicin (localizacin grfica y el tiempo), dicha
tcnica est basada en la teora de Woolf que recibe la radiacin solar mxima, de esta
manera el sistema reduce errores computacionales de posicin, errores mecnicos, de
sistemas de control e instalacin. Los algoritmos estn basados en un sistema de soluciones
estadsticas, con una condicin inicial establecida, creando una salida de voltaje que el
sensor recibe y ejecuta para su posicionamiento. Con este experimento se demuestra que el
funcionamiento del sistema aumenta cerca del 7.084% de eficiencia.
En el artculo [10] se presenta un mtodo de sntesis estructural de mecanismos
planos usados en la orientacin de sistemas de energa solar. El mtodo puede aplicarse a
mecanismos espaciales, levas o mecanismos de engranes. Mediante el uso de la teora de
cuerpos mltiples se obtuvieron grficas que ms tarde se analizaron y se transformaron en
mecanismos que simulaban dicho movimiento. En este trabajo se muestran los
movimientos que tiene el seguidor solar, las configuraciones, la estructura y los
mecanismos utilizados para obtener una mejor precisin. Se concluye de acuerdo a los
criterios que se obtuvieron los anlisis cinemticos y dinmicos de los sistemas mecnicos
de orientacin solar, las soluciones tambin presentan las ventajas relativas a la cuestion de
control, la creacin de prototipos y la aplicacin, figura 1.5.
Paneles
Opaca Barrera
1s
2s
Soporte
Base
H Eje
I Eje
circuitos
de Caja
radiacin
de Sensores
Motor
3s
4s
9
Figura 1.5 Mecanismos planos usados en la orientacin de paneles solares [10].
En el artculo [11] se presenta el control de un seguidor solar con alta exactitud sin
necesidad de un procedimiento exacto de instalacin o de recalibracin. Este sistema
seguidor hbrido est basado en los movimientos solares (cadena abierta) y un regulador
dinmico de regeneracin para el movimiento (lazo cerrado). Los ahorros de energa en los
motores que mueven al colector solar son considerables, puesto que, no se sigue al sol con
la misma exactitud con la que se mueve, para prevenir el consumo excesivo de energa en
los motores. Se exponen la simulacin y los resultados experimentales obtenidos con gran
detalle.
En el artculo [4w] la empresa espaola de Avilesina Asterfeito muestra en la figura
1.6 el desarrollo de un sistema de seguimiento solar milimtrico que permite un mayor
aprovechamiento de la luz del Sol en las plantas de energa solar trmica. Con este sistema
se facilita el movimiento de los paneles solares de tal forman que puedan hacer un
seguimiento de la luz solar lo ms preciso posible.
La tecnologa de este sistema es una innovacin en el campo de los sistemas
hidrulicos usados para accionar los dispositivos mecnicos de la plantas de energa solar
trmica.
Segn la empresa, con la utilizacin de esta tecnologa, se puede lograr un mayor
rendimiento de los paneles solares y una rebaja del consumo elctrico del 75 %, lo que
implica una reduccin de los gastos del autoconsumo de la planta.
Aunque el uso de seguidores solares no es esencial, su uso puede aumentar la
energa recogida de 10% a 100% en diferentes periodos de tiempo y las condiciones
geogrficas. Sin embargo se ha encontrado que existen diferentes tipos de sistemas de
seguimiento solar, en [12] se discuten las ventajas y desventajas de estos sistemas, los
autores resumen en una tabla todos los tipos de seguidores solares, los mtodos de
seguimiento que utilizan cada uno, la forma en que evalan la orientacin, la eficiencia que
se obtiene entre otros.
10
Figura 1.6 Sistema de seguimiento milimtrico de la trayectoria solar [4w].
En [13] se ha propuesto un motor esfrico, que tienen la habilidad de moverse lineal
y circularmente en tres dimensiones, fueron usados para seguir al sol con gran exactitud. En
este estudio, un motor esfrico es controlado por un microcontrolador que se mueve en dos
ejes. El funcionamiento de este seguidor solar slo es aplicable en Turqua y Denizli, ya
que fue cuidadosamente estudiado el clima de estas zonas.
La empresa TRAXLE ofrece al pblico seguidores solares construidos de aluminio
o acero inoxidable. Los paneles solares que se les adapta a este seguidor solar estn
colocados Norte-Sur, con la finalidad de hacer frente al sol directamente todo el da. Se
incorpora al panel solar un motor de corriente directa que es accionado por un mdulo
fotovoltaico pequeo unido a la parte inferior del panel solar. Este mdulo se monta
perpendicular hacia el sol y contiene las mdulos fotovoltaicos para detectar los rayos
solares. Las ventajas del seguidor solar que TRAXLE brinda, es obtener un 30% ms de
eficiencia de la captacin solar y los perfiles de instalacin son de fcil funcionamiento y
no requieren de mucho mantenimiento [5w].
1.3 TIPOS DE SEGUIDORES SOLARES
Un seguidor solar es un dispositivo mecnico capaz de orientar los mdulos
fotovoltaicos o colectores solares de forma que stos permanezcan perpendiculares a los
rayos solares. Siendo ste el primer requisito que se exige para el aprovechamiento de la
energa solar. Se clasifican de la siguiente manera:
Existen diferentes tipos de seguidores solares segn su rango de movimientos
1.3.1 Seguidores de un eje
Se denomina de esta forma a seguidores que slo tienen un grado de libertad en su
movimiento. Sus ventajas son: menor coste, simplicidad y fcil instalacin; las desventajas
son: seguimiento solar impreciso y menor energa captada.
11
1.3.2 Seguidores de dos ejes
Se trata de seguidores con dos grados de libertad, capaces de hacer un seguimiento
solar ms preciso, la superficie se mantiene siempre perpendicular al sol. Las ventajas que
ofrece son: un seguimiento solar ms preciso e incrementos en la eficiencia del 35%, sin
embargo, tienen un elevado coste.
Para los concentradores solares de un grado de libertad del presente tema de tesis, el
seguidor solar se construy en Mxico. Las superficies de los espejos se encuentran
orientadas de Este-Oeste, es decir el eje de giro es paralelo al Trpico de Capricornio, por
lo que, el seguimiento del Sol se realizar a travs de un sensor que indique la posicin de
ste.
12
CAPTULO II MODELO DINMICO DE UN CONCENTRADOR
SOLAR CILINDRO-PARABLICO ESTE-OESTE
13
CAPTULO II MODELO DINMICO DE UN CONCENTRADOR SOLAR
CILINDRO-PARABLICO ESTE-OESTE
El concentrador solar cilndrico-parablico cuenta con un arreglo de espejos en
forma de cilindro con generatriz parablica. En el foco se coloca un tubo de cobre por
donde pasa el agua y dependiendo de la longitud de exposicin, el rea de captacin solar y
la radiacin la temperatura del agua aumenta.
Figura 2.1 Fotografa del concentrador solar cilindro-parablico
Dentro del mbito de las tecnologas de concentracin solar, el concentrador solar
cilndrico-parablico es uno de los dispositivos ms usados, sobre todo por su gran
capacidad en concentracin de energa. En este trabajo se presentan los parmetros fsicos y
mecnicos del concentrador solar, entre los que se encuentra el peso de los componentes
del concentrador solar, el momento de inercia y los parmetros geomtricos (medidas del
concentrador).
14
2.1 PARMETROS GEOMTRICOS
El concentrador cilindro parablico, denominado mediante las siglas CCP, debe su
nombre a uno de sus componentes principales: la superficie reflectante cilindro parablica
refleja la radiacin solar directa concentrndola sobre un tubo absorbente colocado en la
lnea focal de la parbola. Esta radiacin concentrada sobre el tubo absorbente hace que el
fluido que circula por su interior se caliente, transformando de esta forma la radiacin solar
en energa trmica, en forma de calor sensible o latente del fluido. En la figura 2.2 el agua
fra sale de los tanques de plstico Rotoplas donde se encuentra almacenada, de aqu se
dirige hacia los tanques de agua caliente; de los tanque de agua caliente el agua se envia a
los concentradores solares por medio de una bomba de agua. El agua fluye por los
concentradores a travs de los tubos de cobre, donde stos reciben la radiacin solar como
se muestra, el agua circula por los tres concentradores solares hasta obtener una
temperatura de 60C y se almacena en los tanques de agua caliente, para posteriormente ser
usada.
Figura 2.2 Componentes del concentrador CCP
La conversin de energa solar en calor mediante concentradores solares es una
tecnologa bien conocida. La complejidad de los dispositivos de conversin depende de la
temperatura que se desea alcanzar. Para que esto sea posible, cada elemento se debe de
disear y ensamblar de forma correcta, evitando que exista alguna imperfeccin.
2or Concentrad
Soporte
agua de Bomba
fra agua de Tanques
caliente agua de Tanques
domstico Uso
caliente agua de tanqueslos a fra agua de Flujo
paso de Llaves
solarRadiacin
cobre de Tubos
or d concentra al
fra agua den Circulaci
3or Concentrad 1or Concentrad
Alberca
15
Para el diseo del concentrador se consider que la abertura mxima de la parbola
fuese de , esto se debe a que se instalaron tres concentradores solares en una
superficie de como se muestra en la figura 2.3.
Figura 2.3 Concentradores solares instalados en una superficie de
En la geometra del concentrador un parmetro importante es la parbola, ya que
sta refleja sobre el foco los rayos que recibe del sol. Una parbola es el lugar geomtrico
de un punto que se mueve en un plano de tal manera que su distancia de una recta fija,
situada en el plano, es siempre igual a su distancia de un punto fijo del plano y que no
pertenece a la recta [14]. En este caso la ecuacin de la parbola se obtuvo a partir de:
kyphx 42 .
El vrtice V(h, k) se encentra en V (0,0.875), la ecuacin [13] se puede escribir
como:
875.042 ypx .
16
Ahora bien, el Foco )0,( pF es )0,875.0(F ; por lo que la ecuacin de la parbola
que se obtiene es:
.875.050.3
2
x
y
Al ejecutar el programa ecuacin parabla.m (vase apndice A, pg. 135) en el
Workspace de Matlab 2010 demo los resultados obtenidos son:
La distancia del vrtice al foco es de
El ancho de la parbola es de
Basados en la ecuacin y mediante el empleo del programa ecuacin
parabla.m, (vase apndice A, pg. 135) desarrollado en Matlab 2010 versin demo, se
obtienen las siguientes coordenadas de la parbola necesarias para construir el perfil del
concentrador solar, ver la figura 2.4 y la tabla 1.
Figura 2.4 Parbola del concentrador solar
-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2-0.9
-0.8
-0.7
-0.6
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
EJE X
EJE
Y
PARBOLA
17
Tabla 1 Coordenadas de la parbola con vrtice en el origen
# #
1 -1.75 0.000000 46 0.05 -0.874286
2 -1.71 -0.039543 47 0.09 -0.872686
3 -1.67 -0.078171 48 0.13 -0.870171
4 -1.63 -0.115886 49 0.17 -0.866743
5 -1.59 -0.152686 50 0.21 -0.862400
6 -1.55 -0.188571 51 0.25 -0.857143
7 -1.51 -0.223543 52 0.29 -0.850971
8 -1.47 -0.257600 53 0.33 -0.843886
9 -1.43 -0.290743 54 0.37 -0.835886
10 -1.39 -0.322971 55 0.41 -0.826971
11 -1.35 -0.354286 56 0.45 -0.817143
12 -1.31 -0.384686 57 0.49 -0.806400
13 -1.27 -0.414171 58 0.53 -0.794743
14 -1.23 -0.442743 59 0.54 -0.782171
15 -1.19 -0.470400 60 0.61 -0.768686
16 -1.15 -0.497143 61 0.65 -0.754286
17 -1.11 -0.522971 62 0.69 -0.738971
18 -1.07 -0.547886 63 0.73 -0.722743
19 -1.03 -0.571886 64 0.77 -0.705600
20 -0.99 -0.594971 65 0.81 -0.687543
21 -0.95 -0.617143 66 0.85 -0.668571
22 -0.91 -0.638400 67 0.89 -0.648686
23 -0.87 -0.658743 68 0.93 -0.627886
24 -0.83 -0.678171 69 0.97 -0.606171
25 -0.79 -0.696686 70 1.01 -0.583543
26 -0.75 -0.714286 71 1.05 -0.560000
27 -0.71 -0.730971 72 1.09 -0.535543
28 -0.67 -0.746743 73 1.13 -0.510171
29 -0.63 -0.761600 74 1.17 -0.483886
30 -0.59 -0.775543 75 1.21 -0.456686
31 -0.55 -0.788571 76 1.25 -0.428571
32 -0.51 -0.800686 77 1.29 -0.399543
33 -0.47 -0.811886 78 1.33 -0.369600
34 -0.43 -0.822171 79 1.37 -0.338743
35 -0.39 -0.831543 80 1.41 -0.306971
36 -0.35 -0.840000 81 1.45 -0.274286
37 -0.31 -0.847543 82 1.49 -0.240686
38 -0.27 -0.854171 83 1.53 -0.206171
39 -0.23 -0.859886 84 1.57 -0.170743
40 -0.19 -0.864686 85 1.61 -0.134400
41 -0.15 -0.868571 86 1.65 -0.097143
42 -0.11 -0.871543 87 1.69 -0.058971
43 -0.07 -0.873600 88 1.73 -0.019886
44 -0.03 -0.874743 89 1.75 0.000000
45 0.01 -0.874971
18
2.2 COMPONENTES DEL CONCENTRADOR SOLAR
CILINDRO-PARABLICO
En los componentes que se controlarn se ha realizado una comparacin de los
momentos de inercia con respecto al centro de masas utilizando el paquete MSC.Visual
Nastran 4D 2004 demo con las ecuaciones obtenidas matemticamente. El mtodo
matemtico ha sido programado en el paquete de Matlab 2010
versin demo.
Posteriormente se obtiene el momento de inercia con respecto al eje de giro usando el
teorema de Steiner o mejor conocido como teorema de ejes paralelos, siendo este el foco de
la parbola como se seala en la figura 2.5.
Figura 2.5 Eje de giro del concentrador
El momento de inercia se define como una medida de la resistencia que ofrece el
sistema cuando se trata de ponerlo en movimiento, siendo este [15].
En [15] considera un cuerpo de masa , donde Oxyz es un sistema de coordenadas
rectangulares cuyo origen est localizado en el punto arbitrario O y que ''' zyGx es un
sistema de ejes centroidales paralelo, esto es, un sistema cuyo origen est en el centro de
masas G del cuerpo y cuyos ejes 'x , 'y y 'z son paralelos a los ejes x , y y z
respectivamente (figura 2.6). Representado por x , y y z las coordenadas de G con
respecto de Oxyz , se describen las siguientes relaciones entre las coordenadas x , y y z
z) (eje Giro de Eje
19
del elemento dm con respecto a Oxyz y las coordenadas 'x , 'y y 'z de dicho elemento
con respecto de los ejes centroidales ''' zyGx .
Figura 2.6 Ejes paralelos
,222 MdIMzyII xxxx
,222 MdIMxzII yyyy
.222 MdIMyxII zzzz
Las ecuaciones , y constituyen el teorema de Steiner para
momentos de inercia. El cual establece que el momento de inercia de masa xI , yI zI
respecto a un eje dado es igual a la suma del momento de masa respecto a un eje paralelo
que pasa por el centro de gravedad del cuerpo xI , yI zI y el producto de la masa M
por la distancia perpendicular entre los ejes bajo consideracin 2d .
2.2.1 Perfiles parablicos
Los perfiles parablicos sirven de apoyo para la lmina tipo espejo, dndole rigidez
al concentrador, se encuentran soldados a los marcos y fueron rolados a mano para obtener
una mayor precisin en la parbola, el rolado a mano sigui una matriz parablica usando
los valores de la tabla 1. Cada concentrador necesita seis perfiles parablicos, los cuales son
de PTR calibre #14 Azul de pulgadas, que son equivalentes a 0.033 en el Sistema
Internacional, las medidas de un perfil de la parbola estn detalladas en el Apndice B,
pg. 160. En la figura 2.7, se muestra la configuracin de los seis perfiles en vista
x
y
z
'x
'y
'z
zy
x B
G
dm
O
20
isomtrica realizado en el paquete Mechanical Desktop 6 Power Pack
demo y abajo la
fotografa de la estructura del concentrador
Figura 2.7 A) Configuracin de los seis perfiles en vista isomtrica realizado en el paquete
Mechanical Desktop 6 Power Pack demo, B) Fotografa de los perfiles parablicos del concentrador solar en
construccin .
En la figura 2.8 se muestra un perfil parablico con vista frontal e inferior en donde
se seala el eje de giro y la localizacin de su centro de masas.
1 Perfil
2 Perfil
3 Perfil
4 Perfil
5 Perfil
6 Perfil
z) (eje Giro de Eje
A)
B)
1 Perfil2 Perfil
3 Perfil
4 Perfil
masas de
Centro
21
Figura 2.8 a) Vista frontal, b) Vista Inferior, c) Medidas de un perfil parablico
Tabla 2 Caractersticas generales de un perfil parablico
Material
PTR calibre #14 Azul
Ecuacin de la parbola
875.050.3
2
x
y Masa del perfil de la parbola
Densidad de cada perfil
parablico
rea de la parbola
Volumen de la parbola
Ecuacin del momento de inercia de un cilindro-
parablico slido con respeto al centro de masas**
Momento de inercia con respecto al eje de giro
(Eje z)**
** Vase el desarrollo en el Apndice A, pg. 135, perfil parablico.m
ver en la figura 2.9
Inferior b)Vista
Frontal Vista a)
masas de Centro
(z) giro de Eje
(z) giro de Eje
Medidas c)3.5m
0.875m
22
Figura 2.9 Cilindro parablico slido
De acuerdo a las caractersticas mencionadas anteriormente (tabla 1), el momento
de inercia con respecto al centro de masas es el mismo para los seis perfiles parablicos,
puesto que todos tienen las mismas medidas y la misma altura del eje de giro (eje z). Al
comparar el mtodo matemtico realizado por el autor de esta tesis (Matlab 2010
versin
demo) con el del programa de MSC.VisualNastran 4D 2004 demo se obtienen:
Tabla 3 Momentos de Inercia de los 6 perfiles parablicos de la lmina
Momento de inercia con respecto al centro de masas
(Matlab 2010
versin demo)
Momento de inercia con respecto al centro de
masas (MSC.VisualNastran 4D 2004 demo)
Momento de inercia con respecto al eje de giro (Eje z)
d
a
b
23
2.2.2 Marcos del concentrador
El concentrador est compuesto por cuatro marcos de PTR calibre #14 Azul de
, que son equivalentes a en el Sistema Internacional. Dos de
ellos tienen una longitud de 6.20m, mientras que los otros dos tienen una longitud de
3.50 m, como se muestra en la figura 2.10 y 2.11 (detalles en el Apndice B, pg.161). Los
marcos dan la rigidez al concentrador solar y van soldados los perfiles parablicos.
Figura 2.10 Marcos del concentrador solar
Figura 2.11 Fotografa de los marcos del concentrador solar
1 Marco
4 Marco
3 Marco
2 Marco
(z) giro de Eje
3 Marco
4 Marco
1 Marco
2 Marco
m 3.5
m 6.2
24
Figura 2.12 Referencias de medidas de los marcos 1 y 2 para los momentos de inercia
Figura 2.13 Referencias de medidas de los marco 3 y 4 para los momentos de inercia
Tabla 4 Caractersticas de cada marco del concentrador solar
Marco 1 Marco 2 Marco 3 Marco 4
Medida [m]
Medida [m]
Densidad
Material
PTR calibre #14 Azul
rea
3.5mcmar1,2
m 0.0381f 1,2mar m 0.1016emar1,2
(z) giro de Eje
(z) giro de Ejem0381.0cmar3,4
m1016.0emar3,4 m2.6fmar3,4
25
Tabla 4 Caractersticas de cada marco (continuacin) Volumen
Masa [kg.]
Ecuacin del momento de inercia de un prisma
rectangular slido (cada marco) con respeto al eje
de giro del concentrador
Ecuacin del momento de inercia de un prisma
rectangular slido (cada marco) con respeto al centro
de masas
Tabla 5 Momentos de inercia de cada marco
MARCO 1 MARCO 2 MARCO 3 MARCO 4
Momento de inercia con respecto al centro de masas (Matlab 2010
versin demo)
Momento de inercia con respecto al centro de masas (MSC.VisualNastran
4D 2004 demo)
Momento de inercia con respecto al eje de giro (Matlab 2010
versin demo)
** Vase el desarrollo en el Apndice A , pg. 141,marco.m
ver en la figura 2.12 y 2.13
En la tabla 5 se muestran los momentos de inercia calculados matemticamente
usando el programa de Matlab 2010
versin demo y comparando el momento de inercia
con respecto al centro de masas con los obtenidos en el paquete de MSC.Visual Nastran
4D 2004 demo.
2.2.3 Soleras del concentrador solar
El concentrador contiene 25 soleras de , que en el sistema
Internacional tienen una equivalencia aproximada de , figura 2.14.
26
La funcin de las soleras es soportar y darle rigidez a la lmina de acero inoxidable
con acabado espejo, para que no se deforme por los ventarrones que pudieran existir.
Figura 2.14 a) Vista Isomtrica del concentrador solar y b) Vista Superior (soleras enumeradas)
Isomtrica a)Vista
Marcos
sparablico Perfiles
Soleras
(z) giro de Eje
)enumeradas (solerasSuperior b)Vista
1 2 3 4 5
6 7 8 9 10
11 12 13 14 15
16 17 18
21
19 20
22 23 24 25
Soleras
Marcossparablico Perfiles
27
Figura 2.15 Fotografa de las soleras del concentrador solar
Tabla 6 Caractersticas de las soleras del concentrador solar
Soleras 1 a la 5 y 21 a la 25 Soleras de la 6 a la 20
Medida [m]
Masa
rea
Volumen
Densidad de cada solera
Ecuacin del momento de inercia con respecto al
centro de masas**
Momento de inercia con respecto al eje de giro
(Eje z)**
** Vase el desarrollo en el Apndice A, pg. 143, soleras.m
ver en la figura 2.16 y 2.17
1 Solera2 Solera
9 Solera 3 Solera
6 Solera
7 Solera14 Solera8 Solera
11 Solera16 Solera
12 Solera
Solera1913 Solera
18 Solera
17 Solera
28
Figura 2.16 A) Medidas de soleras de la 1 a la 5 y de la 21 a la 25
Figura 2.16 B) Medidas de soleras de la 5 a la 20
Tabla 7 Momentos de inercia de las soleras del concentrador solar
Momento de inercia con respecto al centro de masas (Matlab 2010
versin demo)
Soleras 1 a la 5 y 21 a la 25 Soleras de la 6 a la 20
Momento de inercia con respecto al centro de masas (MSC.VisualNastran
4D 2004 demo) Soleras 1 a la 5 y 21 a la 25 Soleras de la 6 a la 20
Momento de inercia con respecto al eje de giro (Matlab 2010
versin demo)
mi 1695.1
m 0.0047625h
mg 0254.0
m 0.0047625h
mg 0254.0mi 186.1
masas de Centro
29
Tabla 7 Momentos de inercia de las soleras del concentrador solar (continuacin)
Momento de inercia con respecto al eje de giro (Matlab 2010
versin demo)
2.2.4 Lmina
La lmina de acero inoxidable # 304 con acabado espejo es el espejo del
concentrador, a la cual se le ha dado la forma cilndrico-parablica, apoyado en el esqueleto
del marco de PTR, los perfiles parablicos y las soleras (figura 2.17 y 2.18).
Figura 2.17 Fotografa de la lmina de acero inoxidable del concentrador solar cilindro-parablico
304 # inoxidable acero de Lmina
(z) giro de Eje
30
Figura 2.18 Representacin de la lmina de acero inoxidable #304 en Mechanical Desktop 2004 demo
Tabla 8 Caractersticas de la lmina de acero inoxidable #304 acabado espejo
Ecuacin de la parbola
875.050.3
2
x
y Material
Acero inoxidable # 304 con acabado espejo
Densidad
Masa d
rea de la parbola
Volumen
Ecuacin del momento de inercia de un cilindro-
parablico slido con respeto al centro de
masas**
Momento de inercia con respecto al foco de la
parbola (eje de giro)
ver figura 2.9
** Vase el desarrollo en el Apndice A, pg. 146, lmina.m
304 # inoxidable acero de Lmina(z) giro de Eje
31
En la figura 2.19 se muestran las medidas de la lmina de acero inoxidable # 304
para el concentrador solar cilindro-parablico del presente tema de tesis.
Figura 2.19 Medidas de la lmina de acero inoxidable # 304 acabado espejo
Tabla 9 Momentos de inercia de la lmina de acero inoxidable #304 acabado espejo
Momento de inercia con respecto al centro de
masas (MATLAB
2010 demo)
Momento de inercia con respecto al
centro de masas (MSC.visualNastran
4D
2004 demo)
Momento de inercia con respecto al foco de la parbola
(eje de giro) (Matlab 2010
versin demo)
2.2.5 Base del tensor del concentrador
La base del tensor sirve para sujetar los extremos ms largos del marco mientras que
el cable de acero galvanizado corrige el pandeo del marco 3 y levantando la base del tensor.
La base del tensor es de PTR calibre #14 Azul de , se tienen uno en
cada extremo del concentrador, en total son dos. Sus caractersticas y medidas se muestran
en la figura 2.20.
(z) giro de Eje
m 6.2d
m 1.75a
m 0.875b
m 1.75a
32
Figura 2.20 Fotografa de la base del tensor y el cable tensor del concentrador solar lado derecho
Tabla 10 Caractersticas de la base de los tensores del
concentrador
Densidad
Material
PTR calibre #14 Azul
Masa
Medidas
rea de la parbola
Volumen de la parbola
Ecuacin del momento de
inercia de un prisma
rectangular slido con
respeto al centro de masas
Momento de inercia con respecto al
foco de la parbola (eje de giro)
ver figura 2.21
** Vase el desarrollo en el Apndice A, pg. 148, tensor.m
tensordel Base
Tensor
inoxidable
acero de Lmina
parablico PerfilSolera
m0.0254c
m0.0254b
m305.0a
tensordel Base 2.21 Figura
33
Tabla 11 Momento de inercia de la base de los tensores del concentrador TENSOR DERECHO TENSOR IZQUIERDO
Momento de inercia con respecto al centro de masas (Matlab 2010
versin demo)
Momento de inercia con respecto al centro de masas (MSC.visualNastran 4D 2004 demo)
Momento de inercia con respecto al eje de giro (Matlab
2010 versin demo)
Figura 2.22 Base del tensor izquierdo y derecho
Derecho
Tensor del Base
Izquierdo
Tensor del Base
Tensores los de Base
(z) giro de Eje
(z) giro de Eje
34
2.2.6 Base de los porrones
El concentrador solar cilindro-parablico expuesto en el presente trabajo est
compuesto por dos bases para porrones de PTR calibre #14 Azul de y
solera de , cada uno cuenta con piezas de diferentes longitudes para
formar la base como se muestra en la figura 2.23 y 2.24.
Figura 2.23 Fotografa de la base de los porrones para el concentrador solar lado izquierdo
Figura 2.24 Base de los porrones para el concentrador solar lado izquierdo y derecho
Izquierdo
Porrones los Basede
Derecho
Porrones los de Base
(z) giro de Eje
izquierdo
porrn del Base
35
La figura 2.25 muestra con diferentes colores cada una de las partes que conforman
la base de los porrones y se numeran, ya que posteriormente se obtendr los momentos de
inercia de cada elemento.
Figura 2.25 Piezas que integran la base del porrn
Tabla 12 Caractersticas generales de la base del porrn
Material
PTR calibre #14 Azul
Densidad
Ecuacin del momento de inercia de un prisma
rectangular slido con respeto al centro de masas**
Momento de inercia con respecto al foco de la
parbola (eje de giro)
** Vase el desarrollo en el Apndice A, pg. 149, base.m
Marco3
tensordel Base
5 Base
7 Base
6 Base
3 Solera
4 Base
1 Solera
3 Base
2 Solera
2 Base
1 Base
36
Tabla 13 Caractersticas y momentos de inercia de las partes de la base del porrn
Base 1 (Lado derecho=Lado izquierdo)
Masa
rea de la parbola
Volumen
Momento de inercia con respecto al centro de masas (Matlab 2010
versin demo)
Momento de inercia con respecto al centro de masas (MSC.VisualNastran 4D 2004 demo)
Momento de inercia con respecto al eje de giro (Eje z)
Medidas
Base 2 (Lado derecho=Lado izquierdo)
Masa
rea de la parbola
Volumen
Momento de inercia con respecto al centro de masas (Matlab 2010
versin demo)
Momento de inercia con respecto al centro de masas (MSC.VisualNastran 4D 2004 demo)
Momento de inercia con respecto al eje de giro (Eje z)
Medidas
Base 3 (Lado derecho=Lado izquierdo)
Masa
rea de la parbola
Volumen
Momento de inercia con respecto al centro de masas (Matlab 2010
versin demo)
Momento de inercia con respecto al centro de masas (MSC.VisualNastran 4D 2004 demo)
Momento de inercia con respecto al eje de giro (Eje z)
Medidas
c
b
a
a
b
c
a
b
c
37
Tabla 13 Caractersticas y momentos de inercia de las partes de la base del porrn (continuacin)
Base 4 (Lado derecho=Lado izquierdo)
Masa
rea de la parbola
Volumen
Momento de inercia con respecto al centro de masas (Matlab 2010
versin demo)
Momento de inercia con respecto al centro de masas (MSC.VisualNastran 4D 2004 demo)
Momento de inercia con respecto al eje de giro (Eje z)
Medidas
Base 5 (Lado derecho=Lado izquierdo)
Masa
rea de la parbola
Volumen
Momento de inercia con respecto al centro de masas (Matlab 2010
versin demo)
Momento de inercia con respecto al centro de masas (MSC.VisualNastran 4D 2004 demo)
Momento de inercia con respecto al eje de giro (Eje z)
Medidas
Base 6 (Lado derecho=Lado izquierdo)
Masa
rea de la parbola
Volumen
Momento de inercia con respecto al centro de masas (Matlab 2010
versin demo)
Momento de inercia con respecto al centro de masas (MSC.VisualNastran 4D 2004 demo)
Momento de inercia con respecto al eje de giro (Eje z)
Medidas
a
a
a
b
c
b
c
b
c
38
Tabla 13 Caractersticas y momentos de inercia de las partes de la base del porrn (continuacin)
Base 7 (Lado derecho=Lado izquierdo)
Masa d
rea de la parbola
Volumen
Momento de inercia con respecto al centro de masas (Matlab 2010
versin demo)
Momento de inercia con respecto al centro de masas (MSC.VisualNastran 4D 2004 demo)
Momento de inercia con respecto al eje de giro (Eje z)
Medidas
Solera 1 (Lado derecho=Lado izquierdo)
Masa
rea de la parbola
Volumen
Momento de inercia con respecto al centro de masas (Matlab 2010
versin demo)
Momento de inercia con respecto al centro de masas (MSC.VisualNastran 4D 2004 demo)
Momento de inercia con respecto al eje de giro (Eje z)
Medidas
Solera 2 (Lado derecho=Lado izquierdo)
Masa
rea de la parbola
Volumen
Momento de inercia con respecto al centro de masas (Matlab 2010
versin demo)
Momento de inercia con respecto al centro de masas (MSC.VisualNastran 4D 2004 demo)
Momento de inercia con respecto al eje de giro (Eje z)
Medidas
a
a
a
b
c
c
b
b
c
39
Tabla 13 Caractersticas y momentos de inercia de las partes de la base del porrn (continuacin)
Solera 3 (Lado derecho=Lado izquierdo)
Masa
rea
Volumen
Momento de inercia con respecto al centro de masas (Matlab 2010
versin demo)
Momento de inercia con respecto al centro de masas (MSC.VisualNastran 4D 2004 demo)
Momento de inercia con respecto al eje de giro (Eje z)
Medidas
2.2.7 Porrones o contenedores de agua
En los laterales del concentrador se encuentran colocados dos porrones de 2.850 kg
cada uno, con una capacidad de 60 litros, en su interior se encuentran almacenados 30 litros
de agua en cada contenedor, el agua almacenada se usar para la orientacin del
concentrador solar (ver Captulo III). Dentro de los porrones se encuentran las bombas de
agua que mandan el lquido al porrn vecino del mismo mdulo, con el objeto de inclinar el
concentrador hacia donde se encuentra el Sol.
Figura 2.26 Fotografa del porrn lado izquierdo
a
b
c
Porrn
40
Tabla 14 Caractersticas y momentos de inercia de un porrn Volumen
rea
Masa
Densidad
Ecuacin del momento de inercia de un
prisma rectangular slido con respeto al
centro de masas**
Momento de inercia con respecto al
foco de la parbola (eje de giro)
Medidas
Momento de inercia con respecto al centro de masas (Matlab 2010
versin demo)
Momento de inercia con respecto al centro de masas (MSC.VisualNastran 4D 2004 demo)
Momento de inercia con respecto al eje de giro (Eje z)
** Vea el desarrollo en el Apndice A base.m
2.2.8 Bomba de agua de los porrones
Las bombas de agua de los porrones son silenciosas, compactas y de bajo consumo
de energa lo que las hace muy econmicas (su consumo de energa es menor al de un foco
de 60 watts), ya que las bombas slo trabajan unos segundos mientras posicionan al
concentrador en el ngulo deseado, se colocan dentro del porrn y sumergidas bajo el agua,
para evitar que se quemen, la bomba del porrn tiene una altura mxima 70 cm con un flujo
de 3000 l/H, figura 2.27.
ab
c
41
Figura 2.27 Bomba de agua del porrn
2.2.9 Ejes
En los extremos se tiene dos ejes soldados al concentrador solar (frontal y
posterior), unidos con chumaceras a las torres del mismo, el objetivo es que permitan
orientar el concentrador de Norte a Sur (figura 2.28 y 2.29). Las caractersticas y momentos
de inercia se muestran a continuacin.
|
Figura 2.28 Fotografa del eje del concentrador solar cilindro-parablico
Figura 2.29 Eje frontal y posterior del concentrador solar cilindro-parablico
frontal eje
chumeceras
frontal eje
posterior eje
42
Tabla 15 Caractersticas y momentos de inercia de un eje Volumen
rea
Masa
Densidad
Medidas
Ecuacin del momento de inercia con
respeto al centro de masas**
Momento de inercia con respecto al
foco de la parbola (eje de giro)
Eje Frontal = Eje Posterior
Momento de inercia con respecto al centro de masas (Matlab 2010
versin demo)
Momento de inercia con respecto al centro de masas (MSC.VisualNastran 4D 2004 demo)
Momento de inercia con respecto al eje de giro (Eje z)
** Vse el desarrollo en el Apndice A , pg. 157,cilindro.m
2.2.10 Soportes del concentrador
Los soportes del concentrador son de PTR calibre #14 Azul de
con diferentes longitudes, ya que estas partes se encuentran soldadas unas con
otras, como se muestra en la figura 2.30 los soportes son fijados a la superficie de la loza
del techo y reforzada con una base de concreto de 10 cm de espesor.
L
D
43
Figura 2.30 Fotografa de los soportes del concentrador solar
2.2.11 Tensores
Se tienen tres tensores, uno de ellos ubicado en el centro y los dos restantes se
encuentran a los costados del concentrador, figura 2.31. El objetivo primordial del tensor
central es evitar el pandeo de los tubos de cobre, debido al peso del agua y al peso propio
del material del cobre. Los tensores que se encuentran en los costados del concentrador
corrigen el pandeo de los marcos.
Figura 2.31 a) Fotografa del tensor derecho del concentrador solar, b) Fotografa del tensor medio del
concentrador solar
2.2.12 Tubos absorbentes
Como se muestra en la figura 2.32 y 2.33 se colocaron dos tubos absorbentes de
cobre de 0.0762 m de dimetro por cada mdulo con 6 metros de longitud cada tubo, en los
Soporte
Soporte
a) b)
derechoTensor
aborbentes Tubos
Tensor central
44
cuales circula agua que posteriormente ser utilizada en el uso domstico, sta debe de
alcanzar una temperatura mxima de 60C, ya que a la postre se almacenar en los
contenedores de agua caliente. Los tubos de cobre de 0.0762 m estn alimentados con tubos
de 0.0127 m por dos codos del mismo tamao. Se ha empleado soldadura de plata, para
evitar fugas que generalmente existen cuando se une con soldadura de estao.
Los tubos de 0.0127 m se utilizan para que el agua permanezca ms tiempo en los
tubos de 0.0762 m, con esto aumenta la eficiencia del sistema y se utiliza una bomba de
agua de menos potencia, para este caso se utiliz una bomba de HP.
Figura 2.32 Fotografa de los tubos absorbentes del concentrador solar
Figura 2.33 Fotografa de los tubos absorbentes del concentrador solar en los tres mdulos
aborbentes Tubos
aborbentes Tubos
aborbentes Tubos
aborbentes Tubos
45
2.2.13 Contenedores de agua fra
En los contenedores de agua fra de plstico Rotoplas se encuentra almacenada el
agua que se desea calentar a 60C, cada contenedor tiene una capacidad de 1200 litros,
figura 2.34.
Figura 2.34 Fotografa de los contenedores de agua fra
2.2.14 Contenedores de agua caliente
Se tienen dos tanques de acero inoxidable de 1000 litros cada uno cubiertos con
impermeabilizante trmico, para evitar la disipacin del calor del agua caliente. Los tanques
se encuentran alojados en un cuarto de vidrio y policarbonato, teniendo como consecuencia
en su interior el efecto invernadero y as poder conservar la temperatura del agua caliente,
dentro del invernadero se tiene una temperatura aproximada de 30C por las maanas,
figura 2.35.
Figura 2.35 Fotografa de los contenedores de agua caliente
fra agua de esContenedor
46
2.3 Momento de Inercia Total del Concentrador Solar Cilindro-Parablico Cuando un cuerpo consiste de varias piezas el momento de inercia del cuerpo con
respecto a un eje dado puede obtenerse calculando primero los momentos de inercia de sus
componentes alrededor del eje deseado, como se mostr anteriormente, y despus se suman
en conjunto, las unidades de los momentos de inercia , e son .
Tabla 16 Momentos de inercia con respecto al eje de giro
Cantidad Nombre de la Pieza
1 PERFIL 1 8.091 0.792 8.824
1 PERFIL 2 17.859 10.549 8.824
1 PERFIL 3 45.608 38.309 8.824
1 PERFIL 4 91.358 84.059 8.824
1 PERFIL 5 155.098 147.779 8.824
1 PERFIL 6 235.676 228.377 8.824
1 MARCO1 0
Recommended