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Capítulo 4.Diseño del sistema disco parabólico Eurodish con código Tonatiuh
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Capítulo 4. Diseño del sistema disco parabólico Eurodish con
código Tonatiuh.
Los sistemas de disco parabólico han demostrado rendimientos en la conversión de energía
solar a energía eléctrica por encima del 31% [2], siendo éste el mayor rendimiento de todos
los tipos de sistemas termosolares. El sistema Eurodish en sí ha demostrado un rendimiento
máximo solar-eléctrico alrededor del 20% [17, 3, 4]. No obstante, el rendimiento
instantáneo no es el parámetro más significativo. Otros parámetros, como el rendimiento
anual o el número de horas equivalentes son más importantes desde el punto de vista de la
viabilidad del sistema.
El sistema concentrador, objeto específico de este trabajo, suele caracterizarse, desde el
punto de vista energético, por el factor de intercepción, fracción de la energía reflejada por
el concentrador que entra en la cavidad. Desde el punto de vista óptico, este factor está
condicionado por factores externos al sistema (forma del sol o sunshape) y por factores
propios del sistema (geometría concentrador–cavidad, desviaciones macroscópicas y
microscópicas de la superficie del concentrador con respecto a la geometría ideal,
deformaciones de la estructura, errores de seguimiento). La consecuencia más destacada
provocada por los errores de pendiente es una disminución del factor de intercepción, o lo
que es equivalente, un aumento en el porcentaje de los rayos reflejados por el concentrador
que no entran en la cavidad del sistema receptor, un efecto también conocido como
desbordamiento o spillage. En el Eurodish, este desbordamiento puede llegar hasta un 15%
[4, 30] de la potencia del sistema total.
Además, el desbordamiento puede causar un riesgo elevado del desgaste de los
componentes del sistema. Los manuales para el Eurodish y el motor SOLO 161 notan que
pueden surgir fallos en el material aislante de cerámica que protege la parte frontal del
motor debido al debilitamiento parcial del material [31] cuando está expuesto a los rayos
concentrados por más de un instante [32]. El desbordamiento también puede causar
desviaciones en la distribución del flujo en el plano del absorbedor con picos de flujo más
elevados de lo esperado, lo que provoca el daño de los termopares o del mismo receptor.
Con la intención de analizar la distribución de flujo sobre el plano receptor y el
desbordamiento sobre el plano focal se ha realizado el presente estudio. Para ello se
simularon las características ópticas de un sistema de disco parabólico Eurodish con el
programa de trazado de rayos, Tonatiuh.
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4.1. Características generales del sistema Eurodish
El sistema Eurodish es el resultado de más de 15 años de desarrollo de diferentes
prototipos ensayados en la Plataforma Solar de Almería, España. El objetivo principal del
proyecto EnviroDish, constituido por las empresas SBP (ingeniería del conjunto, diseño y
fabricación del concentrador), SOLO (motor Stirling) y MERO (estructura), es preparar la
introducción en el mercado de estos sistemas mediante la reducción de costes de
fabricación, instalación y mantenimiento. Un aspecto esencial del proyecto EnviroDish fue
la instalación y operación, durante un período de tiempo significativo, de varias unidades
en diferentes países, en colaboración con socios locales. Los objetivos perseguidos eran,
entre otros, obtener experiencia sobre los procesos de instalación, operación y
mantenimiento en entornos típicos para el funcionamiento real de estos sistemas. Servir de
escaparate para el público interesado así como ayudar a encontrar y a convencer a clientes
futuros y, por último, facilitar a los socios locales el acceso a la tecnología.
A continuación se enumeran las características técnicas más destacadas de los
componentes físicos del sistema.
Figura 4.1. Sistema disco parabólico Eurodish
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4.1.1. Concentrador
El principal elemento de análisis del presente trabajo, cuya geometría consiste en un
paraboloide de revolución, se encuentra formado por doce segmentos reflectores a base de
espejos de vidrio fino hechos con óxido de plata de 0,8 mm de espesor adheridos a un
soporte de fibra de vidrio y un hueco central en su estructura de 0,8 m de diámetro. Los
segmentos se unen entre sí por medio de otras tantas costillas del mismo material para
obtener la geometría final de un paraboloide de revolución. El concentrador está montado
sobre un anillo de sujeción a base de celosías similares a la que componen la estructura
soporte.
Las dimensiones y parámetros principales del concentrador se muestran en la tabla 4.1.
[33, 34] y la expresión que sigue es la siguiente:
(Ec. 4.1.)
siendo tanto x como y las coordenadas contenidas en el plano, y z es la coordenada que
define los puntos de la superficie que salen de dicho plano; f hace referencia a la distancia
focal.
Tabla 4.1. Propiedades del concentrador
Irradiación Normal Directa (W/m2) 850
Número de facetas 12
Área efectiva del concentrador (m2) [29, 35] 53,099
Diámetro máximo del disco (m) 8,5
Diámetro mínimo del disco (m) 0,4
Distancia focal (m) 4,5
Reflectividad 0,94
4.1.2. Receptor-cavidad
Es el elemento de interfaz entre el concentrador y el motor Stirling, absorbe la radiación
solar y la transfiere en forma de energía térmica al motor Stirling lo más eficientemente
posible. El del sistema EuroDish es de tipo tubular y se conecta directamente a las cabezas
de los cilindros del motor. Se compone de tubos muy finos de aproximadamente 3 mm de
diámetro resistentes a temperaturas de operación de hasta 800ºC.
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Tabla 4.2. Propiedades del sistema receptor-cavidad [35]
Diámetro del plano del absorbedor (m) 0,26
Reflectividad del absorbedor (inconel) [35, 36] 0,07
Apertura de la cavidad (m) 0,19
Profundidad cavidad (m) 0,14
Reflectividad de la cavidad 0,0
Diámetro plano desbordamiento (m) 0,86
Figura 4.2. Lado y vista frontal del sistema receptor-cavidad [35]
4.1.3. Motor Stirling
Cuenta con una cantidad constante de gas en su interior, hidrógeno que se calienta y enfría
alternativamente. Las consiguientes expansiones y compresiones del gas proporcionan
movimiento a dos pistones conectados a un cigüeñal, produciendo trabajo. Las
características principales del conjunto formado por el motor modelo SOLO V161 y el
generador asíncrono del sistema son:
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Tabla 4.3. Propiedades del motor
Tipo Dos cilindros en V a 90º
Cilindrada (cm3) 160
Peso (kg) 430
Potencia neta (kW) 9,2
Velocidad nominal (rpm) 1500
Rendimiento 0,32
Presión de trabajo (bar) 20-150
4.1.4. Sistema de control y seguimiento
Permite mantener la orientación e inclinación a través de un movimiento mecánico en todo
momento. El tipo de suspensión es azimutal.
4.1.5. Estructura
La estructura móvil soporta el motor y el concentrador y permite el seguimiento de la
trayectoria del Sol. Está diseñada y fabricada por la compañía alemana Mero y se compone
por una celosía, compuesta por rótulas y barras que transmiten la carga sobre las rótulas,
evitando así los momentos de flexión y torsión y proporcionando ligereza a la estructura.
La estructura se puede dividir en cuatro partes:
- Base hexagonal dotada de 6 ruedas situadas en los extremos de los radios, que
terminan en los vértices del hexágono. A esta base se le unen dos estructuras en dos
extremos diametralmente opuestos, que soportan el concentrador.
- Soporte del concentrador. Se trata de tres anillos concéntricos, dos de igual
diámetro que se pueden denominar exteriores y un tercer anillo de diámetro menor
sobre el que se apoya el concentrador.
- Soporte del motor. Consta de una plataforma con dos raíles donde se fija el motor y
permite desplazarlo en caso de necesidad de variar la distancia focal. Esta base se
une en cuatro puntos al anillo exterior superior que soporta el concentrador, estando
así ligados el movimiento del concentrador y del motor. Se coloca una vez
terminado el montaje del concentrador.
- Arcos de los mecanismos de azimut y elevación, carriles guía de las cadenas que
transmiten los movimientos respectivos.
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4.1.6. Anillo de cimentación
El anillo de cimentación es el apoyo del conjunto principal. Tiene forma hexagonal y está
fabricado de hormigón armado.
Tabla 4.4. Geometría anillo de cimentación
Radio máximo del hexágono exterior (mm) 4130
Profundidad (mm) 300
Radio hexágono interior (mm) 1000
Ancho (mm) 850
4.2. Diseño del sistema Eurodish con Tonatiuh
La metodología seguida para el diseño de un sistema disco parabólico con el código
Tonatiuh se basa en la creación de tantos nodos como componentes tenga el sistema. En
este caso los nodos principales son: concentrador, cavidad, receptor y motor. Para
completar el diseño es necesario describir la forma solar usada.
Señalar que para el presente trabajo ha sido necesario introducir dos nodos más al sistema.
Uno describe el plano de desbordamiento, es decir, todos los rayos que no entren en la
cavidad, se supone que inciden sobre este plano. El otro componente presenta la geometría
de una tapadera y será colocada sobre la apertura de la cavidad, para cerrarla. Estos dos
planos son necesarios para calcular el factor de desbordamiento.
A la hora de calcular la distribución de flujo sobre el plano receptor, el nodo
correspondiente a la tapa de la cavidad desaparecerá para dejar que los rayos incidan sobre
el plano del receptor y obtener la distribución de flujo sobre el mismo.
Los nodos quedan definidos de la siguiente forma sobre la interfaz del programa Tonatiuh:
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Figura 4.3. Código de Tonatiuh
Los principales datos a introducir en Tonatiuh son:
Forma solar o sunshape. Se elige la forma solar de Buie por presentar una
distribución angular de la radiación solar más cercana a la realidad.
Tabla 4.5. Parámetros del modelo solar
Insolación Normal Directa (W/m2) 850
SunShape Buie
CSR 0,02
Forma geométrica Disco
Cara activa frontal
A continuación se muestra una captura de pantalla del programa, donde se introducen los
datos que aparecen en la tabla anterior.
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Figura 4.4. Definición de la forma solar
En cuanto a los parámetros de posición aparente del Sol (los angulares azimut y elevación,
así como la distancia al Sol) se les da el valor que marca el programa por defecto.
Concentrador. En el caso del concentrador los parámetros geométricos a introducir
son la distancia focal, 4,5 m, así como el radio máximo y mínimo del concentrador,
4,25 m y 0,4 m, respectivamente. Tonatiuh también solicita indicar la cara activa
del componente, en este caso la interior.
El origen del sistema de referencia se sitúa en el centro del concentrador y a partir
de ahí se van situando los diferentes componentes, variando la distancia en el eje Y.
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Figura 4.5. Concentrador en Tonatiuh
En cuanto a las características ópticas, se fijan la reflectividad del concentrador en
el 94% y la distribución Normal, ya que la forma solar definida ha sido la de Buie.
Otro parámetro muy importante y sobre el que se sustenta el objetivo de este
trabajo es el sigma_slope o error de pendiente. Se realizará un análisis de
sensibilidad variando este parámetro en un rango de 0 a 7 mrad y se estudiará la
influencia que tiene sobre el factor de desbordamiento. Este análisis de sensibilidad
se realizará en el capítulo 5 del presente documento.
Recordar que el término error de pendiente (sigma_slope) en este caso engloba a
los errores ópticos asociados a la desviación típica de la normal del sistema
reflectivo (error en rayo incidente).
Este error es el resultado de la convolución de las distribuciones asociadas a los
diferentes errores existentes excepto los referidos a la forma solar. Por tanto dentro
de este conjunto de errores ópticos se pueden englobar los errores locales de
pendiente (deformaciones debidas a estructura soporte, desviación respecto al
paraboloide ideal por falta de alineación de facetas o elementos que componen la
superficie concentradora, ondulación superficial), los errores por falta de
especularidad, ausencia de sincronización de los focos de las facetas y los debidos
al seguimiento.
El error del rayo reflejado es de valor dos veces los considerados para el análisis
desde el punto de vista de la normal a la superficie reflectiva, esto es, dos veces el
valor del error para el rayo incidente.
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El resto de parámetros ópticos se mantienen en el valor dado por defecto por el
programa.
Figura 4.6. Parámetros ópticos del concentrador
Cavidad. La cavidad se diseña con forma cónica. La apertura tiene un diámetro de
180 mm, el diámetro de la base coincide con el del receptor, 260 mm y posee una
profundidad de 140 mm. La cara activa es la interior. La apertura de la cavidad se
sitúa justo en el punto focal, a 4,5 m del centro del concentrador.
Figura 4.7. Cavidad en Tonatiuh
Figura 4.8. Parámetros geométricos y ópticos de la cavidad
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En cuanto a las propiedades ópticas de la cavidad, se hace la suposición de que la
cavidad no refleja absolutamente nada, fijándole una reflectividad nula. La
distribución como en el caso del concentrador se toma la Normal. El resto de
parámetros se toman por defecto los dados por el programa.
Receptor. Se configura como un disco de diámetro 0,26 m, con una reflectividad
del 7 % y cara activa la frontal. El receptor se sitúa a una distancia de 0,14 m de la
apertura de la cavidad, por tanto del punto focal.
Figura 4.9. Receptor en Tonatiuh
Figura 4.10. Parámetros geométricos y ópticos del receptor
Motor. Se configura como un rectángulo de 0,98 x 0,86 m [32]. Su cara activa
es la posterior. Se sitúa a 990 mm del punto focal.
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Figura 4.11. Motor Stirling en Tonatiuh
Plano de desbordamiento. Se sitúa en el punto focal, justo en el plano de
apertura de la cavidad. Se configura como un cono de radio base 0,43 m y radio
superior 0,095 m, coincidiente con el radio de la apertura de la cavidad. Su
espesor es mínimo. La cara activa es la exterior.
Posee reflectividad nula y distribución Normal. El resto de parámetros ópticos
son fijados por defecto por el programa.
Figura 4.12. Plano de desbordamiento en Tonatiuh
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Figura 4.13. Propiedades geométricas y ópticas del plano de desbordamiento
Plano de apertura de la cavidad. Se configura como un disco de diámetro 180
mm (diámetro de la apertura de la cavidad). Su cara activa es la frontal y su
reflectividad es nula.
Figura 4.14. Plano de apertura de la cavidad
Figura 4.15. Propiedades geométricas y ópticas de la tapa
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A continuación, en las Figuras 4.16. y 4.17., se muestra el sistema Eurodish al completo
sobre la interfaz de Tonatiuh.
Figura 4.16. Sistema Eurodish con Tonatiuh
Figura 4.17. Varias perspectivas del sistema Eurodish en Tonatiuh
Tras la definición del sistema se procede al lanzamiento de rayos. Se lanzan 15.000.000 de
rayos, que es el límite impuesto por el ordenador con el que se realiza el trabajo de
simulación, aunque la capacidad de Tonatiuh es aún mayor. Al lanzar este número de rayos
se está cometiendo un error relativo de aproximadamente el 1,5% [25].
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Figura 4.18. Interfaz de Tonatiuh tras el proceso de lanzamiento de rayos
Tras la simulación, se puede observar e interpretar el comportamiento simulado del sistema
exportando un “mapa de fotones” para la superficie que se desea analizar en forma de
archivo de código binario.
Figura 4.19. Exportación de un mapa de fotones en Tonatiuh
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Para usar el archivo binario de los resultados de Tonatiuh se necesita emplear un script o
secuencia de código en Matlab que ilustre gráficamente la distribución de flujo en el
sistema.
Una vez procesado el archivo binario se obtiene un mapa de densidad de flujo y una
distribución de flujo en 3D de la superficie que se haya analizado. Además el
procesamiento con Matlab nos aporta información acerca del número de fotones que incide
sobre la superficie analizada, el flujo medio, máximo y mínimo.
En el siguiente capítulo se detalla la metodología seguida para el análisis de la distribución
de flujo y factor de desbordamiento del sistema.
