MOTOR STIRLING PARA LA GENERACION DE ENERGIA ELECTRICA

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTN

FACULTAD DE INGENIERIA DE PRODUCCION Y SERVICIOSESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERA MECNICAUNSA

MOTOR STIRLING PARA LA GENERACION DE ENERGIA ELECTRICA

BERRIOS CUNO ALEXANDRE CUEVAS TITO WILLIAMS HANCO CRUZ RUBEN PEREZ GONZALES RAUL

INGENIERIA ECOLOGICA DOCENTE: ING. CAMILO FERNANDEZ BARRIGA AREQUIPA 2015

DEDICATORIA:

A nuestras familias por sus esfuerzos y sacrificios, con los que velan nuestro bienestar, educacin y progreso como personas.

Tabla de contenidoINTRODUCCIN5OBJETIVOS7Objetivos principales7Objetivos secundarios71Antecedentes y actualidad82ENERGA SOLAR EN EL PERU92.1Energa solar en Arequipa113Dish Stirling Engine ( Sistemas de disco parablico.)123.1Eficiencia comparativa123.2Descripcin del sistema133.3Componentes del sistema.133.3.1Concentradores143.3.2Sistema de control de seguimiento del sol (Tracking)153.3.3Receptor163.3.4Equipos auxiliares193.3.5MOTOR STIRLING204CICLO STIRLING264.1Ciclo termodinmico ideal del motor Stirling264.2Ciclo real del motor Stirling265Modelo generador Stirling275.1Caractersticas275.2PRESTACIONES DEL MOTOR STIRLING285.3Concentrador solar empleado306PRUEBAS317RESULTADOS328DISCUSIN DE RESULTADOS33CONCLUSIONES34OBSERVACIONES34BIBLIOGRAFIA35

INTRODUCCIN

A lo largo de los aos, especialmente desde que aparecieron las industrias y el motor de combustin interna, la atmsfera ha ido sufriendo cambios irremediables que hasta hoy en da siguen sucediendo. Algunos efectos de esos cambios son el efecto invernadero y el calentamiento global.

Uno de los causantes de estos cambios es la alta emisin de CO2 a la atmsfera, proveniente principalmente de la combustin del petrleo. Este combustible no slo causa efectos nocivos durante su combustin, sino tambin durante su transporte, ya que es el causante de la destruccin ecolgica cuando ocurre algn derrame de petrleo en el mar.

El motor Stirling responde a requerimientos ambientales, adems que trae consigo otras ventajas en comparacin con los motores de ciclo Otto y Diesel, son su alta eficiencia, bajo nivel de ruidos y emisiones txicas, y adems puede funcionar con una amplia gama de combustibles debido a que es un motor de combustin externa.

El motor Stirling podra ser usado en zonas rurales donde no se cuente con combustibles convencionales o alternativos; para la generacin elctrica a pequea escala, lo cual permitir el desarrollo de las actividades productivas y mejorar la calidad de vida, en dichas zonas, sin daar el medio ambiente.

En 1816, el escocs Robert Stirling patent un motor que funcionaba con aire caliente, al cual llam Stirling. La patente de este motor era el exitoso final de una serie de intentos de simplificar las mquinas a vapor.

Stirling consideraba demasiado complicado calentar agua en una caldera, producir vapor, expandirlo en un motor, condensarlo y, mediante una bomba, introducir de nuevo el agua en la caldera, por lo que decidi desarrollar un nuevo sistema que realice los mismos procesos, pero en forma ms simple.

Fue un tipo de motor bastante comn en su poca, sobre todo para pequeas mquinas de uso domstico tales como ventiladores, bombas de agua etc.; su potencia especfica no era muy elevada, pero su sencillez y bajo ruido eran magnficos.

A inicios del siglo XX, la compaa Philips, de Holanda, empez a investigar en este motor. En la actualidad, con la crisis ambiental en el mundo, se buscan motores que disminuyan las emisiones txicas.

Actualmente, en diversos pases desarrollados, estos motores han alcanzado desarrollos impresionantes, y dentro de algunos aos stos podran reemplazar a los motores de combustin interna en diversos usos. Los motores Stirling se usan en submarinos, en refrigeradores, en automviles, en plantas de generacin de energa elctrica, etc.

OBJETIVOSObjetivos principales

Generar energa elctrica con un motor Stirling, tipo gama, con mecanismo rmbico, a partir de la energa solar utilizando un concentrador solar parablico. Determinar los parmetros que influyen en su funcionamiento as como tambin realizar el estudio terico y experimental para el diseo, y construccin de este motor.Objetivos secundarios

Conocer acerca de las alternativas de solucin a la escases de energa Fomentar el uso de energas renovables como el sol, la biomasa. Contribuir investigacin y la mejora continua de proyectos.

MOTOR STIRLING PARA LA GENERACIN DE ENERGA ELCTRICAAntecedentes y actualidad

La tecnologa de los sistemas disco-motor es la ms antigua de las tecnologas solares y se remonta a 1800, cuando varias empresas demostraron la posibilidad de desarrollar sistemas solares basados en los ciclos de Rankine y de Stirling. La tecnologa moderna fue desarrolladaen la dcada de 1970 y a principios de 1980 por las compaas United Stirling AB, AdvancoCorporation, McDonnell Douglas Aerospace Corporation (MDA), NASAs Jet PropulsionLaboratory, y el DOE. Esta tecnologa se basaba en la utilizacin de tubos de iluminacindirecta y en pesadas estructuras de elevado coste.

En las ltimas dcadas, los sistemas disco parablico han evolucionado tanto en Europa comoen EE.UU. hacia la construccin de unidades autnomas conectadas a motores Stirlingsituados en el foco, con potencias de 7-25 kW. Los sistemas disco Stirling presentan una alta eficiencia en la conversin de la radiacin solar en energa elctrica, entre 25-30%, en condiciones nominales de operacin. Adems, se pueden conseguir relaciones de concentracin superiores a 3.000, lo que permite alcanzar temperaturas entre 650 y 800 y eficiencias nominales en los motores Stirling entre 30-40%.

La primera generacin de discos estuvo formada por configuraciones faceteadas de vidrio/metal, que se caracterizaron por unas altas concentraciones (C=3.000) y excelentes resultados, pero a precios muy elevados (estimaciones por encima de 300 Euro/m2 para grandes producciones) y estructuras muy pesadas. El disco Vanguard fue operado en Rancho Mairage (California) en el desierto de Mojave durante un periodo de 18 meses (Febrero 1984-Julio 1985) y llevaba un motor/generador de 25 kW de United Stirling AB. El gas de trabajo era hidrgeno y la temperatura de 720 Posteriormente, entre 1984-1988, McDonnell Douglas desarroll un disco con la misma tecnologa pero con algunas mejoras. Se construyeron seis unidades de 25 kW que operaron varias compaas elctricas.

A principios de 2006, se aprob en California el proyecto Stirling Energy Systems of Arizona 2(SES 2). Este proyecto podra tratarse de la primera instalacin de envergadura de discos Stirling en el mundo. La planta de 300 MW y un total de 12000 discos reflectores con receptores de hidrgeno, se ubicar en el desierto de Imperial Valley. Cabe esperar que este proyecto marque el despegue del mercado para las turbinas Stirling. Adems, hay que resear otros desarrollos en EE.UU. involucrando a empresas como LaJet, Solar Kinetics, SAIC, Acurex y WG.

En Europa, los principales desarrollos se han llevado a cabo por empresas alemanas(Steinmller; SBP y SOLO Kleinmotoren). stas desarrollaron seis unidades de 9-10 kW, tres de ellas ensayadas en la Plataforma Solar de Almera, con ms de 30.000 horas de operacin.

Se trata de sistemas que conllevan una significativa reduccin de costes, aunque a cambio de menores rendimientos. El motor trabaja con helio a 630 y presenta rendimientos del 20 %, sensiblemente inferior a los planteados por Boeing/SES.

El proyecto europeo EURODISH (1998-2001), mejor los prototipos anteriores (rediseo del concentrador y motor, revisin y simplificacin del sistema de seguimiento y control, utilizacin de hidrgeno como fluido termoportador, etc.).

Los logros que se estn alcanzando (hibridacin, optimizacin de procedimientos de arranque y control, etc.) hacen prever unos costes de generacin inferiores a 0.12-0.17 Euro/kWh a corto plazo. No obstante, pese al enorme potencial a largo plazo de esta tecnologa, debido a sus elevadas eficiencias y su modularidad, la limitacin en cuanto a su potencia unitaria (inferior a25 kW) obstaculiza muchas aplicaciones que pretenden la produccin elctrica a gran escala.

As, tienen su aplicacin ms obvia en la produccin de electricidad para autoconsumo en lugares aislados donde no llegue la red elctrica (bombeo de agua en pozos, suministro de electricidad a ncleos de viviendas rurales, etc.), donde cabe esperar que puedan competir con sistemas ya comerciales como los fotovoltaicos o los generadores diesel.

ENERGA SOLAR EN EL PERUEn la gran mayora de localidades del Per, la disponibilidad de la energa solar es bastante uniforme durante todo el ao, estando casi siempre dentro de un margen de +/- 20 % del promedio anual. Es lo suficientemente alta y uniforme (comparada con otros pases) para ser considerada como una fuente energtica utilizable para fomentar el desarrollo de las comunidadesEn trminos generales, este promedio anual es de 4-5 kWh/m2 da en la costa y selva y de 5-6 kWh/m2 da, aumentando de norte a sur.

La figura muestra la radiacin solar en las diferentes regiones del pas en trminos de energa por unidad de rea en un ao.

(entrelos16y18delatitudsur)

A nivel anual, la zona de mayor potencial se encuentra principalmente en la costa sur (16 a 18 S), en las regiones de Arequipa, Moquegua y Tacna, donde se dispone de 6,0 a 6,5 kW h/m2. Otras zonas en las que se registra alta disponibilidad de energa solar diaria, entre 5,5 a 6,0 kW h/m2 son la costa norte (3 a 8 S) y gran parte de la sierra sobre los 2 500 msnm, siendo en orden de importancia en cuanto a su extensin superficial: la sierra sur, la sierra central y la sierra norte.

La zona de bajos valores de energa solar en el territorio es la selva, donde se registran valores de 4,5 a 5,0 kW h/m2 con una zona de mnimos valores en el extremo norte cerca del ecuador ( 0 a 2 S)

Asimismo, es importante acotar que la mayor variacin anual (desviacin estndar) de los valores de energa solar recibida en la superficie est en la costa sur, seguido en orden de magnitud por la costa central, selva norte, costa norte y sierra sur. Las zonas de menor variacin anual son la selva central y sur, la sierra central y parte de la sierra norte.

Energa solar en Arequipa La radiacin promedio es de 6.5 KWh /m2 al da; esto significa que una casa en la ciudad podra auto abastecerse por medio de la energa solar, si cuenta con la tecnologa adecuada para su transformacin.

Dish Stirling Engine ( Sistemas de disco parablico.)

A la generacin de energa elctrica, con un motor Stirling utilizando paneles solares, se le llama Dish Stirling Engine.

La tecnologa Dish Stirling Engine convierte la energa solar usando paneles solares que constan de varios espejos, cada uno bien dirigido hacia la parte del receptor del motor Stirling. Cada panel tiene un ngulo y elevacin para mantener los rayos del sol enfocados en la mayor intensidad posible.

El lado interno del receptor del motor calienta el fluido de trabajo (el gas usado en estos motores es hidrgeno), esto hace que se genere el ciclo Stirling, con lo cual se produce el movimiento de un pequeo generador de electricidad. Todo el proceso de la conversin de energa ocurre dentro de un espacio del tamao de un barril de aceite. El proceso es libre de emisiones txicas.

Eficiencia comparativa

Las pruebas realizadas por los laboratorios de Sandia han demostrado que la tecnologa Dish Stirling Engine es casi dos veces ms eficiente que otras tecnologas solares. stos incluyen los paneles parablicos que utilizan la energa solar para generar vapor de agua, el cual se conduce hacia unas turbinas similares a las utilizadas en centrales elctricas convencionales, y las clulas fotovoltaicas que convierten directamente la luz del sol en electricidad por medio de materiales semiconductores.

Los sistemas disco/Stirling han demostrado la mayor eficiencia de conversin de radiacin solar en energa elctrica con valores mximos del 30 % y hasta un 25 % de promedio diario en unidades de 7 a 25kW. Debido a la curvatura parablica del concentrador y a la baja relacin distancia focal/dimetro (f/D =0,6), se pueden conseguir altas relaciones de concentracin por encima de3.000. Esto permite alcanzar muy altas temperaturas de operacin entre 650 y 800 C, dando lugar a eficiencias en el motor Stirling del orden del 30 al 40 %.

La superficie cncava del concentrador est cubierta por espejos de vidrio de segunda superficie con su correspondiente curvatura parablica o bien por espejos delgados o polmeros metalizados de primera superficie soportados sobre una estructura de fibra de vidrio o de membrana tensionada. Los receptores para sistemas disco/Stirling son de tipo cavidad, con una pequea apertura y su correspondiente sistema de aislamiento.

Descripcin del sistema

Los sistemas disco parablico utilizan un conjunto de espejos para reflejar y concentrar la radiacin proveniente de los rayos del sol en un receptor, con el fin de alcanzar las temperaturas necesarias para convertir eficientemente el calor en trabajo. La radiacin solar concentrada es absorbida por el receptor y transferida a un motor Stirling . Esto exige que el plato siga la trayectoria del sol en dos ejes.

Los sistemas disco motor se caracterizan por una gran eficacia, modularidad, funcionamientoautnomo, y una inherente capacidad hbrida (la capacidad para operar o con energa solar o con ombustible fsil, o ambas cosas). De todas las tecnologas solares, los sistemas discoStirling han demostrado el ms alto coeficiente de conversin de energa solar a elctrica(29,4%), y por tanto, el potencial para convertirse en una de las menos costosas fuentes de energa renovables. La modularidad del sistema le permite operar de manera individual para aplicaciones remotas, o agruparse en pequeos grupos y conectarse a la red (village power o granja).

Los sistemas disco Stirling pueden funcionar tambin con un combustible fsil para proporcionar energa las 24 horas, conectando por ejemplo un quemador de gas al receptor.

Componentes del sistema.

Concentrador solar parablico. Sistema de seguimiento del sol. Intercambiador de calor solar (Receptor). Motor Stirling con generador.

Concentradores

Los sistemas disco Stirling utilizan concentradores solares que realizan el seguimiento del sol en dos ejes. Estos concentradores poseen una superficie reflectante que, ya sea de metal, de vidrio o de plstico, refleja la radiacin solar incidente en una pequea regin llamada foco, o zona focal. El tamao del concentrador solar para los sistemas disco Stirling est determinado por el motor utilizado. Con un mximo directo de irradiacin solar de 1000 W/m2, un sistema disco Stirling de 25-kW tendr un dimetro del concentrador de aproximadamente 10 metros.

Los concentradores utilizan superficies reflectantes de diversos materiales. Por ejemplo, los concentradores utilizados por la empresa SBP se realizan con planchas de plstico reforzado y con fibra de vidrio.

Las superficies de reflexin ms duraderas han sido espejos de plata y vidrio, similares a los espejos decorativos utilizados en el hogar. Los intentos de desarrollar a bajo coste pelculas reflectantes polimricas han tenido un xito limitado debido a su rpida degradacin.

Como los discos concentradores tienen longitudes focales cortas, se necesitan espejos de cristal relativamente delgados (espesor de aproximadamente 1 mm) para poder conseguir las curvaturas requeridas. Adems, es deseable que el cristal posea un bajo contenido de hierro para mejorar su capacidad para reflejar la luz. Dependiendo del espesor y de los materiales que se utilicen, los espejos solares tienen rendimientos de reflexin en un rango del 90 a 94%.

El concentrador de esta figura consta de12 segmentos reflectantes realizados con una resina de fibra de vidrio, que unidos forman una parbola casi perfecta. Para mantenerlos unidos se utilizan vigas rgidas en forma de anillo

El concentrador de forma ideal es un paraboloide de revolucin. Algunos concentradores solares aproximan esta forma con mltiples espejos en forma esfrica sujetos mediante una estructura apropiada.

La tendencia general en el diseo de los concentradores solares de las generaciones anteriores fue el uso de membranas-estiradas, en las que una fina membrana reflectante se extenda a travs de una llanta o un aro. Una segunda membrana se utilizaba para cerrar el espacio por detrs, con lo que generando un vaco parcial en este espacio, se consegua que la membrana que reflecta la luz adoptase una forma aproximadamente esfrica.

El diseo ptico del concentrador y su precisin determinan el coeficiente de concentracin. El coeficiente de concentracin, que se define como flujo medio solar que atraviesa la apertura del receptor, dividido por la irradiacin solar normal directa del ambiente, es tpicamente ms de2000, lo cual permite obtener temperaturas de operacin muy altas. Las fracciones interceptadas, que se definen como el porcentaje del flujo de energa solar reflejada a travs apertura del receptor, son por lo general ms del 85%.

Sistema de control de seguimiento del sol (Tracking)

El sistema disco parablico necesita ubicarse constantemente de tal forma que los rayos de la radiacin directa del sol estn paralelos al eje de la parbola para lograr esto se debe realizar el seguimiento en dos ejes de la posicin del sol.Tipos:

1.- Seguimiento de elevacin acimutal

El disco concentrador est asentado en un plato que gira en un plano paralelo a la tierra (acimut) y en otro plano perpendicular a ella (la altitud). Estos sistemas proporcionan al colector la capacidad de rotar a izquierda / derecha y arriba / abajo mediante el uso de un pequeos servomotores.

El valor de la velocidad de rotacin vara a lo largo del da, pero se puede calcular fcilmente, en la mayora de los sistemas disco Stirling ms grandes pesados utilizan este mtodo de seguimiento, mediante un algoritmo de un programa de computacin.

2.- En el mtodo de rastreo polar

El disco concentrador gira en torno a un eje paralelo al eje de rotacin de la tierra y se realiza su seguimiento en coordenadas polares, en la actualidad slo se utiliza en sistemas de pequeo porte, debido a las cargas a soportar de la estructura en una sola columna.

El movimiento en un eje es muy lento, pues slo debe seguir las variaciones estacionales del sol, y el movimiento en el otro eje es a velocidad constante.

3.- En la actualidad en los sistemas de mediano y gran porte utilizan un sistema mejorado del mtodo Seguimiento de elevacin acimutal donde se corrige la traza preestablecida utilizando un sensor de seguimiento que determina la orientacin hacia el sol.

La diferencia radica que en lugar de solo con un programa de computacin, la posicin del sol se corrige en correcciones pequeas mediante por un sensor de seguimiento por cada uno de los ejes.

Los sistemas de seguimiento evolucionaron del seguimiento polar seguimiento en acimut-elevacin.

Mientras que el sistema de seguimiento polar es ms sencillo desde el punto de vista constructivo, y recoge ms radiacin, el segundo es ms fcil de controlar. Con una computadora central se calcula la posicin del sol en cada instante y se transfieren esos datos al sistema que controla el posicionamiento del disco y tiene la ventaja que se pueden controlar de manera automtica varios discos parablicos con nicamente una unidad de control.

Otra ventaja de este nuevo tipo de sistema de seguimiento es que permiti reducir los costos totales del sistema de una forma considerable.

Receptor

El receptor es el enlace entre el concentrador y el motor Stirling. Tiene dos tareas fundamentales:

Absorber la radiacin solar reflejada por el concentrador.

Transmitir esta energa absorbida al motor Stirling en forma de calor con las mnimas prdidas.

Los receptores empleados en los discos parablicos son receptores de cavidad (aunque el empleo de receptores externos presenta algunas ventajas para sistemas de baja temperatura), en los que la radiacin concentrada entra por una apertura (situada en el foco del paraboloide) incidiendo posteriormente sobre el absorbedor. De esta forma se consiguen disminuir las prdidas radiativas y convectivas, as como homogeneizar el flujo radiante incidente sobre el absorbedor y reducir su valor mximo.

Receptores de tubos de iluminacin directa (DIR)

Los receptores directamente iluminados permiten una adaptacin directa del calentador de los motores Stirling convencionales. En estos receptores el absorbedor est formado con un haz de tubos por donde circula el fluido de trabajo del motor (helio o hidrgeno) altamente presurizado (5-20 MPa). La radiacin incide directamente sobre estos tubos y es transformada en energa trmica y transmitida al fluido de trabajo. Las altas temperaturas de trabajo de estos absorbedores (del orden de 800C) dificultan el empleo de recubrimientos selectivos por el gran solape de la radiacin emitida y absorbida.

Un inconveniente de estos receptores es la falta de uniformidad en el flujo de radiacin incidente en el absorbedor, lo cual trae como consecuencia el que la temperatura de los tubos absorbedores presente picos, limitando por tanto la mxima temperatura del fluido de trabajo para evitar sobrepasar la mxima temperatura permitida en los materiales.

Receptores de reflujo

Este tipo de receptores emplea un fluido intermedio para la transmisin del calor, generalmente un metal lquido (normalmente sodio), mediante su evaporacin en la superficie del absorbedor y su condensacin en los tubos por donde circula el fluido de trabajo. Al condensar el metal lquido, por gravedad regresa a la superficie del absorbedor.

Ventajas:

La gran capacidad de transmisin del calor de los metales lquidos (hasta 800 W/cm2) permite desarrollar receptores ms pequeos.

Mediante la condensacin de este metal lquido se consigue un calentamiento ms uniforme del fluido de trabajo, y este se produce realmente a temperatura constante, lo que permite trabajar con temperaturas mximas del fluido de trabajo ms cercanas a las mximas admisibles por los materiales.

Permite el diseo independiente de receptor y motor, evitando los compromisos de diseo entre ambos que limitaban el rendimiento en el caso de los receptores de tubos directamente iluminados.

Se facilita la hibridacin del sistema.

Tipos de receptores de reflujo:

1. Receptor de tipo pool boiler. En este caso hay una poza de metal lquido siempre en contacto con el absorbedor, donde se produce la evaporacin del metal, que posteriormente se desplaza hacia el calentador del motor

2. Receptor de tubo de calor (heat pipe). En este caso el lquido metlico asciende por fuerzas de capilaridad por unas mechas situadas en la parte posterior del absorbedor, de donde se evapora para ir a condensar en el calentador del motor. Las gotas de metal lquido condensan aqu y por gravedad caen al absorbedor donde mojan las mechas y empiezan a subir por capilaridad. La reserva de metal lquido dentro del receptor es, en este caso, mucho ms pequea.

La configuracin tubo de calor tiene la ventaja de su mayor seguridad asociada a una menor reserva de metal lquido para llevar a cabo la transmisin de calor. Por otro lado, al tener menor masa trmica presenta una respuesta ms rpida a los transitorios y unas menores prdidas trmicas durante los mismos.

Adems, es posible emplear este receptor para sistemas que implementen los dos tipos de seguimiento del sol comentados (acimut-elevacin, polar declinacin), mientras que el pool boiler slo se presta fcilmente a su integracin en el seguimiento acimut elevacin. La desventaja del receptor tubo de calor frente al pool boiler es la existencia de un mayor nmero de ciclos trmicos en motor y receptor durante das nublados, as como una mayor variacin en la potencia de salida.

Se puede establecer otra clasificacin en funcin de la fuente de la que obtiene el calor el receptor. En general existen dos tipos de receptores. Los de la primera clase que solo funcionan con luz solar y no pueden operar durante la noche, y los que poseen un tipo de receptor hbrido, los cuales estn equipados con quemadores de gas y que pueden operar durante todo el da.

Adems de la cara absorbente de radiacin solar, el receptor hbrido est equipado con un quemador de gas. De este modo, el motor Stirling puede operar cuando el sol est cubierto por nubes o incluso en la oscuridad. El sistema disco Stirling hbrido tiene la ventaja de estar disponible las 24 horas del da. Por lo tanto, este sistema puede ser el sustituto ideal de los motores diesel que en la actualidad ocupan un porcentaje del mercado de la pequea generacin aislada muy elevado.

Equipos auxiliares

Alternador

Es el dispositivo de conversin de la energa mecnica en elctrica utilizado en los sistemas disco Stirling. Los motores Stirling utilizan generadores de induccin para poder acoplarse a la red. Al sincronizarse los generadores con la red estos pueden suministrar potencia trifsica, ya sea a 230 o a 460 voltios. Estos generadores son capaces de convertir la energa mecnica en electricidad con una eficiencia de alrededor del 94%. El sistema dispone de unos inversores que convierten la corriente continua en alterna. Ello permite emplear mquinas de corriente continua como generadores, pudiendo funcionar a rgimen de giro variable, teniendo con ello ms flexibilidad para adaptarse a la demanda de electricidad instantnea.

Sistema de refrigeracin

Los motores Stirling utilizan un radiador para realizar el intercambio de calor entre el motor y la atmsfera.

Controles

El funcionamiento autnomo se logra mediante el uso de controladores electrnicos situados en el plato para el control de la funcin de seguimiento y para regular el funcionamiento del motor. Algunos sistemas utilizan un controlador de motor por separado.

En las grandes instalaciones existe un Sistema de Control y de Adquisicin de Datos (SCADA) que se utiliza para poder monitorizar y supervisar el funcionamiento del sistema, y para recoger sus principales datos de funcionamiento, de manera sincronizada con otras instalaciones de produccin de energa elctrica.

MOTOR STIRLINGPrincipio de funcionamiento

El funcionamiento del motor Stirling se basa en el aprovechamiento de los cambios volumtricos del fluido de trabajo como resultado de los cambios de temperatura que ste sufre. Estos cambios volumtricos se deben al desplazamiento del fluido de trabajo entre la zona caliente y la zona fra en un cilindro cerrado.

El funcionamiento del motor Stirling se basa en el aprovechamiento de los cambios volumtricos del fluido de trabajo como resultado de los cambios de temperatura que ste sufre. Estos cambios volumtricos se deben al desplazamiento del fluido de trabajo entre la zona caliente y la zona fra en un cilindro cerrado.

1. Si se tiene aire encerrado en un cilindro y luego se calienta, la presin dentro del cilindro se incrementa. Se asume que una de las tapas del cilindro es un mbolo y que ste es hermtico; entonces habr una expansin del gas y aumentar el volumen interior del cilindro hasta cierta posicin final del mbolo.

2. Si al mismo cilindro, en su estado de expansin, se enfra rpidamente, la presin disminuye; entonces, el volumen se contrae y la posicin del mbolo vuelve al estado inicial.

3. Si el proceso del estado 1 se repite, pero ahora uniendo el mbolo a una volante. El incremento de la presin forzar al mbolo a moverse ocasionando el giro de la volante, con lo cual se consigue que el cambio volumtrico se transforme en movimiento.

4. Si se repite el proceso del estado 2, enfriando rpidamente, el pistn retorna por efecto del movimiento de la volante y se produce la disminucin de la presin y el volumen.

5. Si se juntan los procesos 3 y 4, en un solo cilindro, con un desplazador, se producir el movimiento del motor debido a la expansin del gas, y, durante la compresin el pistn retornar a su posicin debido a la energa de la volante.

Componentes de un motor Stirling

a) Zona calienteEsta es la parte del motor donde se le entrega (transfiere) calor, y, por consiguiente, estar sometido a altas temperaturas (alrededor de 800C). Los materiales a utilizar para su fabricacin deberan ser materiales resistentes al CREEP. Se podra utilizar acero inoxidable austentico, acero al Cr-Mo, etc.

Esta parte puede ser de varias formas. Su forma ms simple es cuando no hay ningn tipo de presurizacin dentro del cilindro, sta puede ser un cilindro con una tapa plana.

El diseo de la zona caliente vara de acuerdo al fluido de trabajo a utilizar, esto es debido a las propiedades del fluido. Por ejemplo, el He tiene una conductividad trmica de seis veces la conductividad del aire, por esta razn el dimetro interno de los tubos de la zona caliente debera se mas pequeo si utilizamos aire como fluido de trabajo, esto es para hacer ms eficiente la transferencia de calor debido a la baja conductividad trmica del aire.

b) Zona fraEn esta parte se extrae calor del motor. La extraccin de calor puede realizarse por conveccin libre o forzada. En el caso que sea libre, sta puede realizarse mediante la colocacin de aletas de aluminio para disipar rpidamente el calor.

En el caso de una refrigeracin forzada, sta se realiza acondicionando una camiseta de agua Esta parte puede hacerse de acero inoxidable, fierro fundido, aluminio, cobre, etc.

Estos dos ltimos materiales se pueden utilizar en motores de baja potencia o experimentales, ya que en motores de alta potencia sera necesario un mayor espesor destos, y el costo sera elevado.

Sistema de refrigeracin de un motor Stirling

El sistema de refrigeracin tiene como objeto evacuar el calor del fluido de trabajo hacia un medio exterior ms fro. Este es una parte muy importante del motor, porque debe ser capaz de evacuar por lo menos el 50% del calor que recibe el motor, y que lo debe hacer a la menor temperatura posible para mejorar la eficiencia trmica del motor. Existen dos tipos de refrigeracin:

a) Refrigeracin por aire

Puede ser por conveccin natural o forzada. Es necesario acoplar aletas al cilindro; es una transmisin poco eficiente y se utiliza en motores lentos y no presurizados, mayormente se utiliza en pequeos motores demostrativos.

b) Refrigeracin por agua

Es la ms eficiente si se dispone de una fuente inagotable de agua a temperatura ambiente (ros, lagos, red pblica). Slo se puede utilizar en motores estacionarios. En motores que no son estacionarios lo ms recomendable es utilizar un circuito de agua con radiador, el nico inconveniente es que se consume energa para bombear el agua e impulsar el aire.

Regenerador

Es sumamente necesario hacer uso del regenerador cuando el motor Stirling es presurizado, y, tambin, cuando el motor tenga grandes dimensiones a pesar que no est presurizado. El regenerador absorbe y entrega calor al fluido de trabajo compensando una parte del calor perdido por el motor, haciendo que la potencia y velocidad del motor se incrementen, esto sucede porque cuando trabaja el regenerador el fluido de trabajo necesitara absorber menos calor en cada ciclo, con lo cual hace que el ciclo necesite de menos tiempo para realizarse y tambin se consuma menos cantidad de combustible.

El regenerador trabaja de la siguiente manera: suponiendo que el gas en la zona caliente est a 400C y en la zona fra a 40C. Cuando el gas pasa de la zona fra a la zona caliente, un regenerador ideal elevara la temperatura del gas hasta 300C, por lo tanto, el calentador tiene que entregar menos cantidad de calor para subir la temperatura del gas de 300 a 400C; de la misma manera, cuando el gas pasa de la zona caliente a la zona fra, el calor absorbido por el regenerador dejara al gas que est en el lado fro a una temperatura de 100C, y slo se tendra que enfriar un poco para pasar de 100 a 40C. Con esto se lograra, en ambos casos, reducir el tiempo de calentamiento y enfriamiento del gas con lo cual el ciclo se desarrolla ms rpidamente.

Pistn

Esta parte es la que realiza el trabajo motriz, y va conectado al mecanismo de transformacin de movimiento. El pistn debe ser ligero porque el gas realiza trabajo slo durante la expansin. Debido a que el pistn est en la zona fra del motor, s se puede utilizar aluminio para su construccin. Para motores pequeos experimentales, tambin utilizan tefln.El pistn debe llevar anillos en el caso de que el motor sea presurizado y se podra obviar stos en el caso de ser un motor pequeo o experimental.

Desplazador

Esta parte es la encargada de desplazar el aire de una zona a otra. Esta parte debe ser capaz de generar un gradiente de temperatura entre la zona caliente y la zona fra.

Idealmente, esto se lograra haciendo que la cmara central del desplazador sea un aislador trmico, pero debido a que sera complicada su construccin, se puede hacer el desplazador largo y que el material tenga baja conductividad trmica; por otra parte, ste debe ser capaz de soportar altas temperaturas, porque la zona caliente siempre se mantendr a alta temperatura.

En motores pequeos y experimentales, el desplazador suele comportarse como un regenerador haciendo que ste tenga paredes lo ms delgadas posible.

El desplazador tambin debe ser liviano porque, en la expansin, sube, juntamente con el pistn, y si stos son pesados hacen ms difcil la expansin del gas, y, por consiguiente, disminuye la potencia. Se construyen de acero inoxidable por sus propiedades de conductividad trmica y de resistencia a altas temperaturas. Se sabe que en motores pequeos (de exhibicin), tambin se pueden hacer de aluminio, pero esto no sucede en motores ms grandes.

Tipos de configuracin constructiva de los motores Stirling

a) Configuracin Alfa

Consta de dos cilindros independientes unidos mediante un ducto; este tipo de motor Stirling no tiene desplazador, pero tiene dos pistones desfasados 90. Uno de los cilindros se calienta mediante suministro de calor y el otro se enfra mediante aletas o agua.

b) Configuracin Beta

En este tipo, el pistn y el desplazador estn en el mismo cilindro, por eso tiene poco volumen muerto, y, por lo tanto, es el de mayor potencia especfica de las tres configuraciones. Existe una holgura entre el desplazador y el cilindro para permitir el paso del gas de la zona caliente a la fra y viceversa. Su desventaja est en su fabricacin, porque sta es muy complicada y requiere de bastante precisin.

c) Configuracin Gamma

Este tipo es derivado de la configuracin beta, pero ms sencillo de construir. Consta de dos cilindros separados, en uno de los cuales se sita el desplazador y en el otro el pistn de potencia. Es el de menor potencia especfica debido a su gran volumen muerto.

CICLO STIRLING

Ciclo termodinmico ideal del motor Stirling

El ciclo ideal Stirling se compone de dos procesos isotrmicos y dos isomtricos; la regeneracin se efecta a volumen constante.

Ciclo real del motor Stirling

Debido a que no existe un mecanismo que realice el movimiento ideal del pistn y del desplazador para la realizacin del ciclo y a la dificultad de obtener los ciclos puramente isotrmicos debido a los mecanismos de transferencia de calor, asociados a la velocidad con que se pretende realizar el ciclo, se pierde potencia y rendimiento, el resultado final es un ciclo redondeado en forma de elipse.

Modelo generador StirlingCaractersticas

Con nuestra opcin de maqueta prototipo, podremos regular el consumo del motor con una resistencia elctrica con lo cual, podremos monitorizar el consumo de la misma mediante un polmetro, teniendo controlado en todo momento el consumo de entrada, podremos monitorizar la velocidad de giro en todo momento y observar sus variaciones segn la potencia de entrada a la vez que podremos hacer una estimacin de produccin electrica a travs de un mini generador.

Por otro lado, las mejoras en refrigeracin y en dosificacin del consumo, hacen de nuestra maqueta, un modelo ms potente y afinado en cuanto a funcionamiento, y por lo tanto los datos de consumos y rendimientos finales, sern mucho ms fieles.

Modelo de fabricante chino SICHUAN LYNSUM TECNOLOGY Stirling.

1. Nombre del producto:Modelo generador Stirling

2. Tipo: M16-03 S

3 largo * ancho * altura 100x111 ( 190 ) mm , dimetro del volante de 64 mm , el dimetro de la rueda de conduccin 29 mm

4 parmetros: El dimetro de cilindro de potencia 16 mm, 20 mm carrera del pistn . El dimetro del cilindro de aire 20 ,

5. Motor peso neto :743 gramos

6 piso fabricado de madera mongolica rusa finamente molido

7. RPM800- 1100

Incluye. Una pequea polea de traccin para acoplar a algn dispositivo mecnico de baja solicitacin y rodamientos de alta calidad, y baja friccin.

Materiales: Cilindro latn, el resto fabricado en aluminio y acero inox.

PRESTACIONES DEL MOTOR STIRLING

Material utilizado para las mediciones:

Tacmetro ptico, elimina la resistencia que generan los tacmetros de contacto convencionales.

Debemos tener en cuenta, que el motor en cuestin es de unas dimensiones y potencia muy limitada, y por lo tanto, cualquier mtodo de medicin por contacto, implicara una prdida de rendimiento solo en la fase de medicin.

Con este sistema, podemos obtener la medicin, pegando una pequea tira adhesiva de material reflectante al volante motor de la maqueta. Enfocando unos pocos segundos el tacmetro al volante motor, obtendremos una medicin fiel de sus prestaciones.

Caractersticas:

-Fabricante: Sampo TC electronics Modelo: DT2234C.

- Pantalla digital LCD.

- Precisin: +/- (0.025% + 1 dgito)- Funcin memoria: ltimo valor medido, valor mximo, valor mnimo- Distancia de deteccin: de 50 a 1000 mm

- Abastecido por 4 pilas 1.5 AA

Dimensiones: 1907237mm

Datos obtenidos antes de las modificaciones:

Rpm: 1100rpm Sin carga, 800 con carga.

Temperatura del foco caliente: 223C

Consumo en para su funcionamiento: 20cc de alcohol quemados en 10 minutos.

Datos de consumo de energa motor Stirling:

La capacidad del quemador original son aproximadamente 5 cm cbicos

PCal alcohol=28.000.000 J/Kg

5 cm cbicos de alcohol son 0.020Kg=140.000 julios

Duracin del quemador: 10 minutos *60 segundos=600 segundos

140.000/1.800= aproximadamente 77W

Voltaje de salida: 800 mV

Concentrador solar empleado

En este proyecto se eligi usar espejos o superficies reflectoras como medio de concentracin de radiacin, ya que los lentes son ms costosos y absorben mayor energa debido al paso del rayo de luz a travs de este. Por su parte los espejos concentran la energa por reflexin y su absorcin de energa es mnima (Wieder, 1982a).

rea de captacin, rea de la imagen proyectada y CR del concentrador solar.

PRUEBAS

Las pruebas para determinar las caractersticas del sistema se hicieron primero en cada uno de los componentes (concentrador y motor) y luego se evalu el sistema en conjunto.

El concentrador solar se someti a diferentes intensidades de radiacin solar y se tomaron las temperaturas de captacin y concentracin. El valor mximo la zona de concentracin fue de 233C con ayuda del mechero para un valor de de 36C en la zona de captacin.

En el motor se realizaron mediciones en las zonas de alta y baja temperatura, al mismo tiempo que se medan sus RPM, para estimar el valor de su potencia. Para la zona de baja temperatura del motor se utiliz como refrigerante aire a temperatura ambiente, mientras que el fluido de trabajo en el interior del motor fue aire a presin atmosfrica (0,085 MPa en arequipa) de 7,74 W a 859 RPM,

En las pruebas realizadas al motor se observa que este empieza a funcionar solo a partir de los 175C en la zona de alta temperatura. La potencia y torque obtenidas se hallaron por medio de la medicin directa de las diferentes temperaturas, la medicin directa de las RPM y aplicando la ecuacin de Beale. La bibliografa investigada garantiza que esta ecuacin ofrece una buena aproximacin a datos de medicin reales para hallar la potencia del motor.

RESULTADOS Datos obtenidos del sistema completo.

DISCUSIN DE RESULTADOS

Respecto a la medicin de las temperaturas del concentrador, se observa que el valor en la zona de captacin es muy similar al de la zona de proyeccin para valores de temperatura bajos, sin embargo a medida que se capta mayor radiacin directa el incremento de la temperatura en la zona de concentracin crece de manera considerable.

El motor se estabiliza en las 844 RPM alrededor de los 233C. Despus de estos valores, los incrementos de temperatura dieron como resultado un descenso gradual en las RPM hasta que el motor se detuvo por completo.

La potencia entregada por el motor es de 8W aproximadamente lo cual es cercano a lo esperado, sin embargo hay varios factores que se pueden mejorar tanto en el sistema de concentracin (utilizar una superficie con mayor capacidad de reflexin de la luz) como en el motor (mejorar ajustes y tolerancias en su manufactura); y de esta forma optimizar el desempeo del sistema.

En el sistema completo acoplado el comportamiento del motor es similar al observado en las pruebas individuales, llegando a alcanzar una potencia mxima de 7,5W a una temperatura mxima de 233C. Este desempeo tambin puede mejorar en una poca del ao en la que se pueda captar una mayor radiacin solar y bajo unas condiciones climticas ms favorables.

CONCLUSIONES

El motor Stirling es una tecnologa antigua muy til necesaria para el aprovechamiento de las energa solar a muy bajo costo para nuestra actualidad en escasez.

La eficiencia trmica del motor es baja, debido a que no se cuenta con una cmara de combustin propiamente dicha ni un regenerador. El primero evitara la perdida de calor por radiacin hacia el medio ambiente, y de esa manera, tambin disminuir el consumo de combustible; y el segundo lograra que el ciclo se realice ms rpido, incrementando con ello la potencia del motor.

La energa solar bien aprovecha representa un importante competidor frente a las fuentes convencionales de energa.

Existe gran potencial de explotacin de la energa solar, ya que el pas se encuentra en una posicin geogrfica privilegiada y cuenta con zonas de muy alta intensidad de radiacin solar como La Guajira, en donde alcanza valores promedio de 6,0 a 6,5 KW/m2 por da.

La contaminacin producida por el funcionamiento del motor es mnima, porque al funcionar a combustin externa, sta se puede controlar fcilmente haciendo que la combustin sea casi completa, disminuyendo las emisiones toxicas para el medio ambiente. El motor Stirling es seguro y tiene un nivel de ruido ms bajo que los motores de combustin interna.

Su construccin es simple en comparacin con los motores de combustin interna, por lo que puede ser fabricado en el pas.

El motor Stirling podra utilizarse en zonas rurales, para la generacin de energa elctrica a pequea escala, y la generacin de energa mecnica (para el accionamiento de bombas, ventiladores, etc.), con bajos niveles de ruido, pudindose utilizar, en principio, cualquier tipo de combustible.

Para obtener ms potencia con un motor Stirling y reducir su tamao es necesario la presurizacin de ste y utilizar otros gases como fluido de trabajo, o, tambin cambiar el tipo de configuracin constructiva de ste para facilitar su construccin.

OBSERVACIONES

El colector al final no logro dar el calor necesario al motor por diversas razones tales como es muy poco eficiente, los das de la experiencia haba poca radiacin solar etc.

BIBLIOGRAFIA

atlas del sol (peru)

http://repositorio.espe.edu.ec/bitstream/21000/5157/1/T-ESPE-033127.pdf

CENSOLAR, Centro de Estudios de la Energa Solar. La energa solar [en lnea]. Sevilla (Espaa). Disponible en Internet: http://www.censolar. es/menu2.htm

Darlington, R. y Strong, K. (2005). Stirling and Hot Air Engines: Designing and Building Experimental Model Stirling Engines. Crowood Press.

Delgado, E. (2007) Aspectos tericos en el diseo de colectores solares. Avances Investigacin en Ingeniera, 6(6),67-73.

ISAGEN S.A. (2005) Fuentes No Convencionales de Generacin de Electricidad. Colombia: ISAGEN. Martini, W. (1983) Stirling Engine Design Manual. Second Edition. Washington D.C: U.S. Department of Energy. Serway, R. (1997) Fsica. Tomo II. 4 ed. Mxico D.F: McGraw-Hill.

UPME, UNIDAD DE PLANEACIN MINERO ENERGTICA. Atlas de Radiacin Solar de Colombia [en lnea]. Bogot, 2005. Disponible en Internet: www.upme.gov.co/Atlas_Radiacion.htm.

Wieder, S. (1982) An Introduction to Solar Energy for Scientists and Engineers. EEUU: John Wiley & Sons.

9th Latin American and Caribbean Conference for Engineering and Technology Medelln, Colombia WE1- 1 August 3-5, 2011

http://en.wikipedia.org/wiki/Beale_number

INGENIERIA ECOLOGICA UNSA35