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PRÁCTICA Nº 5 DISEO Y CONSTRUCCIÓN DE UN CONCENTRADOR DE ENERGÍA SOLAR

I.

OBJETIVOS   

II.

Diseñar un concentrador solar Construir un concentrador solar Conocer las propiedas y funciones básicas de un concentrador solar

INTRODUCCIÓN Ante la situación climática mundial se requiere un cambio energético sustentable ya que la principal fuente de energía en el mundo proviene de los combustibles fósiles que son los principales generadores de gases de efecto invernadero. La radiación solar que llega al límite externo de la atmósfera es de 1400 w/m2. Sobre la superficie terrestre, en regiones de baja latitud y alta heliofanía (“transparencia” de la atmósfera) pueden llegar, a mediodía, hasta poco más de 1000 w/m2 Esta densidad de energía permite aplicaciones térmicas de la energía solar de baja temperatura, tales como los colectores solares planos o los cultivos bajo cubierta. Cuando se necesitan temperaturas medias (más de 150 ºC) y altas (hasta varios miles de grados) se necesita concentrar la radiación solar. Algunas aplicaciones son la generación de energía eléctrica, los hornos solares (para aplicaciones metalúrgicas) o las cocinas solares de concentrador. Para concentrar la radiación, es decir, obtener intensidades mayores por unidad de superficie, se debe recurrir a concentradores de la radiación solar. La concentración se logra mediante superficies reflectantes parabólicas. Esto se debe a una propiedad de la parábola, y es que “el ángulo formado por la tangente en cualquier punto de la parábola con la recta paralela al eje de la parábola en ese punto, es igual al formado por dicha tangente con la recta que une el punto de tangencia con el foco de la parábola” Si la parábola (o superficie parabólica) es reflectante y la recta paralela al eje es un rayo de luz, este se reflejará siempre con un rayo que pase por el foco. Figura 1.

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Figura 1.Así, el rayo que ingrese paralelo al eje E de la parábola, tal como el R, se reflejara en el punto P con R’ que pasa por el foco F. Cualquier otro rayo, como los representados con color claro, se reflejarán pasando siempre por F. En la práctica, F no es un punto, ya que el sol tiene un tamaño aparente (su imagen no es puntual), por lo que en torno al punto F aparece una zona de muy alta densidad, llamada “entorno focal”

Hipótesis 

Un concentrador solar en un intervalo menor, podría recibir una incidencia mayor de luz, por lo tanto va a generar mayor energía.

Espejo parabólico (cuando los rayos son perpendiculares)

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Consideremos la parábola descrita por la ecuación y=ax2, la pendiente

El foco f es independiente de x. Todos los rayos paralelos al eje Y pasan por el foco F después de reflejarse en el espejo. La ecuación de una parábola de foco f es

Simulación en matlab f=0.7; %posición del foco (cambiar) a=1.0; %apertura es 2a (mantener fijo) x=-a-.02:0.02:a+0.02; y=x.^2/(4*f); hold on %espejo parabólico plot(x,y,'k') xx=[x(1),x,x(end)]; yy=[-0.3,y,-0.3]; fill(xx,yy,'k') axis equal xlim([-a-0.1,a+0.1]) %rayos xc=fix(x(1)*10)/10:0.1:-fix(x(1)*10)/10; yc=xc.^2/(4*f); for i=1:length(xc) line([xc(i),xc(i)],[a+0.3,yc(i)]) %incidentes hl=line([xc(i),0],[yc(i),f]); %reflejados set(hl,'color','r') end hold off title('Espejo parabólico') xlabel('x')

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ylabel('y')

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Los rayos de luz paralelos inciden en la parábola inclinados un ángulo δ. Continuamos ahora con el estudio del espejo parabólico de distancia focial f. Como hemos visto en la página anterior, la ecuación de la superficie del espejo es

El rayo de color verde forma un ángulo δ con el eje Y, incide en el espejo parabólico en P, el ángulo de incidencia (el que forma el rayo incidente con la normal) es θ+δ, el ángulo que forma el rayo reflejado con la normal es θ+δ. Este rayo corta al eje Y en un punto marcado por un círculo verde. Como vemos en la figura de la derecha, la ordenada de ese punto vale

SIMULACION EN MATLAB f=0.7; %posición del foco (cambiar) a=1.0; %apertura es 2a (mantener fijo) x=-a-.05:0.05:a+0.05; y=x.^2/(4*f); delta=5; %inclinación de los rayos paralelos en grados hold on %espejo parabólico plot(x,y,'k') xx=[x(1),x,x(end)]; yy=[-0.3,y,-0.3]; fill(xx,yy,'k') axis equal xlim([-a-0.1,a+0.1])

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%rayos xc=fix(x(1)*10)/10:0.1:-fix(x(1)*10)/10; yc=xc.^2/(4*f); angulo=atan(xc/(2*f)); %pendiente %intersección del rayo reflejado con el eje Y yf=yc+xc./tan(2*angulo+delta*pi/180); hl=line([0,0],[0,a+0.3]); set(hl,'color','g') for i=1:length(xc) line([xc(i),xc(i)+(a+0.3-yc(i))*tand(delta)],[yc(i),(a+0.3)]); hl=line([xc(i),0],[yc(i),yf(i)]); %reflejados set(hl,'color','r') end %intersección con el eje Y plot(0,yf,'ro','markersize',2,'markeredgecolor','r','markerfacecolor', 'r') %foco de la parábola plot(0,f,'ko','markersize',2,'markeredgecolor','k','markerfacecolor',' k') hold off title('Espejo parabólico') xlabel('x') ylabel('y')

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Conclusiones    

El presente proyecto está realizado a pequeña escala, sin embargo, se puede hacer en mayor tamaño para un uso más intensivo. El uso de la energía solar para aplicaciones tecnológicas es un campo que se está desarrollando. No podemos calcular un foco exacto, debido al movimiento del sol no va a generar un rayo perpendicular. Simulamos, el foco, dado en un determinado grado e inclinación, que nos va a dar una simulación mas real, para tener una mayor captación de calor.

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