Caracterización teórica para el diseño de las condiciones de ensayo de un horno solar

ror Equation Chapter 1 Section 1 Proyecto Fin de Grado Ingeniería de las Tecnologías Industriales Caracterización teórica para el diseño de las condiciones de ensayo de un horno solar Autor: Juan Tenorio Vazquez Tutores: Sara Moreno Tejera José Antonio López Álvarez Dpto. Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2023 iii Proyecto Fin de Grado Ingeniería de las Tecnologías Industriales Caracterización teórica para el diseño de las condiciones de ensayo de un horno solar Autor: Juan Tenorio Vazquez Tutores: Sara Moreno Tejera Profesora sustituta interina José Antonio López Álvarez Profesor sustituto interino Dpto. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2023 v Proyecto Fin de Carrera: Caracterización teórica para el diseño de las condiciones de ensayo de un horno solar Autor: Juan Tenorio Vazquez Tutores: Sara Moreno Tejera José Antonio López Álvarez El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2023 El Secretario del Tribunal vii A mi familia A mis amigos ix xvii ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Esquema de los distintos tipos de concentrador [2] 22 Figura 2. Sistema disco Stirling 10 kW en Fot-Romeu-Odeillo, Francia [3] 23 Figura 3. Central PS10, 11 MW en Sanlúcar la Mayor [4] 24 Figura 4. Colector demostración Fresnel lineal MAN, Plataforma Solar de Almería (PSA) [5] 24 Figura 5. Captadores cilindro-parabólicos con seguimiento solar, JUCOSOL, San Flipe, Chile [6] 25 Figura 6. Esquema básico de un horno solar [36] 26 Figura 7. Heliostato plano [60] 27 Figura 8. Parámetros de una superficie parabólica concentradora [68] 27 Figura 9. Horno solar SF60 PSA [7] 28 Figura 10. Horno solar de Odeillo (Font-Romeu-Odeillo-Via, Francia) [9] 30 Figura 11. Horno solar Uzbekistán (Parkent, Uzbekistán) [11] 30 Figura 12. Horno solar Centro Aeroespacial Alemán (DLR) (Colonia, Alemania) [15] 31 Figura 13. Horno solar SF-60 (PSA) (Almería) [16] 32 Figura 14. Horno solar SF-5 (PSA) (Almería) [17] 32 Figura 15. Horno solar SF-40 (PSA) (Almería) [18] 33 Figura 16. Esquema funcionamiento horno solar PSA [7] 34 Figura 17. Montaje placa conectora de dispositivos PSA 34 Figura 18. Termopar tipo K del fabricante Omega 35 Figura 19. Banco de pruebas PSA (Almería) 35 Figura 20. Nuevo horno en la PSA (Almería) [19] 36 Figura 21. Heliostato de Solar MEMS instalado 36 Figura 22. Concentrador de Anson instalado 37 Figura 23. Vistas del heliostato Solar MEMS 38 Figura 24. Lista de piezas mecánicas y electrónicas SIR Solar MEMS 39 Figura 25. Disposición SIR 39 Figura 26. Instalación SIR 40 Figura 27. Heliostato instalado en la azotea L1 40 Figura 28. Interfaz del software SSM [Anexo 1: Manual del SIR] 41 Figura 29. Concentrador instalado en la azotea L1 42 Figura 30. Concentrador CST empresa Anson 43 Figura 31. Instalación heliostato-concentrador 43 Figura 32. Instalación heliostato-concentrador (2) 44 Figura 33. Ángulo de acimut solar [24] 50 Figura 34. Ángulo de elevación solar [25] 51 Figura 35. Error cometido en función del número de rayos lanzados [27] 52 Figura 36. Ejemplo resultados Tonatiuh [23] 52 Figura 37. Distribución angular tipo Pillbox [23] 53 Figura 38. Ventana elección forma solar (Tonatiuh) [23] 54 Figura 39. Ventana elección posición del Sol (Tonatiuh) [23] 55 Figura 40. Ventana área solar del modelo final (Tonatiuh) [23] 55 Figura 41. Ventana transmisividad atmosférica (Tonatiuh) [23] 56 Figura 42. Formas geométricas disponibles (Tonatiuh) [23] 56 Figura 43. Tipos de nodos (Tonatiuh) [23] 57 Figura 44. Características geométricas disco parabólico (Tonatiuh) [23] 57 Figura 45. Tipos de propiedades ópticas de materiales (Tonatiuh) [23] 57 Figura 46. Características ópticas del componente (Tonatiuh) [23] 58 Figura 47. Ventana de opciones de trazado de rayos (Tonatiuh) [23] 59 Figura 48. Ventana simulación (Tonatiuh) [23] 60 Figura 49. Representación de la simulación (Tonatiuh) [23] 60 Figura 50. Pantalla Run Flux Analyisis (Tonatiuh) [23] 61 Figura 51. Concentrador parabólico 62 Figura 52 . Modelo horno solar concentrador parabólico 63 Figura 53. Modelo horno solar concentrador parabólico (2) 64 Figura 54. Nodos modelo concentrador parabólico 65 Figura 55. Modelo concentrador parabólico (máxima potencia) 66 Figura 56. Distribución flujo incidente modelo simplificado 66 Figura 57. Concentrador rectángulo parabólico 1.0 67 Figura 58. Modelo horno solar concentrador rectángulo parabólico 1.0 67 Figura 59. Modelo horno solar concentrador cuadrado 1.0 (2) 68 Figura 60. Nodos modelo rectángulo parabólico 1.0 69 Figura 61. Modelo rectángulo parabólico 1.0 (máxima potencia) 69 Figura 62. Distribución flujo incidente modelo base 70 Figura 63. Modelo 4 facetas (dependientes) 70 Figura 64. Modelo 4 espejos (independientes) 71 Figura 65. Concentrador rectángulo parabólico 2.0 Figura 66. Concentrador rectángulo parabólico 2.0 (2) 72 Figura 67. Modelo horno solar concentrador rectángulo parabólico 2.0 72 Figura 68. Modelo horno solar concentrador rectángulo parabólico 2.0 (2) 72 Figura 69. Nodos modelo rectángulo parabólico 2.0 74 xix Figura 70. Modelo rectángulo parabólico 2.0 (máxima potencia) 74 Figura 71. Distribución flujo incidente modelo final 75 Figura 72 Gráfica distribución flujo en ejes x e y 75 Figura 73. Ejemplo de sombreado del concentrador al heliostao (diseño final) 76 Figura 74. Mapa distribución flujo heliostato (5º elevación) 76 Figura 75. Mapa distrubción flujo heliostao (20º elevación) 77 Figura 76. Mapa distribución de flujo caso I (a) 79 Figura 77. Gráfica distribución de flujo caso I (a) 79 Figura 78. Mapa distribución de flujo caso I (b) 80 Figura 79. Gráfica distribución de flujo caso I (b) 80 Figura 80. Mapa distribución de flujo caso II (a) 81 Figura 81. Gráfica distribución de flujo caso II (a) 81 Figura 82. Mapa distribución de flujo caso II (b) 82 Figura 83. Gráfica distribución de flujo caso II (b) 82 Figura 84. Mapa distribución de flujo caso III (a) 83 Figura 85. Gráfica distribución de flujo caso III (a) 83 Figura 86. Mapa distribución de flujo caso III (b) 83 Figura 87. Gráfica distribución de flujo caso III (b) 84 Figura 88. Mapa distribución de flujo (180º acimut; 76º elevación) 84 Figura 89. Mapa distribución de flujo (modelo sin barras ; 180º acimut ; 76º elevación) 85 Figura 90. Banco de pruebas 88 Figura 91. Anclaje banco-barra 88 Figura 92. Pinzas recubiertas de material refractario 89 Figura 93 . Sensor de flujo GG01 Gardon gauge de la emprsa Hukseflux [47] 89 Figura 94. Esquema explicativo de los componentes del sensor GG01 Gardon gauge [47] 90 Figura 95. Tabla de especificaciones GG01 90 Figura 96. Datalogger CR1000X fabricado por “Campbell Scientific” [48] 91 Figura 97. Pasos a seguir Short Cut [29] 92 Figura 98. Modelos datalogger disponibles [29] 93 Figura 99. Tipos de dispositivos disponibles [29] 94 Figura 100. Dispositivos seleccionados con unidades de medida [29] 94 Figura 101. Tablas Short Cut [29] 95 Figura 102. Tabla de configuración final [29] 95 Figura 103. FC1600 Chiller [30] 96 22 1 INTRODUCCIÓN El aprovechamiento de la energía proveniente del Sol (energía solar) presenta ventajas clave en el ámbito de la sostenibilidad, el ahorro económico, la reducción de emisiones, la diversificación energética y la contribución al desarrollo sostenible. Aunque de todas estas, la ventaja más importante y fundamental de cara al futuro es proteger al planeta del cambio climático, reduciendo el uso de combustibles fósiles, eliminando gases de efecto invernadero expulsados hacía la atmósfera, permitiendo así llegar a la autosuficiencia energética. Uno de los sistemas existentes que aprovechan dicha energía son los hornos solares. Un horno solar es un sistema de concentración que concentra la radiación proveniente del Sol en un área menor (conocida como foco), donde se pueden alcanzar temperaturas de hasta 3500 ºC [1]. Debido a estas altas temperaturas y la elevada relación de concentración obtenida en el mismo, el rango de aplicación de este tipo de hornos es muy amplio, pudiendo abarcar desde la generación de electricidad (aunque no es su principal objetivo), hasta la fabricación de combustible, como hidrógeno, y tratamiento de metales a altas temperaturas. Esta gran variedad de aplicaciones posibles abre un gran abanico de posibilidades en cuanto a la construcción y características de los hornos solares existentes. Esto se detallará más adelante en el apartado 1.3. En este proyecto se va a explicar el funcionamiento de un horno solar junto con sus componentes, los diferentes tipos de hornos existentes, y se procederá a realizar la caracterización teórica del horno solar instalado en la azotea del L1 de la ETSI de cara a obtener la información necesaria para una futura puesta en marcha del horno y los ensayos pertinentes. 1.1 Sistemas termosolares de concentración Los hornos solares son sistemas termosolares de concentración. Dichos sistemas basan su funcionamiento en la obtención de energía térmica mediante la concentración de la radiación solar. Normalmente se asocia dichos sistemas a la producción de calor o electricidad mediante el uso de espejos que concentran la radiación solar en un punto. Actualmente, las tecnologías de concentración más comunes que existen se pueden dividir en dos grupos, las de concentración puntual y las de concentración lineal. En la Figura 1 a continuación se pueden observar los 4 grandes grupos de tipos de energía solar de concentración: Figura 1. Esquema de los distintos tipos de concentrador [2] 23 Las de concentración puntual se caracterizan por tener el foco del concentrador en un único punto, es decir, el espejo o espejos del sistema reflejan los rayos de luz convergiendo hacía un mismo punto. Existen dos tipos principales de sistemas de concentración puntual: Disco Stirling y Receptor central de torre.  El disco Stirling es una configuración específica utilizada para aprovechar la radiación solar y generar energía térmica de alta temperatura. Este sistema se basa en el principio del ciclo Stirling, que permite convertir la energía térmica en energía mecánica mediante la expansión y contracción de un gas. En este sistema, se utiliza un receptor de alta temperatura, que generalmente es una superficie reflectante parabólica. Esta superficie concentra los rayos solares en un punto focal, donde se ubica un disco metálico flexible. Cuando la radiación solar se concentra en el punto focal, el disco metálico se calienta, lo que a su vez provoca la expansión del gas contenido dentro del sistema. Esta expansión genera un movimiento oscilante del disco, que se aprovecha para generar energía mecánica. A medida que el disco se expande y contrae, se conecta a un mecanismo de transmisión que lo vincula a un generador eléctrico. Esta conexión permite convertir el movimiento oscilante del disco en energía eléctrica, lo que hace posible su aprovechamiento en aplicaciones prácticas. Figura 2. Sistema disco Stirling 10 kW en Fot-Romeu-Odeillo, Francia [3]  Una planta de receptor central de torre es un tipo de planta de energía solar de concentración que utiliza una torre central como componente principal. Este sistema se basa en la concentración de la radiación solar utilizando heliostatos, que son espejos motorizados que siguen el movimiento del sol para reflejar y enfocar la luz solar hacia la torre. En una planta de receptor central de torre, el campo de heliostatos está dispuesto alrededor de ella. Estos heliostatos reflejan y concentran la luz solar en un punto focal ubicado en la parte superior de la torre, donde se encuentra un receptor de alta temperatura. El receptor en la torre central contiene un fluido térmico, como agua, sales fundidas o aire, que se calienta debido a la alta concentración de radiación solar. El calor absorbido por el fluido térmico se utiliza para generar vapor, que a su vez impulsa una turbina conectada a un generador eléctrico para producir energía eléctrica. Este vapor puede ser generado directa o indirectamente, mediante sistemas de almacenamiento térmico. 24 Figura 3. Central PS10, 11 MW en Sanlúcar la Mayor [4] Con relación a la tecnología de concentración lineal, su funcionamiento es prácticamente idéntico al de la puntual excepto por la salvedad de que el foco del sistema se encuentra concentrado a lo largo de una línea. Como claro ejemplo de este tipo de tecnología están el concentrador Fresnel y el concentrador cilindro parabólico (CCP).  Un concentrador Fresnel es un dispositivo utilizado para enfocar y concentrar la radiación solar en una línea focal. Este tipo de concentrador se basa en la utilización de una lente Fresnel, que es una lente delgada y plana con múltiples secciones concéntricas. Cada sección de la lente tiene una forma específica y un ángulo calculado para refractar la luz solar de manera eficiente hacia el punto focal. El concentrador Fresnel se puede utilizar también en combinación con un receptor secundario colocado en el punto focal para captar y aprovechar la radiación solar concentrada. El receptor puede ser un tubo receptor o una superficie absorbente, dependiendo de la aplicación específica. El receptor absorbe el calor de la radiación solar concentrada y lo utiliza para generar vapor o calor, que a su vez se puede utilizar para generar electricidad o aplicaciones térmicas. Figura 4. Colector demostración Fresnel lineal MAN, Plataforma Solar de Almería (PSA) [5] 25  Un concentrador cilindro parabólico es un dispositivo utilizado en sistemas de concentración solar para captar y enfocar la radiación solar en un receptor ubicado en el foco de una superficie parabólica. Este concentrador se basa en la geometría de una parábola y utiliza espejos reflectantes para dirigir y concentrar la luz solar en un punto específico. Una serie de espejos cilíndricos están dispuestos a lo largo de una superficie parabólica. Estos espejos reflejan y concentran la luz solar hacia el foco de la parábola, donde se encuentra el receptor. El receptor en el concentrador cilindro parabólico puede ser un tubo receptor que contiene un fluido de transferencia de calor, como agua o aceite térmico. Cuando la radiación solar se concentra en el receptor, el fluido se calienta y puede utilizarse para generar vapor o calor, que a su vez se convierte en energía eléctrica o aplicaciones térmicas. El concentrador cilindro parabólico se orienta para seguir el movimiento del sol a lo largo del día, lo que maximiza la captación de la radiación solar. Figura 5. Captadores cilindro-parabólicos con seguimiento solar, JUCOSOL, San Flipe, Chile [6] En el caso de los hornos solares, estos se caracterizan por el aprovechamiento del calor obtenido en su foco, consiguiendo una mayor potencia (gracias a su alto ratio de concentración) pero a menor escala (menor tamaño de la instalación). Esto es posible debido a la obtención de altas relaciones de concentración en el foco, donde se alcanzan temperaturas muy altas, mediante el empleo de varias etapas en la concentración. El proceso de obtención de energía térmica de un horno solar se puede simplificar en:  Reflejar la radiación solar hacia el concentrador paralelamente al eje óptico de este.  Concentrar la radiación solar en el receptor.  Transformar la radiación solar concentrada en energía térmica. 32 Figura 13. Horno solar SF-60 (PSA) (Almería) [16]  Horno solar SF-5 (PSA)(Almería): [17] Este horno, de eje vertical, fue construido para realizar ensayos que requieran altos flujos radiantes, fuertes gradientes y muy altas temperaturas de ensayo. Consiste en un espejo concentrador, colocado con la superficie de reflexión apuntando al suelo, sobre una torre de 18 metros de altura. En el centro de dicha torre y por debajo del concentrador se ubica el heliostato. Las características más llamativas de dicho horno son la superficie, 8,77 m2, y la potencia total, 5 kW. Además, el sistema alcanza concentraciones superiores a los 6000 soles y es dedicado al tratamiento térmico de materiales a alta temperatura, en atmósfera controlada y vacío. Figura 14. Horno solar SF-5 (PSA) (Almería) [17] 33  Horno solar SF-40 (PSA)(Almería): [18] El horno solar SF-40, que se desarrolló posteriormente a los dos hornos solares existentes en la PSA (Plataforma Solar de Almería), ofrece, junto con los otros dos, un amplio rango de posibilidades para realizar ensayos en el ámbito de los tratamientos térmicos de materiales en condiciones extremas, así como ensayos de receptores y reactores a pequeña escala. Este horno tiene un diseño de eje horizontal y está compuesto por un heliostato plano con una superficie de reflexión de 100 metros cuadrados, junto con un concentrador parabólico de 56,5 metros cuadrados. Gracias a estas características, el horno puede alcanzar una potencia de 40 kW y una concentración pico de más de 7000 veces la radiación solar incidente. Su funcionamiento se enfoca en llevar a cabo ensayos de materiales a altas temperaturas, tanto en condiciones de presión ambiental como en atmósferas controladas y en vacío. Figura 15. Horno solar SF-40 (PSA) (Almería) [18] Como se ha podido comprobar a lo largo de este apartado, el objetivo principal de los hornos solares no es la producción de electricidad, sino la investigación en tratamiento de materiales y la síntesis de productos químicos (como el hidrógeno cuyo proceso de detallará más adelante), debido a las altas temperaturas que se alcanzan en el foco. 1.3.1 Antecedentes (Horno solar PSA) Como modelo para tener una orientación más adecuada al tamaño de horno que vamos a caracterizar y tener una guía tanto para la caracterización teórica como la práctica, se pidió información acerca del nuevo horno instalado en la Plataforma Solar de Almería (PSA). En concreto, se solicitó información acerca del sensor empleado para medir la temperatura que alcanza el foco o en su defecto el sensor de flujo empleado para cuantificar el flujo incidente en el mismo, además del banco de pruebas que habían instalado. Este horno de la PSA cuenta con 1,6 kW en el foco, aunque a diferencia del situado en la azotea del L1, el sistema incluye un atenuador y su concentrador es una lente Fresnel. El sistema funciona acorde al esquema que se muestra en la Figura 16, muy similar al funcionamiento del horno a estudio, la radiación incide en un heliostato plano que refleja los rayos hacía un concentrador (lente Fresnel), el cual se encuentra tras un atenuador y una pantalla de transmisividad variable que hace las veces de atenuador también, y una serie de espejos de reflectancia espectral selectiva. Esta serie de espejos permiten filtran las bandas de longitud de onda concretas del espectro solar, lo que les permite analizar la influencia de la longitud de onda en el envejecimiento de los materiales, lo que es el objetivo de estudio de este horno. La principal diferencia entre ambos concentradores es que uno es una lente Fresnel (PSA), y el otro un espejo cilindro-parabólico (ETSI). Esto provoca que la ubicación del foco sea diferente, en el concentrador Fresnel el foco se encuentra situado detrás de la lente, mientras que en el cilindro-parabólico, los rayos son concentrador en un foco delante de este. 34 Figura 16. Esquema funcionamiento horno solar PSA [7] El objetivo del proyecto de la PSA es realizar estudios sobre el envejecimiento de materiales expuestos a una alta radiación solar seleccionando activamente la longitud de onda de la radiación incidente. En lo relacionado con el sistema de medición en el foco y el banco de trabajo, aunque en el momento del contacto en la PSA no habían comenzado con los ensayos por falta de un soporte en la mesa de pruebas, tenían preparada la instalación del sensor. Para ello contaban con una placa a modo de “ladrón” como la de la Figura 17, para enchufar varios termopares tipo K. Según nos informaron, utilizaron este tipo de termopares porque son mejores para medir temperaturas más altas, al contrario, por ejemplo, que los tipos PT100 que funcionan mejor para bajas-moderadas temperaturas. Figura 17. Montaje placa conectora de dispositivos PSA El “Rugged Transition Joint Probe Superomega” del fabricante Omega, es el modelo de termopar utilizado. El objetivo era utilizar varios termopares, aparte del que se puede observar en la Figura 18, enchufados a la placa de la Figura 17, y amarrados por detrás del material, con el fin de medir con mayor precisión la temperatura alcanzada en el mismo. 35 Figura 18. Termopar tipo K del fabricante Omega Por último, se recibieron directrices acerca del montaje del banco de trabajo, aunque el banco de la PSA aún estaba incompleto dado que faltaba instalar un soporte para el material receptor. Inicialmente, pensaron en hacerla automática en varios ejes, pero al final descartaron esta idea y se decantaron por hacerla manual. El banco de trabajo se muestra en la siguiente ilustración. Figura 19. Banco de pruebas PSA (Almería) Finalmente, dentro del informe [19] mencionado anteriormente, también se proporcionaba una foto del montaje final del horno. Este es el que se muestra en la imagen a continuación. 36 Figura 20. Nuevo horno en la PSA (Almería) [19] 1.4 Horno Solar ETSI El horno solar situado en la azotea del L1 de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería (ETSI) está compuesto por un heliostato plano, proporcionado por la empresa Solar MEMS Technologies que cuenta con un software que permite modificar su posición a voluntad y establecer un seguimiento al Sol. Dicho heliostato está formado por un espejo de 6,25 m2 y cuenta con un sensor solar para poder realizar el seguimiento. Figura 21. Heliostato de Solar MEMS instalado 37 A su vez, el horno está compuesto por un concentrador, el cual consiste en 4 espejos independientes de 1 m2 cada uno, procedentes de la empresa Anson, con un foco de 1,525 m. El concentrador tiene una estructura fija con posibilidad de giro y ajuste manual, que ha sido desarrollada por la empresa Ibercar. A continuación, se detallarán los componentes del horno que actualmente se encuentran instalados en el L1. 1.4.1 Sistema de Iluminación Solar (SIR) [ Anexo 1: Manual del SIR] El Sistema de Iluminación Solar (SIR), previamente instalado, fue suministrado por la empresa Solar MEMS Technologies. Es un sistema mecánico con partes móviles que está fabricado en acero inoxidable. A esto se le incluye un espejo plano de alta reflexión fabricado en aluminio y reforzado con una lámina de polietileno que lo hace altamente resistente. Figura 22. Concentrador de Anson instalado 38 Figura 23. Vistas del heliostato Solar MEMS Este equipo adicionalmente consta de los elementos mecánicos de sujeción y soporte con los que se pudo instalar sin problemas el heliostato en la viga donde está situado, y los elementos electrónicos que permiten al heliostato realizar el seguimiento al Sol. En la Figura 21 se pueden observar las dimensiones acotadas del espejo. Como ya se ha mencionado, está fabricando en aluminio de alta reflexión reforzado por una lámina de polietileno, gracias a lo cual la empresa asegura la fiabilidad de este proporcionando una garantía de 2 años. La superficie reflectante tiene unas dimensiones de 2,5 x 2,5 metros. Los elementos mecánicos y electrónicos con los que cuenta el sistema son los mostrados en la Figura 24. Además de la estructura de sujeción y los elementos de soporte, el conjunto del heliostato cuenta también con un bloque de motores, un armario de control y un sensor solar. Estos elementos son los que permiten al heliostato realizar un seguimiento al Sol. El sensor solar detecta la posición del Sol y esta queda registrada en el armario de control. Mediante la actuación de un software que ha sido proporcionado por la empresa, el sensor transfiere la información del armario de control del heliostato a un ordenador y, desde este, se puede modificar la posición del heliostato a voluntad, gracias al bloque de motores, o bien ponerlo en modo seguimiento automático al Sol. 39 Figura 24. Lista de piezas mecánicas y electrónicas SIR Solar MEMS Además de los elementos mecánicos y electrónicos mencionados anteriormente, el sistema cuenta también con una lista de cables y tornillería, así como con un anemómetro que permite medir la velocidad del viento. Para la instalación del heliostato se han tenido en consideración los siguientes aspectos: 1. El SIR debe instalarse al norte del objetivo (en este caso el concentrador) y orientado hacia el sur. Figura 25. Disposición SIR 2. El SIR debe estar situado lo más cerca posible sobre la dirección que atraviesa el objetivo y que va de norte a sur. 3. El SIR debe instalarse tal que el objetivo deba estar situado con los siguientes límites: o Distancia al SIR: mínimo de 1 metro, máximo de 50 metros. o Respecto del plano horizontal: 20º por encima y 20º por debajo. 40 Figura 26. Instalación SIR La instalación final del mismo resultó como se puede ver en la Figura 27 que se muestra a continuación. Figura 27. Heliostato instalado en la azotea L1 1.4.1.1 Software de seguimiento al Sol (SSM) Como se ha comentado en apartados anteriores, el heliostato o SIR, cuenta con un sistema de seguimiento al Sol en dos ejes, el cual se puede configurar gracias al software SSM (Supervisión y Monitorización). Los pasos a seguir se pueden encontrar en el “Manual de instalación” del sistema de iluminación solar (SIR). Una vez iniciado la interfaz del programa es la que se muestra en la Figura 28, lo primero que se debe hacer es seleccionar el puerto y el heliostato que queremos configurar. En el caso a estudio, al únicamente contar con un heliostato el puerto será el COM1 y el heliostato el 1, como se muestra en la Figura 28. Tras esto se pulsa el botón PLAY para iniciar la comunicación con el sistema. Se confirma la comunicación cuando el indicador OFF situado a la derecha de la pestaña puerto se pone en ON y de color verde. 41 Figura 28. Interfaz del software SSM [Anexo 1: Manual del SIR] Una vez hecho esto los indicadores de errores permanecen en verde y el estado del heliostato en Standby. Lo primero es modificar los parámetros “latitud” y “longitud” para proporcionarle los valores de localización en los que se encuentra el heliostato, con mínimo dos cifras decimales. Tras esto, se deben modificar los parámetros “objetivo de apuntamiento” de acimut y elevación con los valores obtenidos tras medir los ángulos de orientación e inclinación del soporte L (estructura del heliostato) con el sensor solar del mismo. Finalmente, se pulsará el botón de SINCRONIZAR RELOJ para que se actualice la fecha del software y posteriormente, con los botones de MOVIMIENTO (arriba y abajo para la elevación e izquierda y derecha para el acimut), se apuntará el SIR al lugar hacía donde se quieren reflejar los rayos (concentrador). Por último, se utiliza el botón FIJAR POSICIÓN para establecer la posición del heliostato y terminar la configuración del software. Una vez se han realizado los pasos anteriores y se ha calibrado el software se puede iniciar el modo seguimiento para que el heliostato, gracias al sensor solar, a los parámetros de “latitud” y “longitud” y al reloj, detecte la posición del Sol y comience el seguimiento. Para ello se pulsa el botón START y el heliostato comienza el proceso. El heliostato se orienta según la posición del Sol, sin embargo, cuando empieza este proceso salta un error de sobrecorriente (supera el valor máximo) y se detiene. Es por esto que, y de acuerdo con el manual, se ha contactado con el fabricante para una revisión. Si no fuese posible activar el modo seguimiento, se establecerá la posición del heliostato manualmente acorde con el día en el que se hagan las pruebas y la hora. Para establecer la posición se seguirán las mismas indicaciones descritas que para el último paso de la configuración, modificando la elevación y el acimut. 1.4.2 Concentrador El concentrador consta de 4 espejos independientes de aproximadamente 1 m2 cada uno, procedentes de la empresa Anson. Dicho sistema tiene una distancia focal de 1,525 m y cuenta con una estructura fija con posibilidad de giro y ajuste manual desarrollada por Ibercar. Todas las dimensiones del concentrador son las que se muestran en la Figura 22. En cuanto a las características técnicas del mismo, el fabricante de los espejos (Anson), nos proporciona la tabla que se puede encontrar en el Anexo 2: Especificaciones CST. De esta tabla podemos obtener información relevante sobre los espejos, pero no sobre el concentrador en sí, puesto que la estructura no la proporcionó Anson sino la empresa Ibercar. Es por esto que, aunque en la tabla aparezcan parámetros como la potencia térmica nominal, dimensiones totales y condiciones ambientales extremas a las que resiste (velocidad del viento), no son aplicables al concentrador puesto que la estructura no es la misma. 48 2 DEFINICIÓN DE OBJETIVOS El objetivo de este proyecto se basa en el análisis y estudio del diseño de la instalación completa del horno solar instalado en la azotea del edificio L1 de la ETSI para poder realizar la caracterización práctica del mismo. Para ello, se caracterizará teóricamente el modelo de horno a estudio, utilizando la herramienta informática Tonatiuh [23]. El objetivo de dicha caracterización es intentar establecer los márgenes de funcionamiento del horno previo a su puesta en marcha. Para ello se modelará de distintas maneras el horno en Tonatiuh intentando que se asemeje lo máximo posible al caso real, estudiando el resultado obtenido en cada modelo y elaborando una matriz de rendimiento óptico (cuya definición y objetivos serán detallados más adelante en el punto 3.1), para poder estimar el valor aproximado que se obtendría una vez puesto en marcha. Además, con el objetivo de diseñar el ensayo de caracterización práctica asegurando el correcto funcionamiento del sensor encargado de medir el flujo de potencia incidente, se estudiará la potencia obtenida y la distribución del flujo para diferentes posiciones del receptor. Es decir, se estudiarán estos parámetros situando el receptor en el foco del concentrador, desplazado hacía el concentrador y desplazado hacía el heliostato. Finalmente, se propone realizar el prediseño del resto de los componentes no definidos previamente en el horno, como los son el sensor de flujo, el sistema de refrigeración y el sistema de toma de datos, además del banco de trabajo. 49 50 3 CARACTERIZACIÓN TEÓRICA La caracterización teórica del horno consistirá en el modelaje y simulación del sistema instalado en la azotea del L1 en el software Tonatiuh. En este punto se detallará el procedimiento seguido y se estudiarán diferentes casuísticas y modelos de ensayo, comparándolos entre ellos y obteniendo conclusiones que serán relevantes de cara a la caracterización práctica del horno. Además, se obtendrá la distribución del flujo en el receptor para cada casuística y la matriz de eficiencia óptica que nos permitirá estimar el rendimiento óptico del sistema para cualquiera que sea la posición del Sol. 3.1 Matriz de eficiencia óptica El concepto de matriz de eficiencia óptica se emplea en el ámbito de la energía solar de concentración con el propósito de describir la eficiencia de un sistema de concentración en relación con diversas condiciones de posicionamiento del Sol (acimut y elevación). El ángulo de acimut solar es una medida angular utilizada para determinar la posición horizontal del Sol respecto a un punto de referencia, por lo tanto, depende del punto de referencia que se tome. Básicamente, este ángulo indica la dirección del Sol en el plano horizontal, expresada en grados desde el norte en sentido horario. Esto permite conocer con precisión la ubicación del Sol en cualquier momento y lugar. La referencia se puede establecer tanto en el Norte como en el Sur, es decir, fijando el 0 en uno de estos puntos cardinales. Es por esto, que será necesario tener en cuenta la referencia que toma este ángulo en función del software que se va a utilizar (Tonatiuh). El rango de valores entre los que se puede mover el acimut en Sevilla, que es realmente lo que resulta de interés en este proyecto, es aproximadamente entre los 60º y los 300º. Figura 33. Ángulo de acimut solar [24] El ángulo de elevación solar se refiere a la medida angular que indica la altura del Sol sobre el horizonte en un momento y lugar específicos. Este ángulo representa la inclinación vertical del Sol con respecto a un plano horizontal, y es el ángulo complementario al ángulo cenital. Esta magnitud es de gran relevancia en aplicaciones relacionadas con la energía solar, ya que permite optimizar su aprovechamiento y rendimiento óptico. Cabe destacar que el valor máximo de elevación solar en Sevilla, lugar donde está situado el horno solar a estudio, puede llegar a unos 76 º durante el solsticio de verano. 51 Figura 34. Ángulo de elevación solar [25] En esencia, una matriz de eficiencia óptica se representa como una tabla o matriz que expone el rendimiento óptico del sistema en cuestión, esto es el cociente entre la potencia que incide en el receptor del sistema y la potencia total incidente en el captador. La construcción de esta matriz se logra mediante la ejecución de mediciones experimentales o simulaciones computacionales, con el fin de examinar cómo varía la eficiencia de un sistema en respuesta a niveles variables de iluminación y características específicas del espectro solar. Los valores numéricos de la eficiencia óptica se obtendrán gracias a la siguiente fórmula: 𝜂𝑜𝑝𝑡 = 𝑃 𝐴 ∙ 𝐷𝑁𝐼 (4) Donde P es la potencia en el receptor obtenida en las simulaciones, A el área de captación y la DNI (Irradiancia Normal Directa) es una medida de la irradiación solar directa en una superficie perpendicular a la dirección del Sol. La matriz de eficiencia óptica resulta valiosa para evaluar y comparar el rendimiento de diversas modelizaciones del mismo sistema, así como para optimizar el diseño y la operación de dicho sistema. Cabe destacar que en una matriz de eficiencia óptica vienen recogidas todas las posibles pérdidas que puede sufrir un sistema y que serán recogidos en apartados posteriores (3.2). La matriz de eficiencia óptica se puede considerar simétrica siempre y cuando el sistema de estudio sea simétrico, puesto que dicha matriz depende de las relaciones geométricas del sistema. En el caso que atañe al proyecto, y dado que el sistema es simétrico puesto que está perfectamente alineado tanto en el eje N-S como en el E-O, la matriz será simétrica y por tanto no habrá que realizar simulaciones para todas las casuísticas de la misma. Sin embargo, para el primer caso a estudio (apartado 3.3.1), sí se comprobará dicha simetría realizando las simulaciones en todas las casuísticas. Esto se hará así para comprobar la magnitud del efecto del error de Tonatiuh en la matriz. Se puede concluir que el cálculo de la matriz de rendimiento óptico es fundamental para la evaluación y comparación de las diferentes casuísticas que se estudiarán en el proyecto, debido a la facilidad de interpolación entre los resultados y así la fácil obtención de la potencia incidente en el receptor para cualesquiera que sean los parámetros de elevación y acimut solar. 52 3.2 Tonatiuh Tonatiuh es un programa que realiza simulaciones óptico-energéticas de sistemas solares de concentración. Dichas simulaciones se llevan a cabo mediante el ensayo de trazado de rayos desde una fuente solar simulada y observando las interacciones entre los rayos y las superficies del sistema, siguiendo el método de Monte Carlo. Esta metodología consiste en “crear un modelo de resultados posibles mediante una distribución de probabilidad (por ejemplo, una distribución normal), para cualquier variable que tenga una incertidumbre adherente.” [26] . Este proceso se va repitiendo con diferentes conjuntos de números aleatorios cada vez, obteniendo así un gran número de resultados probables. Es por esto que, en lo referente a la aplicación directa del método de Monte Carlo en Tonatiuh, cuanto mayor sea el número de rayos trazados en la simulación, más preciso será el resultado. Esto se puede observar en la Figura 35. Una vez realizada la simulación tenemos dos opciones, o bien exportar los resultados en archivos SQL o archivos binarios los cuales contienen información del impacto de fotones sobre las superficies a estudiar, o bien la nueva versión de la herramienta nos permite generar una ventana en la que se pueden estudiar los resultados obtenidos. Esto facilita la interpretación de los resultados al no necesitar de un programa externo, como puede ser Matlab, Wolfram Mathematica o R Project, para poder ilustrar gráficamente la distribución de flujo en el sistema. Figura 36. Ejemplo resultados Tonatiuh [23] Figura 35. Error cometido en función del número de rayos lanzados [27] 53 3.2.1 Parámetros del programa Para poder realizar la simulación del sistema, primero se debe conocer cómo funciona el programa y los diferentes parámetros de entrada que definen el mismo y deben ser modificados. Para empezar, se establecerá una distribución óptica, geométrica y energética adecuada de la forma solar, así como las propiedades ópticas y la geometría de todos los elementos del sistema. 3.2.1.1 Forma Solar Tonatiuh denomina forma solar (“sun shape”) al concepto que “recoge las variaciones sobre la distribución radial de energía que presenta el Sol derivadas de considerarlo como fuente luminosa no puntual” [10]. Cuenta con dos distribuciones solares ya definidas. La primera es la distribución Pillbox, la cual es una distribución energética angular constante que toma al Sol (la fuente emisora de radiación en nuestro sistema) como una esfera uniforme con una temperatura equivalente de 5777 K, de manera que un observador lejano la percibiría como un disco perfecto con brillo constante. Figura 37. Distribución angular tipo Pillbox [23] Esta distribución sería la idónea para un caso ideal, sin embargo, es irreal debido a que existe un fenómeno conocido como oscurecimiento del borde, que se da en las estrellas y es provocado por las interacciones energéticas con las atmósferas gaseosas que dan lugar a una disminución de la intensidad de brillo. Por tanto, la radiación solar al atravesar la atmósfera terrestre interactúa con partículas de gran tamaño, dando lugar a fenómenos de absorción y difusión que producen una reducción de la intensidad del brillo. La segunda distribución, y más acertada para la modelización en cuestión, se trata de la forma solar de Buie. Esta se basa en la deducción realizada por el autor que da nombre a la misma, y es que si se representa la distribución energética del Sol como su relación circunsolar (CSR), esta es independiente de la ubicación geográfica. El CSR (χ) se define como “el flujo radiante contenido dentro de la región circunsolar del cielo (Φcs), dividido por el flujo radiante incidente (Φi), procedente tanto de la radiación directa como de la aureola solar.” [27] 𝜒 = Φ𝑐𝑠 Φ𝑖 (5) 54 Dos años después de esta deducción se definió el algoritmo que es usado para definir la forma solar de Buie. Este algoritmo es constante con la posición, es decir, que no varía con la ubicación geográfica. Además, demuestra que la relación circunsolar define la distribución espacial de la energía y por tanto se puede usar como un modelo genérico de forma solar (basado en el CSR). Es por esto por lo que mejora el modelo óptico de los sistemas de concentración solar y por lo que ha sido el modelo elegido para realizar los ensayos. Para la elección de la forma solar en Tonatiuh abrimos el menú “Environment”>”Sun Light”>“Define SunLight”. Una vez hecho esto se abrirá una ventana como la que podemos ver en la Figura 38. Figura 38. Ventana elección forma solar (Tonatiuh) [23] Cuando se selecciona la forma solar hay que introducir las propiedades físicas del Sol que las caracterizan, en este caso serán la irradiancia en W/m2 (parámetro común para ambas formas solares) y el CSR. Para elegir el valor de la irradiancia (I), se ha de tener en cuenta que se debe tomar el mismo valor de referencia tanto en el software como en el posterior cálculo de las matrices de rendimiento óptico, para poder calcular los valores de eficiencia óptica para cada posición del Sol. Por tanto, tomaremos los valores de 1000 y 0,02 respectivamente (aunque el valor de la irradiancia se tomará más que nada como referencia dado que no influirá en el resultado final obtenido, puesto que al dividir la potencia concentrada entre la incidente se va). Esto es así porque una matriz de rendimiento óptico se calcula para un punto específico y para ello se necesita conocer la DNI (irradiancia normal directa). A continuación, se necesita definir la posición aparente del Sol en el instante en el que se va a realizar el ensayo. Para ello se deben introducir dos parámetros, el acimut (ángulo respecto al eje Sur) y la elevación (respecto al plano del horizonte). 55 Figura 39. Ventana elección posición del Sol (Tonatiuh) [23] Debido a que uno de los objetivos de la caracterización teórica es realizar una matriz de rendimiento óptico, la posición del Sol irá variando a lo largo de los ensayos para poder obtener los diferentes valores de la energía obtenida en función de estos parámetros. En un primer ensayo a modo de prueba, para comprobar que el modelo funcionaba correctamente, se eligieron los valores de 180º de acimut y 76º de elevación, puesto que son los valores del mediodía solar en el solsticio de verano en Sevilla, esto es, la máxima altura solar alcanzada durante el año. Aunque queda un último parámetro para terminar de definir la forma solar, este no se puede seleccionar hasta que no esté el modelo terminado, pues es el área del Sol y esto no es más que las superficies (llamadas nodos en el programa) del modelo en las que no se desea que impacten los rayos del Sol a la hora de realizar los ensayos. En el caso de estudio que nos concierne serán todas menos el heliostato, que es la superficie en la que incidirán los rayos para posteriormente ser reflejados hacía el concentrador. Figura 40. Ventana área solar del modelo final (Tonatiuh) [23] 56 3.2.1.2 Atmósfera Para poder definir el modelo de transmisividad atmosférico del ensayo volvemos a abrir el menú “Environment”>”Transmissivity”>“Define Transmissivity”. Una vez ahí tendremos diversos modelos como opción posible. Para la realización de los ensayos se ha escogido el modelo de Ballestrín, en el cual el único parámetro característico que se ha de definir es el estado del cielo, en nuestro caso lo supondremos despejado. Figura 41. Ventana transmisividad atmosférica (Tonatiuh) [23] 3.2.1.3 Geometría Tonatiuh dispone de una gran variedad de formas geométricas para poder realizar el modelo (rectángulo, hiperboloide, cilindro, disco parabólico…). Figura 42. Formas geométricas disponibles (Tonatiuh) [23] Como ya se comentó anteriormente, la herramienta trabaja con nodos, es decir, cada superficie creada para el ensayo estará asignada a uno de ellos (llamados “group node” en el programa). A estos nodos se les proporcionarán unas coordenadas determinadas para poder situarlos en el espacio a conveniencia, según los ejes de coordenadas con los que trabaja Tonatiuh x,z,y (en ese orden), y una rotación respecto a los mismos (que se proporcionará en radianes). Una vez se ha definido el nodo y se le ha asociado un componente del sistema, se le debe asociar también la geometría correspondiente. Para ello debemos asignar al “group node” un nuevo tipo de nodo llamado “surface node”. Una vez hecho esto, únicamente se debe asignar al “surface node” la geometría deseada de entre todas las disponibles en el programa. 57 Figura 43. Tipos de nodos (Tonatiuh) [23] Al elegir la forma geométrica deseada, debemos introducir las características geométricas de la misma. Por ejemplo, para el caso del heliostato (que será representando por un rectángulo), se debe elegir el ancho y el largo del mismo, además de cuál es la cara activa (la que va a absorber o reflejar la radiación). Tonatiuh no permite, a diferencia de otros softwares de trazado de rayos como Soltrace, establecer las propiedades del material en ambas caras, por lo que no sería posible, por ejemplo, modelar un panel fotovoltaico bifacial. En el caso de un disco parabólico, los parámetros a introducir serían los mostrados en la Figura 44, siendo estos la distancia focal, el límite inferior y el superior del disco (Tonatiuh trata la superficie como un disco parabólico infinito que es acotado según los valores mínimos y máximos que le computemos), el ángulo máximo de apertura y la cara activa. Figura 44. Características geométricas disco parabólico (Tonatiuh) [23] Finalmente, para terminar de definir la geometría del nodo, es necesario especificar las características ópticas de cada componente. Para ello se disponen de varias opciones, siendo “Specular Estandar Material” (materiales especulares) y “Basic Refractive Material” (materiales refractarios) las más usadas. Figura 45. Tipos de propiedades ópticas de materiales (Tonatiuh) [23] 64 Figura 53. Modelo horno solar concentrador parabólico (2) Una vez que se ha caracterizado el modelo del horno solar, se procedió a simular el programa para diferentes valores de acimut y elevación. Estos valores van desde 50º a 310º en acimut, y de 5º hasta 90º en elevación. Aunque, como se comentó en el 3.1, en el emplazamiento del horno (Sevilla) el valor máximo de elevación es de 76º, por tanto, no todas las casuísticas serán aplicables para el modelo real. Esto se hace así para poder hallar la matriz de eficiencia óptica de este modelo. Como se comentó con anterioridad, para este caso se calculará la matriz de eficiencia óptica para todas las casuísticas estudiadas, mostrando así que el error cometido en la obtención de los resultados por el programa. Por tanto, para un área de captación de 6,25 m2 y suponiendo un concentrador parabólico de área real 4,3 m2 la matriz de eficiencia que se obtiene es la siguiente: Elevación (º) / Acimut (º) 5 15 25 45 65 75 90 50 0,3208 0,3314 0,3511 0,3937 0,4523 0,4701 0,4934 70 0,4194 0,4256 0,4371 0,4619 0,4878 0,4879 0,4929 90 0,4938 0,4973 0,5007 0,5169 0,5160 0,5041 0,4927 105 0,5311 0,5323 0,5344 0,5433 0,5296 0,5120 0,4929 120 0,5528 0,5529 0,5542 0,5555 0,5379 0,5190 0,4927 150 0,5589 0,5584 0,5584 0,5585 0,5455 0,5276 0,4939 180 0,1554 0,4325 0,5578 0,5588 0,5464 0,5312 0,4921 210 0,5568 0,5582 0,5591 0,5580 0,5452 0,5280 0,4926 240 0,5522 0,5532 0,5543 0,5547 0,5373 0,5201 0,4919 255 0,5313 0,5314 0,5346 0,5419 0,5299 0,5130 0,4929 270 0,4929 0,4960 0,5013 0,5170 0,5159 0,5039 0,4929 290 0,4190 0,4254 0,4369 0,4618 0,4876 0,4889 0,4932 310 0,3210 0,3319 0,3512 0,3932 0,4540 0,4710 0,4926 Tabla 1. Matriz de eficiencia óptica diseño simplificado 65 Como cabía esperar, el error del programa es prácticamente despreciable y se puede observar la simetría de la matriz. Además, puesto que no todas las casuísticas posibles de acimut y elevación solar se darán en el emplazamiento geográfico en el que está situado el horno, se ha dibujado en la gráfica una línea divisoria que separa las casuísticas posibles y las que no lo son. Esto se ha hecho con objeto de poder estudiar la eficiencia máxima real obtenible en el emplazamiento y no la teórica. Por ejemplo, y como se verá más adelante, la eficiencia óptica máxima se puede dar para un acimut de 150º y una elevación de 5º, sin embargo, no sería realista tomar ese valor para el estudio de cara al ensayo puesto que nunca sería alcanzable en la latitud en la que está ubicada el horno. Por tanto, se elegirá el máximo de entre los valores que estén dentro de las posiciones que realmente se puedan dar en el lugar. Finalmente, el valor de la elevación de 5º se descartará también puesto que, al estar el horno situado en una zona con altos edificios, cuando el Sol alcance esa elevación será bloqueado parcial o totalmente por estos y por tanto el resultado obtenido teóricamente no sería aplicable para el caso real. Una vez realizada las simulaciones, cabe destacar que para los valores de acimut (180º) y elevación (76º), posición en la que el Sol alcanza su altura máxima en la localización geográfica del horno, la potencia obtenida en el receptor es de 3301,53 W, suponiendo una DNI de 1000 W/m2. Sin embargo, el valor máximo de rendimiento de la matriz es de 0,559 para un acimut y elevación de 210º y 25º respectivamente, lo que corresponde a una potencia de 3494,67 W (suponiendo igualmente 1000 W/m2 de DNI). Hay que comentar que, en el 3.3.4, se discutirán con más detalle los resultados obtenidos para el valor de 180º de acimut, tanto en esta casuística como en las siguientes. Figura 54. Nodos modelo concentrador parabólico 66 Figura 55. Modelo concentrador parabólico (máxima potencia) Finalmente, podemos apreciar la distribución de flujo en el receptor para el caso más favorable en este modelo, correspondiente a un acimut de 210º y una elevación de 25º, en la siguiente figura: Figura 56. Distribución flujo incidente modelo simplificado Como se puede observar, el valor del flujo máximo para este modelo es de 4,996 MW/m2, un valor que, aunque obtenido en condiciones ideales teóricamente, es bastante elevado, al igual que los valores máximos obtenidos en los siguientes modelos. El flujo medio obtenido para esta casuística es de 349467 W/m2. 3.3.2 Diseño base (concentrador rectángulo parabólico 1.0) Para el segundo modelo se buscó una aproximación mayor al caso real. Para ello, el cambio más significativo se introdujo en la geometría del concentrador, que pasó de ser un disco parabólico a un cuadrado parabólico. Los dos group nodes que se definieron en el apartado anterior como “Heliostato” y “Receptor” no fueron modificados. Ambos conservan tanto la misma nomenclatura, como posición geométrica y características que en el apartado anterior. 67 El cambio más significativo se produjo en el group node “Concentrador”. Aunque tanto el nodo principal como el primer subnodos tienen las mismas características que los del apartado anterior, el surface node asociado a estos sí que cambia. Se le asignó una geometría de rectángulo parabólico, con una distancia focal de 1,5 metros y un largo y ancho de 2 metros. Con esto se obtuvo una forma geométrica muy similar a la del concentrador real. Finalmente se seleccionó como cara activa la interior y se le dio las propiedades especulares mencionadas en el apartado Geometría. Figura 57. Concentrador rectángulo parabólico 1.0 Con esto el resultado obtenido, se puede observar en la siguiente ilustración: Figura 58. Modelo horno solar concentrador rectángulo parabólico 1.0 68 Figura 59. Modelo horno solar concentrador cuadrado 1.0 (2) Una vez modelado, se procedió a comenzar con las simulaciones con el objetivo de obtener la matriz de rendimiento óptico. Para ello, se utilizaron los mismos valores tanto de acimut como de elevación del apartado anterior. Por tanto, la matriz de eficiencia óptica para este modelo queda de la siguiente manera: Elevación (º) / Acimut (º) 5 15 25 45 65 75 90 50 0,2993 0,3206 0,3588 0,4080 0,4470 0,4671 0,4967 70 0,4041 0,4174 0,4385 0,4781 0,4874 0,4902 0,4975 90 0,4983 0,5037 0,5085 0,5207 0,5274 0,5127 0,4973 105 0,5520 0,5474 0,5444 0,5453 0,5498 0,5266 0,4968 120 0,5623 0,5624 0,5614 0,5590 0,5593 0,5384 0,4971 150 0,5617 0,5624 0,5618 0,5628 0,5625 0,5508 0,4970 180 0,1454 0,4208 0,5622 0,5603 0,5623 0,5533 0,4965 210 0,5617 0,5624 0,5618 0,5628 0,5625 0,5508 0,4970 240 0,5623 0,5624 0,5614 0,5590 0,5593 0,5384 0,4971 255 0,5520 0,5474 0,5444 0,5453 0,5498 0,5266 0,4968 270 0,4983 0,5037 0,5085 0,5207 0,5274 0,5127 0,4973 290 0,4041 0,4174 0,4385 0,4781 0,4874 0,4902 0,4975 310 0,2993 0,3206 0,3588 0,4080 0,4470 0,4671 0,4967 Tabla 2. Matriz eficiencia óptica modelo rectángulo parabólico 1.0 69 De este modelo, se puede destacar que el valor máximo de la eficiencia óptica que se obtiene de la matriz es de 0,563, para una elevación de 45º y un acimut de 150º, lo que equivale a una potencia de 3517,68 W suponiendo una DNI incidente de 1000 W/m2 (destacar que, tanto en este modelo como en el anterior, la máxima eficiencia se da para 150 / 210 º, puesto que ambos ángulos son complementarios). Para los valores teóricos de obtención de la potencia calculados con anterioridad, 180º y 76º, se obtiene un valor de potencia de 3442,44 W. Figura 60. Nodos modelo rectángulo parabólico 1.0 Figura 61. Modelo rectángulo parabólico 1.0 (máxima potencia) Al igual que en el apartado anterior (3.3.1), la distribución del flujo incidente en el receptor para el caso de máximo rendimiento óptico (150º y 45º) se puede observar en la siguiente figura: 70 Figura 62. Distribución flujo incidente modelo base En este caso, se obtiene un valor máximo del flujo de 5,0375 MW/m2 en el foco, y un flujo medio de 351768 W/m2. 3.3.3 Diseño final (concentrador rectángulo parabólico 2.0) Se realizaron diversos intentos para crear el modelo final que se asemejara lo más posible al sistema real. Para lograrlo, el concentrador debería estar compuesto por 4 facetas que formaran un cuadrado parabólico, con un foco común para las 4. Sin embargo, a pesar de los esfuerzos realizados, como aumentar el tamaño del receptor para que las 4 facetas convergieran en él, probar primero con dos facetas, probar con 4 espejos diferentes en lugar de 4 facetas, etc., el resultado siempre era el mismo. Cada faceta o espejo tenía su propio foco, y aunque la distancia focal fuera la misma, el punto hacia donde se reflejaban los rayos no coincidía. En un principio se pensó que lo óptimo sería agrandar el tamaño del receptor para que todos los rayos concentrados coincidieran en él, sin embargo, esto planteaba un claro problema. A mayor tamaño del receptor, menor concentración de flujo por metro cuadrado puesto que este, al ver aumentando su tamaño, bloqueaba el paso de un mayor número de rayos, y por tanto los resultados obtenidos no eran válidos para caracterizar el sistema desde un punto de vista teórico. Es por esto por lo que se concluyó que la única forma de lograrlo sería proporcionar a cada faceta una orientación distinta, pero esto hacía que dejaran de formar un cuadrado, puesto que al girar tanto las facetas para que los focos coincidieran en el mismo punto, la figura cuadrada que formaba inicialmente se deformaba demasiado, por lo tanto, se descartó esta opción. A continuación, se presentan varios de los modelos descartados para este diseño final, por las razones expuestas anteriormente: Figura 63. Modelo 4 facetas (dependientes) 71 Figura 64. Modelo 4 espejos (independientes) Por tanto, la caracterización del modelo final se llevó a cabo de la siguiente manera, los group nodes que caracterizan al concentrador, al heliostato y al receptor están definidos por las mismas características tanto geométricas como del material que en el apartado anterior Diseño base (concentrador rectángulo parabólico 1.0). Los tres nodos cuentan con los mismos subnodos con igual nomenclatura, las mismas coordenadas geométricas, la misma orientación y las mismas propiedades y medidas, salvo por una excepción que se comentará a continuación. La principal diferencia está en un nuevo group node al que se le ha denominado como “Barras”. El objetivo de este nuevo nodo es emular la separación existente entre las 4 facetas del concentrador, para asimilar más si cabe el diseño final al modelo real. Es por esto que las medidas del surface node “Heliostato” tendrán que ser mayores, para así compensar el tamaño de las barras que opaca una pequeña parte de la superficie. Para ello este nodo no es más que una barra horizontal y otra vertical, paralelas entre sí, que atraviesan el espejo concentrador dividiéndolo en 4 espejos iguales. Estas barras se situarán pegadas al espejo, evitando en la medida de lo posible la proyección de sombras al mismo, y con una reflectividad de 0, al igual que el receptor. La composición de este group node es, un nodo general denominado “Barras”, el cual se traslada 5,85 en el eje y. A este nodo le pertenecerán dos subnodos, “Barra1” y “Barra2”. El primer subnodo mencionado se ubicó en las coordenadas x = 0, z = -1,02 e y = -0,2, con una orientación de 1 radián en el eje x y 1,57 en el eje y. El segundo subnodo está en x = -1,02, z = 0 e y = -0,2, siendo rotado 1 radian en el eje z y 1,57 en el y. A ambos subnodos se les asignará un surface node. El perteneciente al subnodo “Barra1” fue denominado de igual manera, y se le asignó una geometría cilíndrica de radio 0,03 metros y una longitud de 2,03 metros. La cara activa seleccionada es la interior, aunque debido al valor de su reflectividad (0), esta elección no supondrá ninguna modificación para la posterior simulación. El radio de la barra se obtuvo de la información proporcionada por el fabricante, Ibercar, respecto a las dimensiones acotadas del dispositivo (Figura 22). Es por ello por lo que se pudo calcular que el espacio entre las facetas era de aproximadamente 0,06 metros y por tanto este debía ser el diámetro del cilindro que se utilizado. El perteneciente al subnodo “Barra2”, también se denominó de igual manera que el subnodo y las características geométricas fueron exactamente las mismas que para el surface node “Barra1”. 72 Figura 65. Concentrador rectángulo parabólico 2.0 Figura 66. Concentrador rectángulo parabólico 2.0 (2) Finalmente, el modelo final queda tal y como se puede ver en la siguiente figura: Figura 67. Modelo horno solar concentrador rectángulo parabólico 2.0 Figura 68. Modelo horno solar concentrador rectángulo parabólico 2.0 (2) 73 Una vez que se ha caracterizado por completo el último modelo se procedió a realizar las simulaciones pertinentes con el fin de completar la matriz de eficiencia óptica. Para ello se volvieron a realizar las simulaciones para los mismos valores de acimut y elevación de los apartados anteriores, obteniendo en este caso el siguiente resultado: Elevación (º) / Acimut (º) 5 15 25 45 65 75 90 50 0,2764 0,2980 0,3359 0,3778 0,4179 0,4401 0,4700 70 0,3794 0,3924 0,4126 0,4522 0,4580 0,4632 0,4703 90 0,4715 0,4784 0,4833 0,4959 0,4998 0,4862 0,4707 105 0,5288 0,5246 0,5212 0,5226 0,5241 0,4998 0,4703 120 0,5434 0,5428 0,5406 0,5388 0,5371 0,5115 0,4707 150 0,5436 0,5421 0,5426 0,5425 0,5424 0,5256 0,4706 180 0,1425 0,3953 0,5432 0,5429 0,5422 0,5280 0,4704 210 0,5436 0,5421 0,5426 0,5425 0,5424 0,5256 0,4706 240 0,5434 0,5428 0,5406 0,5388 0,5371 0,5115 0,4707 255 0,5288 0,5246 0,5212 0,5226 0,5241 0,4998 0,4703 270 0,4715 0,4784 0,4833 0,4959 0,4998 0,4862 0,4707 290 0,3794 0,3924 0,4126 0,4522 0,4580 0,4632 0,4703 310 0,2764 0,2980 0,3359 0,3778 0,4179 0,4401 0,4700 Tabla 3. Matriz eficiencia óptica modelo rectángulo parabólico 2.0 Cabe destacar que para los valores de acimut y elevación con los que se teorizó en experimentos previos (180º y 76º), la potencia obtenida en el receptor es de 3301,53 W y el valor máximo de rendimiento de la matriz es de 0,54364 para un acimut de 150º y una elevación de 5º, lo que corresponde a una potencia de 3397,75 W. Sin embargo, como ya se ha comentado, en la latitud en la que se encuentra el horno no se va a alcanzar una altura tan baja para dicho valor de acimut; y el siguiente valor máximo, aunque alcanzable en días cercanos al solsticio de invierno (120º acimut y 5º de elevación), también se descartará debido a los altos edificios que rodean la zona en la que está situado el horno. Es por esto por lo que el valor de la eficiencia óptica que es máximo y representativo para el caso a estudio es para 180º de acimut y 45º de elevación, cuando las pérdidas por factor coseno son más pequeñas y el heliostato no se ve sombreado por el concentrador. La eficiencia óptica obtenida es de 0,54288, lo que resulta en una potencia máxima de 3393,03 W. 80  180º acimut ; 29º elevación: 2,986 kW (potencia total) ; 716492 W/m2 (flujo máximo) Figura 78. Mapa distribución de flujo caso I (b) Figura 79. Gráfica distribución de flujo caso I (b) Como se puede observar en estas figuras, la distribución de flujo varía notablemente desplazando el receptor únicamente 5 centímetros del foco. Los rayos, en lugar de incidir concentrados en un único punto, al acercar el receptor al concentrador, inciden en una superficie mayor del receptor. El flujo pasa de estar completamente concentrado en un área de 0,005 m2 (se puede ver en la Figura 71), a concentrarse en un área de 0,015 m2 aproximadamente, es decir, prácticamente el triple del área. Esto provoca que el área afectada por este sea mayor y que, por tanto, la potencia en el receptor disminuya. Como se ha podido observar, la distribución de flujo también se verá afectada, y como consecuencia el flujo máximo, puesto que los puntos en los que se alcanza dicho valor se van alejando del centro del receptor. Este efecto se podrá ir observando a lo largo del desarrollo de este apartado. Adicionalmente, hay que destacar que la diferencia entre las dos posiciones solares estudiadas no es muy grande, algo que se repetirá a lo largo de las casuísticas. 81 3.3.5.1.2 Receptor desplazado 0,1 metros del foco (a 4,45 metros del heliostato) En este apartado, se estudiará la distribución de flujo en el receptor cuando este es desplazado 0,1 metros del foco en dirección al concentrador.  180º acimut; 76º elevación: 1,25 kW (potencia total); 316171 W/m2 (flujo máximo) Figura 80. Mapa distribución de flujo caso II (a) Figura 81. Gráfica distribución de flujo caso II (a) 82  180º acimut; 29º elevación: 1,246 kW (potencia total); 321842kW/m2 (flujo máximo) Figura 82. Mapa distribución de flujo caso II (b) Figura 83. Gráfica distribución de flujo caso II (b) Como se ha podido observar en este apartado, al desplazar 10 centímetros el receptor del foco, los rayos inciden prácticamente en la totalidad de este, es decir, en un área de 0,05 m2. Esto, junto con el efecto del desbordamiento que provoca que parte de los rayos concentrados no incidan en el receptor, conlleva una disminución mayor aún de la potencia en el receptor. Adicionalmente a esto, se empieza a observar como la mayor parte del flujo ya no incide en el centro del receptor, sino en la zona más exterior, esto se debe a que al desplazar el receptor más cerca del concentrador, los rayos inciden antes de converger en el foco, por lo que a medida que se vaya acercando el receptor, el flujo incidente lo hará en la zona exterior. 3.3.5.1.3 Receptor desplazado 0,15 metros del foco (a 4,5 metros del heliostato) En esta casuística, el receptor estará desplazado 0,15 metros en la misma dirección que los anteriores.  180º acimut; 76º elevación: 0,55 kW (potencia total); 89028kW/m2 (flujo máximo) 83 Figura 84. Mapa distribución de flujo caso III (a) Figura 85. Gráfica distribución de flujo caso III (a)  180º acimut ; 29º elevación: 0,549 kW (potencia total) ; 110314 kW/m2 (flujo máximo) Figura 86. Mapa distribución de flujo caso III (b) 84 Figura 87. Gráfica distribución de flujo caso III (b) En este caso, se puede observar como a medida que el receptor se aleja del foco y se acerca aún más al concentrador, la distribución de flujo comienza a volverse uniforme por todo el receptor, excepto por la zona central, que se va extendiendo poco a poco en dirección horizontal y vertical (eje x e y). Esto ocurre así debido a lo que se comentó anteriormente, y es que cada vez que se coloca el receptor a mayor distancia del foco en dirección al concentrador, los rayos inciden antes de converger y por tanto se va creando la sectorización visible en la Figura 86. La presencia de las barras, las cuales están caracterizadas como elementos puramente absorbentes que no reflejan los rayos provenientes del heliostato, hace que el espejo concentrador se subdivida en 4 espejos, como el modelo real. Esta sectorización de la distribución del flujo es provocada porque al desplazar el receptor, los rayos reflejados de cada una de las 4 divisiones inciden en su sector correspondiente, puesto que están incidiendo antes de converger. Este efecto se puede observar con mayor claridad en la figura que se muestra a continuación, en la que se ha desplazado el receptor 35 centímetros del foco, y se observa cómo no hay apenas flujo incidente en la zona de la cruceta. El flujo que llega a dicha zona se puede considerar como residual. Figura 88. Mapa distribución de flujo (180º acimut; 76º elevación) Esto demuestra que la distribución de flujo es así gracias en parte a la presencia de las barras, que son las que dividen el concentrador en 4 partes, permitiendo así asemejar lo máximo posible el modelo teórico a la realidad. Si no se hubieran colocado las barras, la distribución de flujo quedaría de acuerdo con la Figura 89, que no es más que la distribución resultante de cortar la convergencia de los rayos, la cual es proyectada en este modelo como un cono. Al estar el flujo incidente reflejado por completo en un único espejo este sería el resultado. 85 Figura 89. Mapa distribución de flujo (modelo sin barras ; 180º acimut ; 76º elevación) Los datos obtenidos de flujo máximo (kW) en todas las simulaciones realizadas para este apartado se muestran en la siguiente tabla: Posición solar (º) / Desplazamiento (m) 0,05 0,075 0,1 0,125 0,15 0,35 0,65 Acimut 180º / Elevación 76º 701,87 316,17 188,08 123,63 89,03 15,21 5,73 Acimut 180º / Elevación 29º 716,49 321,84 186,71 131,27 91,15 16,21 6,21 Tabla 4. Flujo máximo en función de la variación del slant range hacia el concentrador 3.3.5.2 Receptor desplazado hacía el heliostato Para esta segunda casuística, el receptor ha sido desplazado situándolo entre el foco y el heliostato. Como cabía esperar, los resultados obtenidos no difieren apenas de los obtenidos en el apartado anterior, esto es debido a que ahora los rayos en vez de incidir antes de converger en el foco lo hacen una vez comienzan a divergir. Sin embargo, esto no modifica apenas la distribución de flujo, la cual, viendo las gráficas del Anexo 4: Mapas de distribución de flujo al variar el slant range hacía heliostato, se puede concluir que es simétrica, salvo por las pequeñas diferencias derivadas del error de cálculo del programa (teóricamente, la simetría sí se conserva al variar el slant range). En la realidad sin embargo estas diferencias podrían verse acentuadas debido a que, para la casuística a tratar en este apartado, los rayos concentrados deben recorrer mayor distancia hasta incidir en el receptor, lo cual puede provocar una pérdida de flujo debido a la interacción con las partículas que haya en el aire, o a la dispersión de estos. Estás pérdidas las contempla de manera general Tonatiuh y podrían causar alguna leve diferencia en el momento de realizar el ensayo práctico. Debido a esto, y por estar del lado de la seguridad, los ensayos se realizarán desplazando el receptor en dirección al heliostato y no al revés, viéndose esta decisión también influida por otros factores que se comentarán en el apartado 5. Puesto que los resultados obtenidos no difieren del caso anterior, estos se muestran en la siguiente tabla, mientras que los mapas de distribución de flujo se pueden consultar en el Anexo 4: Mapas de distribución de flujo al variar el slant range hacía heliostato. 86 Posición solar (A/E) / Desplazamiento (m) 0,05 0,075 0,1 0,125 0,15 0,35 0,65 180º / 76º 712,78 320,09 185,18 126,60 88,70 17,63 4,96 180º / 29º 731,39 319,91 186,71 125,07 86,87 18,34 5,38 Tabla 5. Flujo máximo en función de la variación del slant range hacia el heliostato 87 88 4 CARACTERIZACIÓN PRÁCTICA El objetivo final de este proyecto es diseñar el ensayo que se debe realizar para caracterizar experimentalmente el horno solar descrito en el apartado 1.4. Para dicha caracterización, será necesario diseñar un banco de pruebas, situado en el foco del concentrador en el cual poder situar el receptor o el material sobre el que se quiera ensayar. Adicionalmente, para regular la distribución del flujo y tener un mayor control de la potencia incidente en el receptor es recomendable instalar un atenuador 4.1 Banco de pruebas El banco de pruebas se situará a una distancia de 1,525 metros del concentrador (a su distancia focal). Este constará de una estructura como la que se puede observar en la Figura 90, que dará soporte a unas pinzas de laboratorio cubiertas con material refractario las cuales sostendrán al material sobre el que se vayan a realizar los ensayos. Figura 90. Banco de pruebas Para fijar las pinzas a la estructura se utilizará una barra fija que irá unida anclada a la estructura conforme se puede observar en la Figura 91. Figura 91. Anclaje banco-barra 89 Finalmente, para los primeros ensayos, las pinzas recubiertas con material refractario sostendrán una loza de cerámica a la cual irá conectada el sensor de flujo con el fin de poder realizar las mediciones pertinentes. Figura 92. Pinzas recubiertas de material refractario 4.2 Sensor de flujo Un sensor de flujo de calor es un dispositivo utilizado para medir la cantidad de energía térmica que fluye a través de un sistema en un momento dado. El sensor utiliza diferentes técnicas de medición, como la medición de la temperatura y el flujo del fluido, para calcular la cantidad de calor transferido en el sistema. Estos sensores se utilizan en una variedad de aplicaciones en ingeniería, desde la medición de la eficiencia energética en sistemas de climatización hasta la monitorización de la transferencia de calor en procesos industriales En nuestro caso, para poder obtener los datos de los ensayos se ha adquirido un sensor de flujo GG01 Gardon gauge (Figura 93) de la empresa Hukseflux. Es un sensor enfriado por agua que mide el flujo de calor incidente en una superficie. Es capaz de medir el flujo en un rango desde 0 a 250 kW/m2 el de menor rango, hasta 1000 kW/m2 el de mayor, y, al estar equipado con un absorbente negro, facilita la medición en entornos en los que el flujo de calor esté dominado por la radiación. Además de esto, cuenta con un detector abierto que le permite ser sensible al flujo de calor convectivo. Figura 93 . Sensor de flujo GG01 Gardon gauge de la emprsa Hukseflux [47] 96 4.4 Sistema de refrigeración Un sistema de refrigeración se puede definir como un dispositivo o conjunto de dispositivos, componentes y procesos diseñados para mantener una temperatura baja o controlada en un determinado espacio o sistema. Su objetivo principal es extraer el calor del ambiente o de un objeto para mantenerlo a una temperatura deseada. Consiste en un ciclo se repite continuamente, asegurando la extracción y disipación constante de calor, manteniendo así la temperatura controlada en el espacio o sistema en el que se aplica el sistema de refrigeración. Inicialmente se consideró la opción de utilizar como sistema de refrigeración una de las opciones recomendadas por el fabricante del sensor de flujo. Debido a los altos valores máximos teóricos obtenidos en las simulaciones con el programa de trazado de rayos Tonatiuh, se estudió la posibilidad de utilizar un enfriador de agua de circuito cerrado con un intercambiador de calor convectivo, del fabricante Julabo. De entre todos los modelos disponibles proporcionados en la página web del fabricante, el más idóneo debido a sus características y a las requeridas por el sensor (temperatura de operación máxima 85ºC), se consideró usar el modelo FC Chiller FC1600. Este modelo cuenta con las siguientes características más destacadas:  Rango de temperatura de operación (ºC): -20 … 80  Capacidad de refrigeración (kW): 1,65  Capacidad de caudal de la bomba (l/min): 20 Figura 103. FC1600 Chiller [30] Sin embargo, finalmente se decidió optar por una opción más económica que no supusiera un nuevo desembolso en otro componente del ensayo, un sistema de refrigeración mediante agua. Para ello inicialmente se tuvieron en cuenta los datos proporcionados por el fabricante del sensor de flujo en su manual de características. Según este, y como ya se ha comentado con anterioridad, el sensor necesita un caudal de agua de refrigeración para mantener la temperatura del agua a la salida por debajo de 80ºC. Sin embargo, el caudal requerido variará dependiendo del valor del flujo de calor, la instalación y las condiciones en las que se encuentre el sensor. Es por esto que, aunque la potencia máxima teórica obtenida del horno sea muy elevada, dado que no se espera que el horno, por sus condiciones de montaje, mantenimiento, condiciones ambientales, etc… pueda proporcionar el calor máximo obtenido en las condiciones más favorables en los ensayos teóricos (3,39 kW para una elevación de 45º y un acimut de 180º), se optará por este valor para estar dimensionar correctamente el flujo (estando siempre del lado de la seguridad). Para calcular el caudal de agua necesario para mantener la temperatura del agua de salida en todo momento por debajo de los 80ºC, recurriremos a la ecuación de la transferencia de calor y cambio de temperatura. 97 𝑄 = 𝑚󰇗 · 𝐶𝑝· ∆𝑇 (5) Siendo Q la cantidad de calor transferida en kW, 𝑚󰇗 el caudal de agua de refrigeración en kg/s, Cp la capacidad calorífica del agua en kJ/(kg·K) y ∆𝑇 el incremento de temperatura del agua a la entrada y a la salida. Despejando la ecuación de abajo obtenemos el caudal de agua en función de los demás parámetros de la siguiente manera: 𝑚󰇗 = 𝑄 𝐶𝑝· ∆𝑇 (5) Los datos que se van a usar para poder hallar el caudal máximo de agua impulsada que se necesita para refrigerar el sistema van a ser:  Q = 3,39 kW (Calor máximo teórico que puede llegar a alcanzar el horno)  Cp = 4,2 kJ/(kg·K)  Tsalida = 80ºC  Tentrada = 15,5ºC (Temperatura media mensual del agua de red) [31] Con esto se obtiene un caudal máximo de agua de aproximadamente 0,0125 kg/s, lo que equivaldría a unos 0,75 l/min. El caudal obtenido es un valor teórico que tendrá que compararse con el necesario una vez realizadas las primeras pruebas del caso práctico. Sin embargo, estos valores se han obtenido teniendo en cuenta que el sistema va a funcionar en condiciones ideales, lo que no será así puesto que los estudios no se realizarán siempre con la elevación y el acimut en los que se alcanza dicho valor, y el sistema tiene pérdidas no contempladas en el modelado teórico mediante Tonatiuh, como por ejemplo la suciedad tanto del heliostato como del concentrador, la capacidad conductiva del objeto receptor y el estado del cielo en el momento del experimento. Por ello, para poder obtener una aproximación del flujo de refrigeración real que es necesario para evacuar el calor del sensor, primero se necesitará realizar una prueba previa del sistema. El sistema de refrigeración por tanto constará de unos conductos de unos 15 metros de largo y 4 mm de diámetro, que irán desde la toma de agua situada en la azotea del L1 de la ETSI hasta el sensor de flujo situado en el foco del concentrador, y cuyo caudal será regulado mediante una válvula reguladora de flujo instalada a la salida de la toma de agua. 98 99 5 CONCLUSIONES En el presente trabajo se lleva a cabo la caracterización teórica del flujo incidente en un horno solar instalado en la ETSI con el objeto de diseñar el ensayo que se debe realizar para poder caracterizarlo experimentalmente de forma adecuada. Para cumplir dicho objetivo, además de las pertinentes simulaciones y modelajes en el programa Tonatiuh, también se han analizado el resto de los componentes del horno necesarios para llevar a cabo dichos ensayos, como lo son el banco de pruebas, el sensor de flujo y el sistema de refrigeración. El flujo máximo alcanzable por el horno en las condiciones de ensayo más favorables (180º acimut y 45º elevación y DNI de 1000 W/m2) es de 5104 kW/m2, como se indica en el apartado 4.2, la cantidad de flujo máxima que puede medir el sensor adquirido es de 1000 kW/m2, por lo que, en estas condiciones, el sensor no sería capaz de medir el flujo si se colocase en el centro del receptor. Si tenemos en cuenta que esta cantidad de flujo se da para unas condiciones de acimut y elevación que no son las habituales para el emplazamiento del horno, y escogemos en su lugar el valor del flujo obtenido en las condiciones de simulación del solsticio de verano en la provincia de Sevilla (acimut 180º y elevación 76º y DNI de 1000 W/m2), el valor del flujo máximo obtenido es de 4892,1 kW/m2, siendo este valor igualmente muy superior al máximo del sensor. Es por esto por lo que se han estudiado diferentes casuísticas, desplazando el receptor del foco, gracias a las cuales podemos establecer una situación que nos permita realizar ensayos con el horno estando siempre en el lado de la seguridad. Para ello, se ha variado el slant range, tanto acercando el receptor al heliostato como alejando el receptor del heliostato. Gracias a los casos estudiados, se puede concluir que no es necesario desplazar el receptor una gran distancia para poder realizar los ensayos deseados. Si se tienen en cuenta los resultados obtenidos, y tomando como válida la hipótesis de la simetría en la variación del slant range (anteriormente comprobada), se obtiene que, a partir de un desplazamiento de sólo 5 centímetros, el flujo máximo será de 712,775 kJ/m2 para las condiciones de acimut y elevación del solsticio de verano con DNI de 1000 W/m2. Con esto se demuestra que, desplazando mínimamente el receptor del foco, los ensayos prácticos se podrían realizar sin impedimento con los componentes de los que se dispone. Aun así, cabe destacar que existe otra manera de medir el flujo incidente en el receptor que no implica una pérdida de potencia total en este, es decir, que no implica necesariamente variar el slant range. Esto se puede conseguir colocando el sensor de flujo en vez de en el centro del receptor, lugar donde se concentra el flujo, en una zona algo más exterior. Para el caso de máxima potencia, se observa como a medida que la distancia con respecto al centro crece, el flujo incidente se reduce, llegando a ser inferior a 1000 kW/m2 cuando esta distancia es superior a ± 0,02 metros tanto en el eje x como en el y. Es por eso por lo que, si se coloca el sensor en una zona exterior, alejado del centro, a una distancia mayor de 0,02 metros, el flujo incidente no superará el valor máximo y se podrán llevar a cabo los ensayos de forma segura. Finalmente, se concluye que, para poder realizar ensayos con los componentes disponibles, o bien se debe desplazar el sensor 2 centímetros del centro del receptor si este está situado en el foco, o bien se debe desplazar el receptor del foco una distancia de como mínimo 4,5 centímetros (destacar que este sería el desplazamiento mínimo, siendo el óptimo para movernos del lado de la seguridad 5 centímetros como se ha comentado en el párrafo anterior). Cabe resaltar que como esta distancia es pequeña no importa hacía que lado se desplace, si en dirección al heliostato o al concentrador, puesto que no variará (como ya se demostró la simetría en el apartado 3.3.5.2). Aun así, en el caso de necesitar desplazar el foco distancias mayores, aunque para el caso real también debería mantenerse la simetría, se recomienda realizar los ensayos siempre desplazando el receptor hacía el heliostato, puesto que la distancia entre el concentrador y el foco es menor y podría resultar más peligroso. Por último, cabe mencionar que previamente a la caracterización práctica del horno debe hacerse una revisión del correcto apunte de las facetas que forman el concentrador y comprobar que los focos de todas las facetas coinciden. Esto se hará realizando un canteo de cada faceta individualmente, bloqueando las otras con algún material, y comprobando cuál es su foco real y que coincide con los de las demás. Con esto se espera que el flujo máximo obtenido en el receptor se reduzca a una cuarta parte del flujo obtenido cuando concentran los 4 espejos, pudiendo realizar el canteo del lado de la seguridad. 100 101 REFERENCIAS [1] O. 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