Existen muchas aplicaciones, sobre todo a nivel industrial, donde se necesita que
la energ�a sea liberada a altas temperaturas. Como se mencion� en el cap�tulo
anterior, esto no se puede lograr con los colectores solares planos debido a las
caracter�sticas propias de este tipo de colectores y a que la radiaci�n solar es una
energ bedor, podemos tener densidades de
energ�a que van desde 1.5 hasta varios miles de veces la radiaci�n solar que llega
al sistema �ptico.
Con los colectores concentradores de energ�a solar, se pueden obtener
temperaturas entre 100 y 500 �C si se usan colectores focales rudimentarios, entre
500 y 1500 �C si el sistema �ptico de los colectores tiene un buen acabado y entre
1500 y 3500 �C si el sistema �ptico tiene un acabado perfecto.
Aunque con este tipo de colectores se pueden obtener altas temperaturas
de operaci�n, estos presentan varios problemas t�cnicos desde el punto de vista
ingenieril comparados con los colectores solares planos. Deben orientarse
continuamente al sol de manera precisa mediante un mecanismo apropiado debido a
que este tipo de colectores utilizan �nicamente la energ�a solar directa. Por otra
parte, el acabado de las superficies que constituyen el sistema �ptico no s�lo debe
ser de buena calidad, sino que debe mantener sus propiedades por largos
per�odos de tiempo sin ser deterioradas por el polvo, lluvia y medio ambiente,
donde generalmente existen componentes oxidantes y corrosivos. Tambi�n las
demandas de los materiales utilizados en el receptor (aislante t�rmico, fluido de
trabajo, tubos absorbedores y cubiertas) son mayores en este tipo de colectores,
debido a que es ah� donde se obtienen las altas temperaturas.
En resumen podemos decir que los problemas de operaci�n que acabamos de
mencionar, junto con los costos elevados de los materiales utilizados en este tipo
de colectores focales, ha hecho que su uso no sea muy generalizado. Esto ha dado
cabida a que se trabaje en los colectores concentradores fijos. Estos no tienen las
desventajas de los de enfoque, aunque s�lo permiten incrementos moderados de la
intensidad de la radiaci�n solar.
6.2 DIFERENTES TIPOS DE COLECTORES CONCENTRADORES.
Existe una gran variedad de colectores concentradores, pero podemos decir que
todos ellos pueden clasificarse en dos categor�as b�sicas: los de enfoque y los
fijos o semifijos. Los concentradores de enfoque constan fundamentalmente de tres
partes: el concentrador � sistema �ptico, el receptor donde se encuentra el
absorbedor y un mecanismo de seguimiento para el sol. Los de enfoque necesitan
forzosamente un mecanismo para seguir el sol y con ellos se pueden lograr altas
temperaturas en el absorbedor. Los fijos o semifijos no necesitan del mecanismo
para seguir al sol, pero s�lo se pueden obtener temperaturas moderadas. Podemos
tener una gran variedad de concentradores, receptores y tipos de mecanismos
para seguir el sol, como se muestra enseguida.
Los tipos de concentradores se pueden clasificar de acuerdo a diferentes t�picos.
Una clasificaci�n se refiere a si el concentrador es reflector o refractor. El
primero utiliza una superficie reflejante para concentrar la radiaci�n solar,
mientras que el segundo lo hace mediante superficies apropiadas que hacen la
refracci�n de la luz solar.
Tambi�n se puede obtener una clasificaci�n respecto a donde se afoca la luz
reflejada o refractada en el concentrador solar. Los concentradores cil�ndricos o
lineales, afocan sobre una l�nea, mientras que los que son superficies de
revoluci�n o circulares, afocan sobre un punto. La figura 6.1 muestra un
diagrama de estos dos tipos de concentradores.Finalmente, podemos hacer una
clasificaci�n respecto al tipo de secci�n que presente el concentrador. Los m�s
comunes son de secci�n parab�lica, secci�n esf�rica y de secci�n plana. Indice
2. Tipos de receptores.
Existe tambi�n una gran variedad de receptores. El receptor es la parte donde la
energ�a solar se convierte en calor. Este incluye el absorbedor y en ocasiones
cubiertas y aislante. Los tipos de receptores pueden ser c�ncavos, convexos,
planos, hemisf�ricos, cil�ndricos, el�pticos y concavidades. Cada uno de estos
puede ser lineal o puntual.
Se han desarrollado muchos mecanismos dependiendo del tipo de colector. En
general podemos hablar de mecanismos con uno o dos ejes de movimiento. Los
concentradores cil�ndricos normalmente utilizan solo un eje de movimiento e
incluso pueden llegar a operar estando fijos. Los circulares necesitan los dos ejes
de movimiento para poder hacer un buen seguimiento del sol. Tambi�n podemos
hablar de mecanismos autom�ticos o mecanismos manuales. Los primeros se utilizan
para hacer un seguimiento continuo del sol y los segundos, cuando se tienen que
hacer ajustes diarios, semanales o mensuales del colector concentrador.
En la figura 6.2 se muestra una serie de configuraciones que pueden
utilizarse tanto en colectores tipo lineal como en los tipo circular. Desde luego
pueden existir m�s configuraciones que no son presentadas aqu�.
En resumen podemos decir que con esta amplia gama de dise�os, es dif�cil
desarrollar an�lisis generales aplicables a todos los tipos de colectores
concentradores, y por lo tanto, s�lo se ver�n los casos m�s comunes. Actualmente
se sigue trabajando sobre diversos dise�os.
Una manera de saber que temperaturas se pueden obtener en este tipo de
colectores concentradores, es a trav�s de la raz�n de concentraci�n, C. Esta se
define como la relaci�n entre el �rea efectiva de apertura Aa, y el �rea del
receptor Ar. El �rea efectiva de apertura se refiere al �rea proyectada no
sombreada del sistema �ptico. As�,
Esta raz�n de concentraci�n tiene un l�mite m�ximo que depende de si la
concentraci�n se hace en un concentrador circular como un paraboloide o en uno
lineal como un concentrador cil�ndrico parab�lico. As�, mediante un an�lisis -no
expuesto aqu�- basado en la segunda ley de la termodin�mica aplicada al
intercambio radioactivo entre el sol y el receptor, obtenemos que la raz�n de
concentraci�n m�xima para un concentrador circular o de superficie de revoluci�n
Cmax,c, viene dada por la siguiente ecuaci�n:
mientras que para un concentrador lineal o cil�ndrico, Cmax,l
es igual a:
donde _s es la mitad del �ngulo subtendido por el sol y es igual a 0.27�. As�, para
un concentrador circular, la raz�n m�xima de concentraci�n posible es de 45,000;
mientras que para un concentrador lineal el m�ximo es s�lo de 212.
Entre m�s alta es la temperatura a la cu�l la energ�a necesita ser liberada,
m�s alta debe ser la raz�n de concentraci�n y tambi�n m�s precisos deben ser los
componentes �pticos del concentrador y receptor y del mecanismo de seguimiento
del sol.
En la figura 6.3 se muestra un diagrama que nos relaciona los rangos
pr�cticos de concentraci�n que podemos obtener para diferentes tipos de sistemas
�pticos, con las temperaturas obtenidas en el receptor.
Existen diversos tipos de concentradores de enfoque. En esta parte haremos un
an�lisis de los m�s comunes. Para poder obtener las m�s altas temperaturas
posibles, el concentrador debe tener la capacidad de formar una imagen n�tida del
disco solar en el receptor y este debe ser del tama�o m�nimo que pueda contener
esa misma imagen del sol.
Una alta raz�n de concentraci�n puede lograrse por medio de los sistemas que
utilizan lentes de Fresnel. Estos pueden venir como un conjunto de lentes en una
sola unidad. Cada segmento concentra mediante refracci�n la radiaci�n solar
incidente en un receptor posicionado centralmente como se observa en la figura
6.4. Podemos tener concentradores lineales y circulares. Los que utilizan lentes
Fresnel lineales pueden colocarse en hileras, requiriendo s�lo un seguimiento
unidimensional del sol (ver figura 6.4.b).
En la actualidad se fabrican lentes de Fresnel en acr�lico vaciado, con alta
calidad �ptica, aunque son deteriorados por la incidencia directa de la radiaci�n
solar.
Los concentradores parab�licos tambi�n pueden ser lineales o circulares. Como ya
se mencion� antes, los circulares pueden tener razones de concentraci�n m�ximas
muy grandes (45,000), comparada con los lineales (212), y en las ecuaciones (2) y
(3) viene como se determinan. En la figura 6.5 se muestra esquem�ticamente un
concentrador de tipo parab�lico lineal con receptor el�ptico, el cual permite
alcanzar razones de concentraci�n moderadas.
Si hacemos un an�lisis detallado para encontrar la raz�n de concentraci�n
m�xima que pudi�ramos obtener del colector de la figura 6.5, tendr�amos lo
siguiente: Como se dijo anteriormente, el disco solar visto desde la tierra
subtiende un �ngulo de 32' de arco, cuando se encuentra a la distancia media del
sol. Por otro lado, es de suma importancia que en todos los concentradores de
enfoque, el disco solar sea enfocado por el sistema �ptico sobre el absorbedor.
Haciendo referencia a la misma figura, el ducto de secci�n el�ptica localizado en el
foco de la par�bola permite la extracci�n del calor �til por medio de un fluido de
trabajo que generalmente son diferentes tipos de aceites dependiendo de las
temperaturas que se puedan alcanzar en el absorbedor. El foco se encuentra
sobre la l�nea B-B' a una distancia a/2 del punta A y al doble de la distancia del
punto B. La mayor concentraci�n que puede obtenerse aqu� ser�a con un
absorbedor el�ptico del tama�o m�nimo que pueda contener la imagen del disco
solar. Se requiere un absorbedor el�ptico debido a la configuraci�n propia de este
colector.
Para poder conocer la raz�n de concentraci�n de este colector, primero
tenemos que calcular tanto el �rea de apertura del colector Aa, como la del
receptor Ar. Suponiendo que el colector tiene una longitud l, entonces el �rea de
apertura del colector es igual a:
mientras que el �rea del receptor es igual a:
donde E es el eje mayor de la elipse.
As�,
y E, por trigonometr�a de la figura 6.5.b, es igual a:
Finalmente
A�n cuando la raz�n de concentraci�n es independiente del tama�o, el valor
calculado arriba no es posible conseguirlo en la pr�ctica debido a las inherentes
p�rdidas por reflexi�n del sistema �ptico, al sombreado y posible suciedad del
sistema. Con este tipo de sistemas podemos obtener temperaturas de operaci�n del
orden de los 300 �C. (Ver figura 6.3).
Aunque aqu� hemos hecho el an�lisis de un colector parab�lico lineal con un
receptor el�ptico. Lo mismo se puede hacer para un colector parab�lico circular
(paraboloide), donde los receptores no necesariamente tienen que ser el�pticos.
Es bueno considerar este tipo de colectores concentradores debido a que
requieren un m�nimo de seguimiento al sol e incluso pueden permanecer
definitivamente en forma estacionaria. Adem�s, tienen la capacidad de tambi�n
aprovechar la radiaci�n difusa. Las temperaturas que podemos obtener con estos
dispositivos son moderadas, pero a�n as� son de inter�s debido a que un gran
porcentaje del calor requerido en los procesos industriales y comerciales,
requieren de temperaturas relativamente bajas. A continuaci�n se describe un
tipo de concentrador que puede estar fijo o semifijo y que presenta aspectos muy
interesantes.
Este tipo de colectores concentradores tambi�n es conocido como colector de
Winston. En la figura 6.6 se muestra el concepto b�sico de concentrador
parab�lico compuesto, CPC. Este tipo de colectores concentradores pueden ser
lineales o circulares, aunque son potencialmente m�s �tiles los lineales y por lo
tanto el siguiente an�lisis se refiere a ellos.
Analizando la figura 6.6, tenemos que cada lado del CPC es una par�bola,
donde en la par�bola del lado derecho se observa el foco y su eje. Cada par�bola
se extiende hasta que su superficie sea paralela con el eje del CPC. El �ngulo
entre el eje del CPC y la l�nea que conecta el foco de una de las par�bolas con la
orilla opuesta de la apertura es el �ngulo medio de aceptaci�n, _c. Si el reflector
es perfecto, cualquier radiaci�n que entre a la apertura entre + _c, ser� reflejado
hacia el receptor ubicado en la base del concentrador (d2) por reflexiones entre
las dos secciones parab�licas.
En este tipo de colectores concentradores, la raz�n de concentraci�n queda
en funci�n del �ngulo de aceptaci�n. As�,
Esta ecuaci�n nos indica que entre m�s peque�o sea el �ngulo de
aceptaci�n, mayor ser� la concentraci�n y viceversa. Por razones de dise�o
propias de este tipo de colectores fijos, los �ngulos de aceptaci�n en la pr�ctica
deben ser amplios. A medida que el �ngulo de aceptaci�n se va haciendo peque�o,
se hace necesario darle orientaci�n al CPC, adem�s de que la altura que deber�a
tener es demasiado grande y por lo tanto impr�ctica. Por otro lado, el que el
�ngulo de aceptaci�n sea grande, ofrece tres ventajas muy importantes:
1. Permite la operaci�n del concentrador por per�odos de tiempo extensos sin
necesidad de ajustar su orientaci�n.
2. Permite el empleo de superficies reflejantes no muy precisas.
3. Permite la captaci�n y concentraci�n de una porci�n de la radiaci�n difusa.
En la figura 6.7 se muestra una gr�fica de donde podemos obtener el
n�mero de veces que un CPC debe orientarse de acuerdo con la raz�n de
concentraci�n y por lo tanto del �ngulo de aceptaci�n.Por ejemplo, si el �ngulo
de aceptaci�n es de 90�, C es igual a la unidad y vemos que el colector debe tener
una sola posici�n a lo largo de todo el a�o, o sea, nos estamos refiriendo a los
colectores planos. Por otro lado, si el _c es muy peque�o (1� o menos), la raz�n
de concentraci�n anda entre 50 y 100, pero resulta que este colector ocupar�a
movimiento continuo durante todo el d�a, adem�s de que como ya lo mencionamos,
tendr�a una altura muy grande y pr�cticamente no se podr�a construir. Esta
altura (hc)la podemos determinar mediante la siguiente ecuaci�n:
Seg�n Rabl, la altura del CPC puede reducirse a la mitad del valor dictado
por la ecuaci�n anterior, sin afectar notablemente el funcionamiento del colector.
Esto es importante debido a que reduce el uso de materiales y por lo tanto el costo
del CPC, adem�s de que justamente en la regi�n truncada es donde ocurre el
mayor n�mero de reflexiones de la radiaci�n, y al eliminarla, se reduce
considerablemente el n�mero de reflexiones de la radiaci�n solar incidente en el
colector. Indice
