IV CONFERENCIA LATINO AMERICANA Y XVII SIMPOSIO PERUANO DE

ENERGA SOLAR

DISEO Y CONSTRUCCION DE UN PROTOTIPO DE UN SECTOR DE HORNO SOLAR DE ALTA

TEMPERATURA

Julio L. Warthon Ascarza, Virgilio Ayala Chacmani, Amanda Olarte Prez, Jess Rubio Cceres

Facultad de Ciencias Qumicas Fsica y Matemticas, UNSAAC

INTRODUCCION

Uno de los factores que contribuye notablemente a la

contaminacin atmosfrica es la producida por las fabricas de

materiales de construccin y hornos artesanales, estos hornos

convencionales utilizan grandes cantidades de lea y otros

insumos que contaminan el medio ambiente.

Este trabajo consiste en el DISEO Y CONSTRUCCION DE UN

PROTOTIPO DE HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA

(CASQUETE ESFERICO), orientado a la obtencin de materiales

de construccin y al estudio de materiales cermicos

OBJETIVOS GENERALES

Disear y construir un prototipo de casquete de

horno solar de alta temperatura

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Estudio de materiales

Plantear y proponer un sistema de

automatizacin de seguimiento del Sol.

Horno Solar de Odeillo que se encuentra en el Departamento de los Pirineos Orientales al sur de

Francia y que est considerado el mayor horno solar del mundo, con una potencia de 1000 kW ydebe su renombre mundial a su especializacin en investigacin de la concentracin de laradiacin solar y del comportamiento de los materiales sometidos a condiciones de temperaturaextrema.

DISEO DEL CONCENTRADOR SOLAR DE ALTA TEMPERATURA

Primeramente realizaremos un repaso sobre las ecuaciones matemticas de la parbola y el paraboloide.

La ecuacin de una parbola cuyo eje es vertical es de la forma

La ecuacin de una parbola cuyo eje es horizontal es de la forma

Ecuacin involucrando la distancia focal

Ecuacin de una parbola vertical.

La ecuacin de una parbola con vrtice

en (0,0) y foco en (0,p) es

PARABOLOIDE ELPTICO

PERFIL DEL PROTOTIPO DE HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA

y = 0.06x2

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

1.80

2.00

2.20

2.40

2.60

2.80

3.00

3.20

3.40

3.60

3.80

4.00

4.20

4.40

4.60

4.80

5.00

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 2.20 2.40 2.60 2.80 3.00 3.20 3.40 3.60 3.80 4.00 4.20 4.40 4.60 4.80

x (m)

y (

m)

DIMENSIONES DE LA PARABOLA DE REVOLUCION QUE GENERA UN PARABOLOIDE

y = 0.0625x2

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

-10.00 -9.00 -8.00 -7.00 -6.00 -5.00 -4.00 -3.00 -2.00 -1.00 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00

x (m)

y (m

) Foco

DISEO DE UN SECTOR O TIRA DE ESPEJO SEMIDOBLE

sectores de superficie reflectante en base de espejos de uso comercial

La figura geomtrica de cada rea es de un trapecio issceles

La rigidez del espejo de vidrio, varia cuando los lados no paralelos del trapecio issceles es mucho mayor que los lados paralelos.

C=2.40 m

H=0.19m

C=2.40 m

L

H=0.19m

El trapecio issceles adquiere la forma (perfil) de una parbola, que debido a su caractersticas refleja todos los rayos en un solo punto, concentrndose

de esta forma la energa solar en un punto o en un rea pequea. Esto

permite multiplicar la energa solar que a su vez permite alcanzar altas

temperaturas en el foco.

DETERMINACIN DE LA RADIACION CONCENTRADA EN EL FOCO

Para determinar este incremento se emplea el principio de conservacin de la energa:

La energa que llega del Sol hacia el concentrador es E1 , y la energa que se refleja de las superficie hacia el foco es E2 , sin embargo por tratarse de un fenmeno real, existe perdidas debido a la interaccin de la energa con la materia, es decir, esta perdida se produce cuando la luz solar incide sobre el espejo y luego se refleja.

Tericamente se debe cumplir:

Experimentalmente:

Donde es la energa que se pierde en la interaccin.

La relacin de reas nos permite determinar la relacin de incremento de la intensidad de radiacin y asimismo de la potencia.

La relacin obtenida en este proyectos es:

teConsE tan

21 EE

xEEE 21

tPtP .. 21 tAItAI 2211 1

2

2

1

A

A

I

I

xE

1

2

2

1

A

A

I

I

A1 (cm2) A2 (cm

2) C=A1 / A2

35000 10x10 =100 350.0

35000 20x20=400 87.5

35000 30x30=900 38.9

35000 40x40=1600 21.9

La relacin de reas nos permite determinar la relacin de incremento de la

intensidad de radiacin y asimismo de la potencia. Esta proporcin determina

el nivel de concentracin que se puede dar en el foco de la parbola. El rea A1aproximada es de 3.50 m2, en la siguiente tabla podemos ver el nivel de

concentracin de acuerdo a diferentes valores que se le puede dar al rea A2.

CONSTRUCCION DEL EQUIPO

A continuacin se tienen algunas fotografas del proceso de construccin del prototipo de horno solar.

Foto 1. Soldadura de la estructura metlica que cumplir

la funcin de soporte de los espejos.

Foto 2. Verificando la distancias entre los soportes del concentrador solar

Foto 3. Estructura metlica terminada

Foto 3. Estructura metlica terminada

INSTALACION DEL PROTOTIPO

Foto 4.- Colocacin de los tiras de espejos sobre la estructura

Foto 5. Pegado de los espejos con cinta adhesiva (de embalaje) para

asegurar su posicin a la estructura metlica y entre ellos.

PROCESO EXPERIMENTAL

Parte de las pruebas se hicieron en el patio del pabelln C delaUNSAAC

Foto 6. Se observa la incidencia de la luz solar concentrada sobre un objeto de prueba (madera

de 40 cmx 40 cmx 1 cm) a la altura del foco del prototipo de horno solar de alta temperatura.

Foto 7. Al inicio (2 minutos) se observa un ligero humo en la tabla ubicada en el foco

PRUEBA EXPERIMENTAL

MEDICION DIRECTA DE LA TEMPERATURA EN EL FOCO DEL

CONCENTRADOR

- La temperatura se midi utilizando un termmetro LASER PCE

550, se pudo realizar la medicin de la temperatura en el foco del

horno solar, pues un requisito es apuntar perpendicularmente

sobre la madera para obtener una seal de retorno sobre el

termmetro LASER. (Tabla 3.1)

MEDICION DE LA INTENSIDAD DE RADIACION

- La radiacin de la luz solar se ha medido sobre la superficie a

un costado del horno

solar. (Tabla 3.1)

HORA RADIACION (W/m2) TEMPERATURA (C)

12:07 73.4 125

12:34 80.3 60

12:40 766 70

12:45 768 60

12:53 770 120

12:55 770 170

12:57 660 180

1:06 654 220

1:07 658 235

1:08 664 240

1:11 726 250

1:12 714 252

MEDICION DE LA INTENSIDAD DE RADIACION

- La radiacin de la luz solar se ha medido sobre la superficie a un costado del horno

solar. (Tabla 1)

Tabla 1

INTENSIDAD DE RADIACION SOLAR EN FUNCION DEL TIEMPO

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

12:07 12:34 12:40 12:45 12:53 12:55 12:57 01:06 01:07 01:08 01:11 01:12

HORA (pm)

INT

EN

SID

AD

DE

RA

DIA

CI

N S

OL

AR

(W

/m2

)

TEMPERATURA EN EL FOCO EN FUNCION DEL TIEMPO

0

50

100

150

200

250

300

12:07 12:34 12:40 12:45 12:53 12:55 12:57 01:06 01:07 01:08 01:11 01:12

HORA (pm)

TE

MP

ER

AT

UR

A E

N E

L F

OC

O (

C)

IMPACTO AMBIENTAL

El impacto ambiental es prcticamente nulo, la energa solar no produce

desechos, ni residuos, basura, humos, polvos, vapores, ruidos, olores, etc.

ESTUDIO DE COSTOS

Una vez realizada la instalacin y hecha la inversin inicial, no se originan

gastos posteriores (a excepcin del mantenimiento); el consumo de energa es

totalmente gratuito; no utiliza combustibles, eliminando la incomodidad de tener

que aprovisionarse y el peligro de su almacenamiento.

ESTUDIO DE RESISTENCIA DE MATERIALES

Los materiales en estos hornos estn hechos de una estructura de fierro que

es muy resistente al calor al igual que los espejos.

COMPARACION CON HORNOS CONVENCIONALES

El Horno Solar principalmente no contamina el medio ambiente, ahorra

energa, no produce residuos y su fabricacin es de bajo costo.

A continuacin tenemos algunas fotos en donde se puede apreciar la capacidad de

concentracin del prototipo de horno solar de alta temperatura.

Foto 2. Se puede observar que la radiacin solar se concentra en un rea

relativamente pequea provocando el quemado del extremo superior del listn

de madera

Foto 3. Vista de prototipo del horno solar de alta temperatura

IV CONFERENCIA LATINO AMERICANA Y XVII SIMPOSIO PERUANO DE

ENERGA SOLAR

DISEO Y CONSTRUCCION DE UN PROTOTIPO DE UN SECTOR DE HORNO SOLAR DE ALTA

TEMPERATURA

Julio L. Warthon Ascarza, Virgilio Ayala Chacmani, Amanda Olarte Prez, Jess Rubio Cceres

Facultad de Ciencias Qumicas Fsica y Matemticas, UNSAAC

OTROS PROYECTOS DESARROLADOS POR EL GRUPO DE LA

UNSAAC

AEROBOMBA, COMUNIDAD CAMPESINA DE CHACACURQUI-ANTA

MANTENIMIENTO

Chacacurqui Anta

TERMA SOLAR TIPO SERPENTIN

COLECTORES SOLARES

MANGUERA EN

ESPIRAL

TUBERIA DE COBRE

Foto 3.- Colector tipo caja, este prototipo esta actualmente en prueba.

GRACIAS

UNSAAC