COLECTORES CONCENTRADORES
INTRODUCCIÓN
Existen muchas aplicaciones,
sobre todo a nivel industrial, donde se necesita que la energía
sea liberada a altas temperaturas. Como se mencionó en el capítulo
anterior, esto no se puede lograr con los colectores solares planos debido
a las características propias de este tipo de colectores y a que
la radiación solar es una energía de baja intensidad. En
consecuencia, para obtener temperaturas altas (arriba de los 100 °C),
se hace necesario incrementar la intensidad de la energía solar.
Esto se puede lograr disminuyendo el área por donde ocurren las
pérdidas de calor, e interponiendo un dispositivo óptico
entre la fuente de radiación (sol) y la superficie absorbedora,
que debe ser pequeña comparada con la del dispositivo óptico.
Esta es precisamente la función que desempeñan los colectores
concentradores. De esta manera, en el absorbedor, podemos tener densidades
de energía que van desde 1.5 hasta varios miles de veces la radiación
solar que llega al sistema óptico.
Con los colectores concentradores de energía
solar, se pueden obtener temperaturas entre 100 y 500 °C si se usan
colectores focales rudimentarios, entre 500 y 1500 °C si el sistema
óptico de los colectores tiene un buen acabado y entre 1500 y 3500
°C si el sistema óptico tiene un acabado perfecto.
Aunque con este tipo de colectores se pueden
obtener altas temperaturas de operación, estos presentan varios
problemas técnicos 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 únicamente la energía solar directa.
Por otra parte, el acabado de las superficies que constituyen el sistema
óptico no sólo debe ser de buena calidad, sino que debe mantener
sus propiedades por largos períodos de tiempo sin ser deterioradas
por el polvo, lluvia y medio ambiente, donde generalmente existen componentes
oxidantes y corrosivos. También las demandas de los materiales utilizados
en el receptor (aislante térmico, fluido de trabajo, tubos absorbedores
y cubiertas) son mayores en este tipo de colectores, debido a que es ahí
donde se obtienen las altas temperaturas.
En resumen podemos decir que los problemas
de operación 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 sólo permiten incrementos moderados de
la intensidad de la radiación solar.
DIFERENTES TIPOS DE COLECTORES
CONCENTRADORES.
Existe una gran variedad
de colectores concentradores, pero podemos decir que todos ellos pueden
clasificarse en dos categorías básicas: los de enfoque y
los fijos o semifijos. Los concentradores de enfoque constan fundamentalmente
de tres partes: el concentrador ó sistema óptico, 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 sólo
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.
1. Tipos de concentradores.
Los tipos de concentradores
se pueden clasificar de acuerdo a diferentes tópicos. Una clasificación
se refiere a si el concentrador es reflector o refractor. El primero utiliza
una superficie reflejante para concentrar la radiación solar, mientras
que el segundo lo hace mediante superficies apropiadas que hacen la refracción
de la luz solar.
También se puede obtener una clasificación
respecto a donde se afoca la luz reflejada o refractada en el concentrador
solar. Los concentradores cilíndricos o lineales, afocan sobre una
línea, mientras que los que son superficies de revolución
o circulares, afocan sobre un punto. Finalmente, podemos hacer una clasificación
respecto al tipo de sección que presente el concentrador. Los más
comunes son de sección parabólica, sección esférica
y de sección plana.
2. Tipos de receptores.
Existe también
una gran variedad de receptores. El receptor es la parte donde la energía
solar se convierte en calor. Este incluye el absorbedor y en ocasiones
cubiertas y aislante. Los tipos de receptores pueden ser cóncavos,
convexos, planos, hemisféricos, cilíndricos, elípticos
y concavidades. Cada uno de estos puede ser lineal o puntual.
3. Tipos de seguidores de sol.
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 cilíndricos
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. También podemos hablar
de mecanismos automáticos 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 resumen podemos decir que con esta
amplia gama de diseños, es difícil desarrollar análisis
generales aplicables a todos los tipos de colectores concentradores, y
por lo tanto, sólo se verán los casos más comunes.
Actualmente se sigue trabajando sobre diversos diseños.
CONCENTRADORES DE ENFOQUE.
Existen diversos tipos de concentradores
de enfoque. En esta parte haremos un análisis de los más
comunes. Para poder obtener las más altas temperaturas posibles,
el concentrador debe tener la capacidad de formar una imagen nítida
del disco solar en el receptor y este debe ser del tamaño mínimo
que pueda contener esa misma imagen del sol.
1. Lentes de Fresnel.
Una alta razón
de concentración 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 refracción la radiación
solar incidente en un receptor posicionado centralmente. Podemos tener
concentradores lineales y circulares. Los que utilizan lentes Fresnel lineales
pueden colocarse en hileras, requiriendo sólo un seguimiento unidimensional
del sol.
En la actualidad se fabrican lentes de Fresnel
en acrílico vaciado, con alta calidad óptica, aunque son
deteriorados por la incidencia directa de la radiación solar.
2. Concentradores parabólicos.
Los concentradores
parabólicos también pueden ser lineales o circulares. Como
ya se mencionó antes, los circulares pueden tener razones de concentración
máximas muy grandes (45,000), comparada con los lineales (212).
CONCENTRADORES FIJOS O SEMIFIJOS.
Es bueno considerar este
tipo de colectores concentradores debido a que requieren un mínimo
de seguimiento al sol e incluso pueden permanecer definitivamente en forma
estacionaria. Además, tienen la capacidad de también aprovechar
la radiación difusa. Las temperaturas que podemos obtener con estos
dispositivos son moderadas, pero aún así son de interés
debido a que un gran porcentaje del calor requerido en los procesos industriales
y comerciales, requieren de temperaturas relativamente bajas. A continuación
se describe un tipo de concentrador que puede estar fijo o semifijo y que
presenta aspectos muy interesantes.
. Concentrador parabólico
compuesto (CPC).
Este tipo de colectores
concentradores también es conocido como colector de Winston. Este
tipo de colectores concentradores pueden ser lineales o circulares, aunque
son potencialmente más útiles los lineales
Tenemos que cada lado
del CPC es una parábola, donde en la parábola del lado derecho
hay el foco y su eje. Cada parábola se extiende hasta que su superficie
sea paralela con el eje del CPC. El ángulo entre el eje del CPC
y la línea que conecta el foco de una de las parábolas con
la orilla opuesta de la apertura es el ángulo medio de aceptación.
Si el reflector es perfecto, cualquier radiación que entre en la
apertura, será reflejado hacia el receptor ubicado en la base del
concentrador por reflexiones entre las dos secciones parabólicas.
En este tipo de colectores concentradores, la
razón de concentración queda en función del ángulo
de aceptación.
Cuanto más pequeño
sea el ángulo de aceptación, mayor será la concentración
y viceversa. Por razones de diseño propias de este tipo de colectores
fijos, los ángulos de aceptación en la práctica deben
ser amplios. A medida que el ángulo de aceptación se va haciendo
pequeño, se hace necesario darle orientación al CPC, además
de que la altura que debería tener es demasiado grande y por lo
tanto impráctica. Por otro lado, el que el ángulo de aceptación
sea grande, ofrece tres ventajas muy importantes:
1.
Permite la operación del concentrador por períodos de tiempo
extensos sin necesidad de ajustar su orientación.
2. Permite el empleo de superficies reflejantes
no muy precisas.
3. Permite la captación y concentración
de una porción de la radiación difusa.
Reduce el uso de materiales y por lo tanto
el costo del CPC, además de que justamente en la región truncada
es donde ocurre el mayor número de reflexiones de la radiación,
y al eliminarla, se reduce considerablemente el número de reflexiones
de la radiación solar incidente en el colector.
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