Mejoramiento del sistema de captación de la radiación solar y del seguidor solar para eficientar el desempeño de un horno solar de alta temperatura.

Transcripción

1 INFORME FINAL DE PROYECTO DE INVESTIGACION Proyecto: Mejoramiento del sistema de captación de la radiación solar y del seguidor solar para eficientar el desempeño de un horno solar de alta temperatura. Clave del Proyecto: RESUMEN La elaboración artesanal de tabiques de arcilla (ladrillo rojo recocido) para la industria de la construcción sigue siendo una actividad económica importante, de la cual dependen muchas familias mexicanas, la energía para el cocimiento se obtiene de la combustión de aceite quemado, recursos forestales, desechos industriales y domésticos para los cuales ha sido difícil implementar una reglamentación que evite la emisión de contaminantes a la atmósfera (muchos de ellos son altamente tóxicos). Dada la escasa capacidad económica de los productores artesanales de tabique, es difícil para implementar tecnologías avanzadas que permitan sustituir combustibles y usar procesos menos contaminantes. Este proyecto es una alternativa tecnológica basada en el empleo de energía solar para el cocimiento de los tabiques y evitar de esta manera las emisiones contaminantes. El proyecto consiste en la fabricación de prototipo de horno solar que quedara conformada con las siguientes partes: Cámara de cocción con una capacidad para 40 piezas, la que recibirá la luz concentrada del sol que captara el helióstato. El helióstato dirigirá la luz del Sol hacia el concentrador. El helióstato tiene un seguidor solar en dos ejes para garantizar que la irradiación solar siempre llegue al mismo sitio. La cámara funciona como un cuerpo negro que absorbe la radiación solar para generar calor. Aunque se describen cada uno de los elementos del sistema como son el helióstato, el concentrador y la cámara; el trabajo de investigación se reporta exclusivamente los adelantos logrados para hacer más eficientes los espejos del helióstato y el seguidor solar. INTRODUCCIÓN El proyecto desarrollado logrará la cocción de los tabiques (rojo recocido) empleados para la construcción de muros de viviendas, el cual sigue siendo un producto demandado por la industria de la construcción, la temperatura para la cocción de los tabiques es del rango de los 800 a 1000 C, los cuales se lograran en este desarrollo tecnológico con la radiación solar por medio de un helióstato (espejos que reflejaran la luz del sol), el cual realiza el seguimiento aparente del sol por medio de un seguidor solar rotación-elevación. El sistema trabaja con motores a pasos y tiene como plataforma una PC con un programa que calcula en tiempo real de la hora solar, así como los ángulos de seguimiento primario y secundario del helióstato.

2 La luz del sol reflejada mediante el helióstato es concentrada por medio de un espejo parabólico fuera de eje que concentra la luz recibida en la cavidad de cocción, lugar destinado a contener los tabiques de arcilla crudos. El objetivo de este proyecto es: 1. Hacer más eficiente el desempeño de los espejos y el seguidor solar para lograr una mayor captación de la radiación solar. Hipótesis Es posible alcanzar una temperatura entre 800 a 1050 ºC empleando una superficie con alto rendimiento de refleccion de la luz solar, aunado al helióstato que estará orientado siempre al sol por medio de un seguidor solar en dos ejes. Metas 1. Recolección de información bibliográfica en el ámbito nacional e internacional sobre el diseño y construcción de hornos solares. 2. Buscar los materiales más adecuados que garantice un mayor aprovechamiento de la radiación solar para lograr temperaturas de 800 a 1050 C. 3. Elaboración de reporte y difusión de resultados. MÉTODOS, MATERIALES Y RESULTADOS Con la concentración de la energía solar se logra alcanzar altas temperaturas suficientes para logra el cocimiento de los tabiques de arcilla de 800 a 1000 C, para dicho cometido se caracterizaran los siguientes materiales: Selección de superficies reflejantes. Se caracterizaron cuatro superficies reflejantes en las instalaciones del Centro Nacional de Metrología (CENAM), los materiales analizados fueron, Aluminio anodinado. película reflejante Betterware. Película reflejante 3M. Espejo de vidrio. Se determinó la reflectancia especular desde el ultravioleta hasta el infrarrojo (2500 nm), tal como se muestra en la Gráfica siguiente. Los materiales con los que se obtuvieron mejores resultados fueron el aluminio anodizado y la película reflejante Betterware.

3 Figura. fotografías de las muestras analizadas para determinar la reflectancia Gráfica 1. Reflectancia especular para la selección de superficies.

4 Ecuaciones de Fresnel En los metales se puede determinar la reflectancia mediante la ecuación de Fresnel. Considerando que el medio 1 es aire (n1 = 1) y el medio 2 es un metal el cual tiene un índice de refracción con componente compleja (m = n ik), donde k representa el índice absortivo [Jaramillo, 1998]; la reflectancia paralela ρ װ y perpendicular ρ quedan expresadas mediante las ecuaciones (1) y (2), (1) (2) (3) (4) La reflectancia de los espejos se calcula con las ecuaciones (3.1.) a la (3.5.), se determinó la reflectancia del aluminio para los equinoccios y los solsticios en un rango de longitud de onda de a 32 μm. (5)

5 De la Tabla 4.2. a la 4.5. y de la Gráfica 4.3. a la 4.6., se muestra la reflectancia del aluminio para el 22 de marzo, 21 de junio, 21 de septiembre y 21 de diciembre. Figura 2. Fotografía de la estructura del espejo Figura 2. Fotografía de la estructura del espejo con el espejo montado

6 Tabla 4.2. Reflectancia del espejo de aluminio (22.mar). Gráfica 4.3. Reflectancia vs. longitud de onda (22.mar, θ1 = º).

7 Tabla 4.3. Reflectancia del espejo de aluminio (21.jun). Gráfica 4.4. Reflectancia vs. longitud de onda (21.jun, θ1 = º)

8 En función de los resultados que se obtuvieron según la Grafica 1, el material más adecuado resulto el aluminio eloxidado, motivo por el cual los espejos se fabricaran con este material. A continuacion presentamos las fotografías del sistema del seguidor solar. IMPACTO El primer impacto logrado es la preparación de recursos humanos en posgrado, ya que esta investigación formo parte del proyecto de investigación para tema de tesis de un doctorado en tecnología avanzada, del cual se tiene ya el 90% de avance con el predoctoral ya cubierto. Con el horno solar para el cocimiento de tabiques se evitara el consumo de hidrocarburos y recursos forestales para generar la energía que se utiliza para el cocimiento y se podrá evitar el quemado o desaparición de residuos industriales y domésticos que generan una alta contaminación del ambiente en el proceso de combustión, practica que es muy común en las ladrilleras.