MORELOS IEEE 5º Congreso Internacional en Innovación y Desarrollo Tecnológico, 10 al 12 de octubre de 2007, Cuernavaca, Morelos, México Calor de proceso mediante la Tecnología de Canal Parabólica: una aplicación práctica. J. Rafael Ramírez Benitez, Carlos Ramos Berumen, Javier Lagunas M. Instituto de Investigaciones Eléctricas Cuernavaca, Morelos, 62490 México Resumen: El Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) a través de la Gerencia de Energías No Convencionales (GENC), ha impulsado la investigación y desarrollo en el campo de la concentración solar. Los concentradores solares de canal parabólica tienen diversas alternativas de aplicación como es la generación de calor de proceso para su uso en múltiples actividades tanto a nivel industrial como domestico, siendo posible utilizar esta tecnología para el calentamiento de agua en una gama muy amplia de micro y mediana empresa que esta interesada en utilizar la energía solar como fuente de energía. La línea de trabajo en la GENC se enfoca al desarrollo de esta tecnología con diseños propios, caracterización, pruebas y mejoras, lo que permitirá su optimización para conformar un paquete tecnológico. En este artículo se presenta la aplicación de esta tecnología en una estación experimental instalada en una lavandería en Torreón Coahuila, donde se realizaron actividades en diferentes etapas tales como el diseño, construcción e instalación de un modulo de canal parabólica, puesta en operación y análisis de información generada. Palabras clave: Energía solar, canal parabólica, calor de proceso Abstract: The Electrical Research Institute (IIE) through the Non Conventional Energy Management (GENC) has impelled the R+D in the field of the solar concentration. The solar concentrators of parabolic trough have diverse alternatives of application like the heat generation of process for his use in multiple activities at industrial level interested in using the solar energy. The line of work in the GENC focuses to the development of this technology with own designs, characterization, tests and improvements, which will allow its optimization to conform a technological package. In this article the application of this technology in an installed experimental station in a laundry in Coahuila appears where activities in different stages were made such as the design, construction and installation of one parabolic trough system. Keywords: Solar energy, parabolic trough, process heat Introducción: El área termo-solar de la GENC ha trabajado con la tecnología de concentradores solares para generación de calor de proceso, actualmente se tienen tres estaciones experimentales funcionando. La experiencia adquirida por el IIE al diseñar, fabricar, instalar, realizar pruebas operacionales y preparar los manuales para la operación y mantenimiento de estas estaciones experimentales [1], lo que ha permitido mejorar los prototipos; cuya finalidad es conformar un paquete tecnológico que permita transferir la tecnología una vez que halla sido demostrada su aplicación en la industria. Durante el desarrollo de estas actividades se tuvo contacto con empresarios de diversas zonas del país, con la finalidad de mostrar las ventajas al utilizar la energía solar como fuente primaria de energía para generar calor de proceso. Como respuesta un empresario de Torreón Coahuila, acepto colaborar con el IIE para desarrollar diversas pruebas con una estación experimental a concentración solar de canal parabólica y aplicarla en una lavandería. Se visitó la zona donde se establecieron los requerimientos necesarios para realizar la instalación de la estación experimental. Durante este período de actividades se platicó a los futuros usuarios las condiciones de operación y mantenimiento requeridos por la estación para su óptimo funcionamiento. Canal parabólica (CP). El concentrador solar, esta diseñado en forma modular y esta formado de un eje receptor, estructura, superficie reflejante, sistema de seguimiento solar, sistema de control y adquisición de datos [2]. Cada módulo es de aproximadamente 7m² de área de captación, se utilizan láminas de aluminio como superficie reflejante, se utilizó un eje receptor formado por un tubo de acero al carbón cubierto con una superficie selectiva negra y tubos de vidrio de 6cm de diámetro adaptados con soportes de teflón resistente a altas temperaturas; la estructura es de tubular cuadrado con solera en los extremos para dar la forma a la parábola, en la figura 1 se observa una vista del concentrador. Ciindet 2007 art 167 vf
Principio de operación. Las CP tienen seguimiento solar en uno o dos ejes, este prototipo utiliza un solo eje mediante un mecanismo controlado por un software. El seguimiento es en dirección este a oeste, se concentra la energía solar por medio de la superficie reflejante que se mantiene perpendicular al sol y hace incidir la energía solar sobre el eje receptor que se encuentra en línea focal del canal, transformando la energía solar en energía térmica que se transfiere al fluido caloportador. [3] dirección este-oeste y en forma perpendicular se determina la posición de instalación del concentrador solar, en la figura 2 se observa la posición del concentrador visto desde un edificio cercano. Figura 2.- Vista aérea del concentrador. Figura 1.- Perfil del concentrador Instalación. El diseño y construcción del concentrador se realizó en Cuernavaca Morelos, diversos estudios han demostrado que en el territorio nacional existen grandes áreas con alta radiación donde es aplicable esta tecnología [4]. Se consideró para su instalación la ciudad de Torreón, donde en los meses mas calurosos la radiación solar supera los 1000 W/m², con temperaturas en el medio ambiente por arriba de los 35ºC, con baja nubosidad la mayor parte del año. Una vez seleccionado el lugar que fue la azotea del edificio donde se encuentra la lavandería y aprobada la superficie, área libre de sombras, para instalar el sistema de anclaje, se transporto la estructura y sus componentes para instalar la estación experimental. Determinar dirección Norte-Sur.- Mediante un proceso de sombreado se realizó el proceso para seguir el movimiento del sol y determinar la dirección nortesur, esta prueba se realiza aproximadamente 2 horas antes y dos horas después del medio día solar, este procedimiento permite trazar una curva de sombras de donde se obtienen las diferentes posiciones del sol en la Anclaje del sistema.- Una vez establecida la dirección de instalación del concentrador, se determinan las distancias donde serán ancladas las bases del canal, en un principio se pretendía colocar la estructura central sobre la columna principal de la construcción, finalmente se decidió colocar una viga de perfil tipo I, para el soporte central y para las bases de los extremos se coloco una placa de acero soportada por las vigas de la estructura. Colocación de estructura y componentes:- Una vez colocadas las placas y la viga central, se instalaron las bases de la estructura y se montaron los módulos soportados por chumaceras en los extremos. A continuación se colocaron las láminas reflejantes sobre la parábola del canal. El eje receptor esta soportado por elementos de teflón, que permite fijar el eje sobre la superficie de la estructura y es atornillada para dar mayor seguridad. En la figura 3 se observa la estructura y sus componentes ya instalados. Instalación de tuberías.- La tubería está compuesta de tubos de cobre y accesorios que permiten transportar el fluido caloportador hacia el eje receptor y el tanque de almacenamiento. Se aisló la tubería y el tanque de almacenamiento con lana mineral prefabricada, cubierto con lámina y sujeta con tirantes de aluminio para evitar pérdidas térmicas, como se observa en la figura 4 y 5. Pág. 2
Figura 3.- Estructura y componentes Figura 6.- Sistema de control Figura 4.- Tubería aislada Figura 7.- Sensor de temperatura Sistema de seguimiento solar.- Se utiliza un servomotor con un brazo actuador para lograr el movimiento en un solo eje mediante un software diseñado para este fin. En la figura 8 se observa el brazo actuador. Figura 5.- Aislando el tanque de almacenamiento Instrumentación del canal.- Se instalaron sensores de temperatura, presión y flujo para obtener las condiciones de operación del sistema y poder evaluar su comportamiento, estos instrumentos están conectados al sistema de control diseñado para este fin, como se observa en las figuras 6 y 7. Datos climatológicos.- El recurso solar es la fuente primaria de energía del concentrador solar por lo que es importante contar con un adquisitor de datos climatológicos para conocer las condiciones atmosféricas que permitirán evaluar este sistema. El equipo utilizado es un piranometro que mide la radiación solar global incidente sobre una superficie, El anemómetro y la veleta que sirve para medir la velocidad y dirección de viento; Bulbo de temperatura para medir la temperatura ambiente, conectado a un sistema adquisitor de datos que se alimenta mediante un panel fotovoltaico, como se observa en la figura 9. Pág. 3
diversos horarios de operación; se verificó el flujo de agua y se cambió el tipo de bomba utilizado; cerrando las válvulas de alimentación se controlaron flujos desde 45lpm hasta 20lpm. Figura 8.- Actuador instalado Figura 10.- Vista general de la estación ya instalada Figura 9.- Estación climatológica Figura 11.- Vista posterior Una vista general de la estación experimental ya instalada se puede observar en las figuras 10 a 12. Pruebas operacionales.-las condiciones de operación de este prototipo se establecieron de acuerdo a la temperatura requerida por el usuario. El circuito de alimentación, el cual esta directamente conectado al tanque de almacenamiento que alimenta las lavadoras, se mantuvo con temperaturas entre 60-70 C, temperatura solicitada por el usuario para utilizar el fluido caloportador en sus equipos de lavado, temperaturas mayores pueden causar daños a las prendas y al equipo de lavado. Durante el período de pruebas pre-operacionales se mantuvo trabajando la estación en forma parcial y la información generada por el sistema no permite establecer el comportamiento de la estación durante esta etapa. Algunas de las pruebas incluían verificar el sistema de seguimiento solar, mediante visualización directa se determinaba el enfoque del concentrador en Figura 12.- Concentrador operando A finales del 2006 se realizaron actividades de mejora a la estación experimental las cuales incluyeron: la automatización de la bomba de recirculación, modificación al soporte del brazo actuador, limpieza de las láminas reflejantes y mantenimiento general al sistema de recirculación. Se capacito al usuario para dar seguimiento a la operación y mantenimiento de la Pág. 4
estación. En la figura 13 se observa el proceso de limpieza de la estación experimental. Esta estación experimental ha demostrado que es posible utilizar la energía solar como fuente primaria de energía y utilizarse en procesos que requieren calor de proceso. Se pretende en un futuro próximo realizar actividades de mejora al equipo y buscar la forma de optimizar el comportamiento y los componentes de la estación experimental. Referencias Figura 13.- Proceso de limpieza Se ha mantenido en operación continua la estación experimental, los reportes recibidos indican que el sistema de seguimiento y control han operando correctamente, se mantiene el horario programado de operación que es de 5 horas diarias, manteniendo temperaturas comprendidas entre 60-70 C por necesidades de usuario, se tiene la capacidad de incrementar la capacidad del tanque de almacenamiento para aprovechar al máximo la energía térmica colectada. Se esta trabajando en coordinación con el usuario para realizar mejoras al sistema, que incluye incrementar el tiempo de operación de la estación, variar los flujos de trabajo, utilizar un tanque de almacenamiento de mayor capacidad. Estas actividades van encaminadas a optimizar los componentes de la estación experimental, debe quedar claro que estamos trabajando con prototipos y estos requieren de un mayor análisis para lograr su optimización y pasar a la siguiente etapa. El análisis de costo-beneficio de esta tecnología se hará una vez que se halla logrado llegar al punto óptimo de la tecnología y se tenga conformado como paquete tecnológico. Actividades que se reportarán en un siguiente documento, para realizar el análisis de la información generada. Conclusiones La estación experimental ha estado operando en forma continúa los siete días a la semana, con temperaturas promedio de 60-70 C. Condiciones establecidas por el usuario. [1] Ramos, C., et al., Sistema Termosolar a Concentración de Canal Parabólica para Generación de Calor de Proceso, Informe Anual IIE/01/14/11774/I003/F, Diciembre 2002, México [2] J. Rafael Ramírez Benitez; Carlos Ramos Berumen; Javier Lagunas Desarrollo y aplicación de la Tecnología de Canal Parabólica en México, 4 Congreso Internacional en Innovación y Desarrollo Tecnológico. CIINDET 2004, IEEE-S.M. [3] IEA SolarPACES Web site, http://www.solarpaces.org [4] Miranda, U., Elaboración de un mapa digital de radiación solar global diaria promedio anual de la República Mexicana, NT GENC/UMM/011/99, GENC/IIE, Agosto 1999, México. Agradecimientos Se agradece al Instituto de Investigaciones Eléctricas por las facilidades otorgadas para el desarrollo de este proyecto. Agradecemos a la Lavandería La Rosa de Torreón Coahuila, por el apoyo en la aplicación de la tecnología de CP en sus instalaciones. Dirección del autores: Calle Reforma 113, edif. 35 1er piso, Col. Palmira, Cuernavaca, Morelos, México. CP 62490 email: rramirez@iie.org.mx, cramos@iie.org.mx; jlagunas@iie.org.mx Pág. 5