IV CONFERENCIA LATINO AMERICANA Y XVII SIMPOSIO PERUANO DE ENERGÍA SOLAR

DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN PROTOTIPO DE UN SECTOR DE HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA

Julio L. Warthon Ascarza, Virgilio Ayala Chacmani, Amanda Olarte Pérez, Jesús Rubio Cáceres

Facultad de Ciencias Químicas Física y Matemáticas, UNSAAC

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE

UN PROTOTIPO DE HORNO

SOLAR DE ALTA TEMPERATURA

Primera edición digital

Julio, 2011

Lima - Perú

© Julio Warthon Ascarza

Virgilio Ayala Chacmani

Amanda Olarte Pérez

Jesús Rubio Cáceres

PROYECTO LIBRO DIGITAL

PLD 0207

Editor: Víctor López Guzmán

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PROYECTO LIBRO DIGITAL (PLD)

El proyecto libro digital propone que los apuntes de clases, las tesis y los avances en investigación (papers) de las profesoras y profesores de las universidades peruanas sean convertidos en libro digital y difundidos por internet en forma gratuita a través de nuestra página web. Los recursos económicos disponibles para este proyecto provienen de las utilidades nuestras por los trabajos de edición y publicación a terceros, por lo tanto, son limitados.

Un libro digital, también conocido como e-book, eBook, ecolibro o libro electrónico, es una versión electrónica de la digitalización y diagramación de un libro que originariamente es editado para ser impreso en papel y que puede encontrarse en internet o en CD-ROM. Por, lo tanto, no reemplaza al libro impreso.

Entre las ventajas del libro digital se tienen:• su accesibilidad (se puede leer en cualquier parte que tenga electricidad),• su difusión globalizada (mediante internet nos da una gran independencia geográfica),• su incorporación a la carrera tecnológica y la posibilidad de disminuir la brecha digital (inseparable de la competición por la influencia cultural),• su aprovechamiento a los cambios de hábitos de los estudiantes asociados al internet y a las redes sociales (siendo la oportunidad de difundir, de una forma diferente, el conocimiento),• su realización permitirá disminuir o anular la percepción de nuestras élites políticas frente a la supuesta incompetencia de nuestras profesoras y profesores de producir libros, ponencias y trabajos de investiga-ción de alta calidad en los contenidos, y, que su existencia no está circunscrita solo a las letras.

Algunos objetivos que esperamos alcanzar:• Que el estudiante, como usuario final, tenga el curso que está llevando desarrollado como un libro (con todas las características de un libro impreso) en formato digital.• Que las profesoras y profesores actualicen la información dada a los estudiantes, mejorando sus contenidos, aplicaciones y ejemplos; pudiendo evaluar sus aportes y coherencia en los cursos que dicta.• Que las profesoras y profesores, y estudiantes logren una familiaridad con el uso de estas nuevas tecnologías.• El libro digital bien elaborado, permitirá dar un buen nivel de conocimientos a las alumnas y alumnos de las universidades nacionales y, especialmente, a los del interior del país donde la calidad de la educación actualmente es muy deficiente tanto por la infraestructura física como por el personal docente.• El pe r sona l docente jugará un r o l de tu to r, f ac i l i t ador y conductor de p r oyec tos

de investigación de las alumnas y alumnos tomando como base el libro digital y las direcciones electró-nicas recomendadas.• Que este proyecto ayude a las universidades nacionales en las acreditaciones internacionales y mejorar la sustentación de sus presupuestos anuales en el Congreso.

En el aspecto legal:• Las autoras o autores ceden sus derechos para esta edición digital, sin perder su autoría, permitiendo que su obra sea puesta en internet como descarga gratuita.• Las autoras o autores pueden hacer nuevas ediciones basadas o no en esta versión digital.

Lima - Perú, enero del 2011

“El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica” Víctor López Guzmán Editor

INTRODUCCION

Uno de los factores que contribuye notablemente a lacontaminación atmosférica es la producida por las fabricas demateriales de construcción y hornos artesanales, estos hornosconvencionales utilizan grandes cantidades de leña y otrosinsumos que contaminan el medio ambiente.

Este trabajo consiste en el DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UNPROTOTIPO DE HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA(CASQUETE ESFERICO), orientado a la obtención de materialesde construcción y al estudio de materiales cerámicos

OBJETIVOS GENERALES

Diseñar y construir un prototipo de casquete de

horno solar de alta temperatura

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Estudio de materiales

Plantear y proponer un sistema de

automatización de seguimiento del Sol.

Horno Solar de Odeillo que se encuentra en el Departamento de los Pirineos Orientales al sur deFrancia y que está considerado el mayor horno solar del mundo, con una potencia de 1000 kW ydebe su renombre mundial a su especialización en investigación de la concentración de laradiación solar y del comportamiento de los materiales sometidos a condiciones de temperaturaextrema.

DISEÑO DEL CONCENTRADOR SOLAR DE ALTA TEMPERATURA

Primeramente realizaremos un repaso sobre las ecuaciones matemáticas de la parábola y el paraboloide.

La ecuación de una parábola cuyo eje es vertical es de la forma

La ecuación de una parábola cuyo eje es horizontal es de la forma

Ecuación involucrando la distancia focal

Ecuación de una parábola vertical.

La ecuación de una parábola con vértice en (0,0) y foco en (0,p) es

PARABOLOIDE ELÍPTICO

La ecuación de una parábola cuyo eje es horizontal es de la forma

PERFIL DEL PROTOTIPO DE HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA

y = 0.06x 2

0.000.200.400.600.801.001.201.401.601.802.002.202.402.602.803.003.203.403.603.804.004.204.404.604.805.00

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

DISEÑO DE UN SECTOR O TIRA DE ESPEJO SEMIDOBLE

sectores de superficie reflectante en base de espejos de uso comercial

La figura geométrica de cada área es de un trapecio isósceles

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

C=2.40 m

H=0.19m

C=2.40 m

L

H=0.19m

•El trapecio isósceles adquiere la forma (perfil) de una parábola, que debido a su características refleja todos los rayos en un solo punto, concentrándose de esta forma la energía solar en un punto o en un área pequeña. Esto permite multiplicar la energía solar que a su vez permite alcanzar altas temperaturas en el foco.

DETERMINACIÓN DE LA RADIACION CONCENTRADA EN EL FOCO

Para determinar este incremento se emplea el principio de conservación de la energía:

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

Teóricamente se debe cumplir:

Experimentalmente:

Donde es la energía que se pierde en la interacción.

La relación de áreas nos permite determinar la relación de incremento de la intensidad de radiación y asimismo de la potencia.

La relación obtenida en este proyectos es:

teConsE tan

21 EE

xEEE 21

tPtP .. 21 tAItAI 2211 1

2

2

1

AA

II

xE

1

2

2

1

AA

II

A1 (cm2) A2 (cm2) C=A1 / A2

35000 10x10 =100 350.0

35000 20x20=400 87.5

35000 30x30=900 38.9

35000 40x40=1600 21.9

La relación de áreas nos permite determinar la relación de incremento de la intensidad de radiación y asimismo de la potencia. Esta proporción determina el nivel de concentración que se puede dar en el foco de la parábola. El área A1aproximada es de 3.50 m2, en la siguiente tabla podemos ver el nivel de concentración de acuerdo a diferentes valores que se le puede dar al área A2.

CONSTRUCCION DEL EQUIPO

A continuación se tienen algunas fotografías del proceso de construcción del prototipo de horno solar.

Foto 1. Soldadura de la estructura metálica que cumplirá la función de soporte de los espejos.

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

Foto 3. Estructura metálica terminada

Foto 3. Estructura metálica terminada

INSTALACION DEL PROTOTIPO

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

Foto 5. Pegado de los espejos con cinta adhesiva (de embalaje) para asegurar su posición a la estructura metálica y entre ellos.

PROCESO EXPERIMENTAL

Parte de las pruebas se hicieron en el patio del pabellón “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 midió utilizando un termómetro LASER PCE 550, se pudo realizar la medición de la temperatura en el foco del horno solar, pues un requisito es apuntar perpendicularmente sobre la madera para obtener una señal de retorno sobre el termómetro LASER. (Tabla 3.1)MEDICION DE LA INTENSIDAD DE RADIACION- La radiación 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 radiación 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)

INTE

NSI

DA

D D

E R

AD

IAC

IÓN

SO

LAR

(W/m

2)

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)

TEM

PER

ATU

RA

EN

EL

FOC

O (°

C)

IMPACTO AMBIENTALEl impacto ambiental es prácticamente nulo, la energía solar no producedesechos, ni residuos, basura, humos, polvos, vapores, ruidos, olores, etc.

ESTUDIO DE COSTOSUna vez realizada la instalación y hecha la inversión inicial, no se originangastos posteriores (a excepción del mantenimiento); el consumo de energía estotalmente gratuito; no utiliza combustibles, eliminando la incomodidad de tenerque aprovisionarse y el peligro de su almacenamiento.

ESTUDIO DE RESISTENCIA DE MATERIALESLos materiales en estos hornos están hechos de una estructura de fierro quees muy resistente al calor al igual que los espejos.

COMPARACION CON HORNOS CONVENCIONALESEl Horno Solar principalmente no contamina el medio ambiente, ahorraenergía, no produce residuos y su fabricación es de bajo costo.

A continuación tenemos algunas fotos en donde se puede apreciar la capacidad de concentración del prototipo de horno solar de alta temperatura.

Foto 2. Se puede observar que la radiación solar se concentra en un área relativamente pequeña provocando el quemado del extremo superior del listón de madera

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

IV CONFERENCIA LATINO AMERICANA Y XVII SIMPOSIO PERUANO DE ENERGÍA SOLAR

DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN PROTOTIPO DE UN SECTOR DE HORNO SOLAR DE ALTA TEMPERATURA

Julio L. Warthon Ascarza, Virgilio Ayala Chacmani, Amanda Olarte Pérez, Jesús Rubio Cáceres

Facultad de Ciencias Químicas Física y Matemáticas, 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