1. UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO
CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERÍA
OPTIMIZACION DE UN CONCENTRADOR
PARABÓLICO COMPUESTO PARA
APLICACIONES DE MEDIANA
TEMPERATURA
Víctor Hugo Gómez Espinoza
XIX Simposio Peruano de Energía Solar email: vhge@cie.unam.mx
Puno Perú, 12-17 Noviembre de 2012

2. Introducción
La energía solar térmica es cada vez más utilizada a nivel doméstico para la
obtención de agua caliente sanitaria y como apoyo a la calefacción. Sin
embargo, esta tecnología tiene también otro enorme potencial de
aprovechamiento; el sector industrial.
SECTOR PROCESOS TEMPERATURA (°C)
Pasteurización 62-85
Alimenticio Cocción 70-98
Lavado 40-80
Refrigeración (adsorción) 90
Químico Esterilización 100-130
Vapor 95-105
Blanqueado, Teñido 60-90
Textil Secado 70-90

3. Modelo Numérico
El CPC fue diseñado usando un
modelo unidimensional, que resuelve
de manera segregada
• El flujo de fluido al interior del
tubo receptor,
• La transferencia de calor por
conducción a través de la pared del
tubo receptor y
• La transferencia de calor en el
concentrador solar para calcular la
ganancia de calor útil obtenida de
la concentración solar.

4. Modelo Numérico
En fluido de trabajo entra en la posición 0 con
un flujo másico m, una presión pf,i. y una
temperatura Tf,i.
El tubo receptor recibe una ganancia de
energía útil (qu).
Si existe evaporación se determina su punto
de inicio Ls, a la temperatura de saturación Tf,s.
Finalmente el fluido sale en la posición L con
una presión pf,o y una temperatura Tf,o.
• Se ha aplicado el método de volúmenes de control (CV).
• La discretización de las ecuaciones ha sido acoplada utilizando un método paso a
paso completamente implícito en la dirección del flujo.
• De los valores conocidos en la sección de entrada y las condiciones de frontera de
la pared, los valores en la sección de salida del CV son obtenidos iterativamente a
partir de la discretización de las ecuaciones gobernantes.
• Esta solución (valores de salida) son los valores de entrada para el siguiente CV. El
procedimiento se realiza hasta alcanzar la salida del tubo receptor.

5. Ecuaciones Gobernantes
HIPÓTESIS
• Flujo unidimensional : p(z,t), h(z,t), T(z,t), vl(z,t), ...
• Modelo de flujo separado (vg ≠vl).
• Se desprecia el intercambio de calor por radiación entre las
paredes internas de la tubería.
• Se desprecia la transferencia de calor por conducción en el
fluido.
FLUJO DENTRO DE UN CV
Propiedades Termofísicas (REFPROP v7.0 NIST):
Ecuación de continuidad:
Ecuación de Momentum:
Ecuación de Energía :
Coeficientes empíricos:

6. Modelo Numérico (pared del tubo)
Distribución unidimensional de temperatura

 Los coeficientes son aplicables de: 2  i  N  1
 Para i = 1 y i = N adecuados coeficientes son
utilizados tomando en cuenta el flujo de
conducción axial o una condición de
temperatura de frontera.
 El conjunto de ecuaciones de conducción
discretizadas son resueltas usando un algoritmo
TDMA.
h
  
Integrando la ecuación de la energía para un CV: qwall ps  qu pn x  qw  qe Ata  m 
t
Para cada nodo se tiene: aTa ,i  bTa ,i 1  cTa ,i 1  d
kw Ata ke Ata A x kA
a    f ,i ps x  ta  Cp b  e ta
x x t x
Donde los coeficientes son:
A x
d   f ,i psT f ,i  qu ,i pn  x  ta  CpTwo,i
k A
c  w ta
x t

7. Modelo Numérico (ganancia energía)
• La ganancia útil de energía in cada CV se calcula como:
qu ,i  c S  U L ,i Ta ,i  Ten 
A
Aa
• La ganancia útil de energía dependen de la energía solar absorbida S que es igual a la
energías solar incidente menos las pérdidas ópticas en el CPC.
• La energía solar absorbida es función de las propiedades radiativas del los componentes
del CPC y de las condiciones ambientales.
• La energías solar absorbida se calcula con el método de Duffie y Beckman.
• El coeficiente de pérdidas de calor global, UL, depende de la temperatura de los
componentes del CPC a través de sus coeficientes de pérdidas individuales:
 
1
  t, a  c  t, r  ex   ra , r  c   t , a  r  
1 1 1
 1 
U L ,i  
 t ,c  ex  t, a  c   t, r  ex   ra , r  c   t , a  r 1 
1 1

 

• La temperatura de la cubierta y del reflector son determinadas por medio de un balance
de energía en cada uno de estos componentes del CPC.

8. INICIO
Datos: geometría,
condiciones de frontera, etc.
Flujo interno (fluido)
Pared del tubo receptor
Análisis térmico del CPC
Mapas de variables en el
fluido (presión,
temperatura, flujo másico) y
temperaturas en el sólido
FIN

9. Prototipo Experimental
Acero al carbón con diámetro
interno 52.5 mm y externo de
Absorbedor
60.3 mm cubierto con
superficie selectiva.
Vidrio templado de 4 mm de
Cubierta espesor, con dimensiones de
0.66 m x 2 m = 1.32 m2.
Lámina de aluminio altamente
pulido con un espesor de 0.6
Reflector
mm, y dimensiones de 0.89m x
2m.
Concentración real de 3.5 y el
ángulo medio de aceptación de
15°.

10. Propiedades ópticas y geométricas
Componente Absortancia Emitancia Reflectancia Transmitancia
Absorbedor de acero al carbón
0.91 0.38 0.09 -
con superficie selectiva comercial
Cubierta de vidrio templado 0.03 - 0.05 0.90
Reflector de aluminio altamente
0.11 0.05 0.87 -
pulido
Ángulo de Razón de Diámetro Diámetro
Altura Ancho Largo
aceptación concentración externo interno
(m) (m) (m)
(°) (adimensional) (mm) (mm)
15° 3.5 60.3 52.5 0.81 0.66 2.00

11. Prototipo Experimental
Instrumentos utilizados en la unidad experimental
Variable Instrumento Rango de operación Precisión
Termistor -40 a 150 °C ± 0.1 °C
Temperatura
Termopar 0 a 750 °C ± 0.5 °C
Flujo Coriolis 0 a 20 kg/min ± 0.1 %
Presión Diferencial de presión 0 a 11.14 in H20 ± 0.15 %
Radiación PSP-II 0 a 1600 W/m2 ±1%

12. Sistema Experimental

13. Pruebas Experimentales
 Se utilizó agua como fluido de trabajo.
 Variando la temperatura de entrada en un rango de 27 °C a 70 °C.
 Variando el flujo másico de 0.05 a 0.25 kg/s.
 Irradiancia solar arriba de 800 W/m2 en el plano del CPC.
 Las variables fueron medidas y registradas cada diez segundos.
 Se alcanzó un estado estacionario para los puntos evaluados después de
5 minutos de operación.

14. RESULTADOS

15. Resultados
80.4% de los 102 datos
obtenidos experimentalmente
está dentro de este margen con
una desviación de ±7.6%.
Resultados de la eficiencia experimental vs. resultados modelo numérico

16. Resultados
La diferencia promedio entre los
resultados experimentales y
numéricos fue de ±0.14 °C, con
desviación estándar de ±0.13 °C
y un error máximo de 0.41 °C.
Las barras de error representan la incertidumbre en la medición de los datos
experimentales.

17. Resultados
La máxima eficiencia
instantánea que se obtiene en
el rango de flujo utilizado
corresponde a una velocidad
de 0.25 kg/s.
Resultados de la eficiencia experimental vs. resultados modelo numérico

18. Resultados
La desviación de los datos
experimentales comparados
con los datos del modelo
numérico fue de ±7.55 %,
con un error promedio de
±7.86 %.
Caída de presión en el tubo absorbedor.

19. CONCLUSIONES

20. Conclusiones
 Se realizó la evaluación de un concentrador parabólico compuesto diseñado
y construido en el Centro de Investigación en Energía de la UNAM, con
área de apertura de 1.33 m2, concentración real de 3.5 y ángulo medio de
aceptación de 15°, utilizando un tubo receptor de acero al carbón de 2 m de
longitud.
 El máximo incremento de temperatura puntual en los resultados
experimentales fue de 4 °C, a flujo másico de 0.05 kg/s y temperatura de
entrada de 52 °C, obteniéndose 838 W de calor útil. El valor promedio de la
eficiencia experimental que se obtuvo en las pruebas realizadas fue del
60%.

21. Conclusiones
 De acuerdo a los resultados obtenidos, se muestra que el CPC presenta un
buen comportamiento térmico, pudiendo ser competitivo con otras
tecnologías de captación solar que actualmente son utilizadas para cubrir
diversos procesos que trabajan en rangos de baja y mediana temperatura
(≤100 °C).
 El modelo numérico que se utilizó, muestra ser confiable y puede ser
utilizado como una herramienta para simulación y diseño en el estudio de
este tipo de sistemas de captación solar, para diferentes aplicaciones y
fluidos de trabajo.

22. UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO
CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN ENERÍA
GRACIAS
XIX Simposio Peruano de Energía Solar email: vhge@cie.unam.mx
Puno Perú, 12-17 Noviembre de 2012