1. IER
Curso Pre-Congreso ISES-ANES
Universidad del Caribe
31 de octubre al 2 de noviembre de 2013
Cancún, Quintana Roo, México
Sistemas termoconversores solares con
concentración óptica
Isaac Pilatowsky Figueroa
Roberto Best y Brown
ipf@cie.unam.mx, rbb@ier.unam.ma
Coordinación de Refrigeración y Bombas de Calor, Departamento de Sistemas
Energéticos, Instituto de Energías Renovables, Universidad Nacional Autónoma de
México

2. Antecedentes de la conversión fototérmica
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(Cortesía del Dr. Oscar Jaramillo Salgado)
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Siglos VII y VIII A. C., las sacerdotisas
vestales romanas prendían fuego con
espejos cónicos (Plutarco).
212 A. C., Arquímides defiende Siracusa
de la flota romana (Galeno).
77 D. C., Los romanos usaban lentes
para prender fuego y cauterizar heridas
(Plinio).
1000, Proclus repite la hazaña de
Arquímides durante el sitio de
constantinopla (Ioanne Zonaras).
1615, Salomon de Caux construye la
primera máquina solar a partir de
diversos
estudios
sobre
la
condensación y expansión del vapor.
Mitad del siglo XVII, Athanasius Kircher
intenta repetir los espejos quemantes
de Arquímides
Finales del siglo XVII, von Tschirnhus
construye lentes para derretir metales
y cerámicas.

3. •Horno Solar de Antoine Lavoisier
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1695, Targioni y Averani tratan de fundir
diamante con un espejo concentrador.
1747, Buffon prende fuego a una celdas de
madera a 65 metros de distancia, con un
sistema de 168 espejos planos.
1744, Joseph Priestly produjo oxígeno
calentando oxido mercúrico con un
concentrador solar. Concluyo que el aire es
una mezcla de gases
Lavoisier también usó concentradores
solares en sus experimentos.
Bessemer (siglo XIX) usó concentradores
para fundir cobre y zinc.
Augustin Bouchot entre 1864 y 1882
construyo varios concentradores cónicos
solares para mover máquinas de vapor.
Ericsson, máquina con concentrador de
canal parabólico en 1870.
En 1912 Shuman construyó una planta de
canal parabólico de 55 kW para bombear
agua en Egipto.

4. En la década de 1970 se llevan a cabo
investigaciones muy importantes
para generar electricidad mediante
sistemas de engría solar.
1991, primera central eléctrica
comercial con una capacidad de 354
MWe, basada sobre el concepto de
energía solar concentrada (en
California, Estados Unidos). Esta
planta fue erigida sobre un área de 7
kilómetros cuadrados y suministraba
a la red cerca de 800 millones de
KWh/año.
Exposición Universal de París, 1882
Estos dispositivos fueron los precursores
de los colectores parabólicos modernos
Sin embargo, la mayoría de las
plantas de energía solar concentrada
en
operación
siguen
siendo
prototipos o plantas de demostración
y requieren de importantes subsidios
para su operación.

5. Los sistemas a concentración
En los sistemas a concentración, la radiación
solar incide sobre la abertura y es dirigida hacia
un absorbedor de superficie mas pequeña. Lo
anterior se obtiene gracias a una o múltiples
reflexiones (sobre espejos) o refracciones ( a
través de lentillas, prismas, etc.).

6. Consideraciones de utilización
• Para una temperatura dada en el absorbedor,
siendo este más pequeño, las pérdidas térmicas
son inferiores que en un captador solar plano con
la misma abertura.
• Las temperaturas obtenidas son más elevadas,
pudiendo alcanzar cerca de los 4000 °C.
• El peso o el costo del sistema se pueden reducir
remplazando un absorbedor plano por un
sistema a concentración y un absorbedor más
pequeño.

7. Inconvenientes
• 1. La radiación difusa prácticamente es poco aprovechada. En los sistemas
a concentración elevada solo la radiación directa se concentra.
• 2. Las pérdidas ópticas pueden ser importantes, Debidas a los fenómenos
de reflexión y de refracción y a las características geométricas del sistema.
• 3. Los sistemas a concentración elevada requieren de montajes ópticos
precisos y por consecuencia costosos.
• 4. Es necesario mantener las cualidades ópticas del sistema ( oxidación,
polvos, etc)
• 5. Los sistemas a concentración elevada tiene un campo estrecho, siendo
necesario de apuntar para captar la radiación directa, necesitando
mecanismos de orientación.
• 6. En la mayoría de los casos, el flujo no se distribuye de manera uniforme
sobre el absorbedor.
• 7. El absorbedor esta sujeto a grandes variaciones de temperatura durante
los pasajes de nubes.
La selección del captador a concentración resulta de un compromiso que
debe tener en cuenta no solamente la propiedades del captador si no las del
sistema en el cual se integra.

8. SISTEMAS TERMOCONVERSORES CON CONCENTRACIÓN ÓPTICA
DEFINICIONES
A. Concentrador: Dispositivo óptico que permite concentrar la radiación sobre
el absorbedor. Los concentradores se clasifican a). en lineales o a dos
dimensiones, los cuales. concentran la radiación alrededor de una línea
(cilindros y conos) y los b) puntuales de tres dimensiones, los cuales
concentran la radiación alrededor de un punto; estos sistemas presentan una
simetría de revolución alrededor de un eje.
B . Abertura : La abertura del concentrador es la superficie plana que se apoya
sobre sus bordes y a través de la cual pasa el rayo incidente.
C.
Angulo de campo: Es el ángulo máximo donde un rayo incidente puede
separarse de la normal a la abertura para alcanzar interiormente el
absorbedor, limita el campo del concentrador. Aquí se supone que el campo
es simétrico con respecto a la normal a la abertura. Sin embargo, existen
concentradores llamados asimétricos.

9. D. Concentración:
Local (Cx) = f(distribución espacial de la radiación
incidente)
Local ( C X ) =
IC
Iluminació n
=
IA
Iluminació nconapertu rauniforme
Radiación(CR ) =
IC
Iluminaciónpromedioabsrbida
=
I a Iluminaciónnormaalaapertura.
Geométrica (C)
Geométrica (C ) =
Aa
áreadeaper tura
=
AC
áreadelabs orbedor

10. Principio de conservación de energía

11. LIMITES DE LA CONCENTRACIÓN
En las aplicaciones de concentración de la radiación solar, el campo mínimo y
el diámetro aparente del sol son: θC = θS = 16’. A partir de un análisis óptico y
los balances de transferencia de calor por radiación, considerando los
factores de forma, se puede demostrar que, la concentración máxima de un
sistema a dos dimensiones es:
C ideal
2d
=
1
sen θ C
= 215
en donde θC es el semi-ángulo o punto de rencuentro de sus dos
lados.
Y similarmente, para un sistema a tres dimensiones:
C ideal 3 d =
1
2
sen θ C
= 46165

12. TEMPERATURA MÁXIMA EN EL
ABSORBEDOR

αS C 
TC =  (1 − η )τργ

ε C C ideal 3 d 

1/ 4
TS

13. CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONCENTRACIÓN
Criterios de Clasificación
.
1.- Características ópticas: espejos, lentillas, prismas, formando
imágenes, no-formando imágenes.
2.- Características geométricas: dos dimensiones y tres
dimensiones.
3.- Modos de enfoque: fijos o periódicamente orientados,
móviles, alrededor de un eje, móviles alrededor de dos ejes.
4.- Posiciones relativas del absorbedor y del concentrador: según
que uno sea móvil con respecto al otro o que los dos se muevan.

14. 5.- La concentración determina la temperatura de
utilización.
:
- conncentraciones débiles:
c~ 1-10
Tc ~ 150ºC
concentraciones moderadas:
c ~ 10-100
Tc ~ 300ºC
concentraciones fuertes:
c~ 100
Tc ~ 500ºC
Este método es más conveniente, ya que permite
seleccionar fácilmente el tipo de concentrador en
función del uso específico.

15. Sistemas de seguimiento
Sistema de concentración a tres
dimensiones ( puntuales)
Sistema de concentración a dos
dimensiones ( lineales)

16. ESPEJOS PARABÓLICOS
En el caso de la concentración geométrica de espejos parabólicos; se pueden
integrar absorbedores: a) cilíndricos, b) esféricos y c) planos.
Absorbedor cilíndrico: sistema a dos dimensiones.
2x
sen ϕ m
sen ϕ m
C=
=
=
Ci , 2 d
2πa π senθ C
π
C max =
C i,2 d
π
C max = 68

17. Absorbedor esférico: sistema a 3 dimensiones.
La concentración geométrica para un paraboloide de revolución
con un absorbedor esférico se define como:
πx 2
sen 2 ϕ m
sen 2 ϕ m
C=
=
=
Ci ,3d
2
2
4πa
4π sen θ C
4
Cmax = 11540

18. ABSORBEDOR PLANO: SISTEMA A DOS DIMENSIONES
x − d senϕm cos(ϕm + θC )
=
−1
C=
senθC
d
Cmax , 2 d
1
3
= Ci , 2 d −
2
2
Cmax,sd = 106

19. CONCENTRADORES PARABOLICOS COMPUESTOS (CPC)
Son sistemas que no forman imagen
del sol. Son estructuras especulares
interesantes en los sistemas a dos
dimensiones,
pues
tienen
la
concentración ideal. Esto no está
confirmado en los sistemas de tres
dimensiones.
C max =
CD
1
=
= C i,2 d
AB
sen θ C

20. tecnología de colectores
parabólicos compuestos
COMO ES LA INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON EL CPC
NO REQUIERE DE SEGUIMIENTO SOLAR
vidrio
ABSORBEDOR
Absorbedor
CON CAMPANA
caja
CAPTA LA RADIACIÓN DIRECTA Y DIFUSA
aislamiento

21. Lentes y lentillas

22. EFICIENCIA TÉRMICA DE LOS CONCENTRADORES.
m C P (T f , e − T f , s )
&
QU
η =
=
Aa I
Aa I
η = FR ( ρτα ) − F ′U L
(T f , e − T f , s )
I

24. CONCENTRADORES SOLARES

25. CONCENTRADORES SOLARES

26. APLICACIONES DE CONCENTRADORES SOLARES
●
10 MW(e)
●
72,540 m2 de
Helióstatos
●
Sal de nitrato
fundida a650ºC
●
Almacenada a
290ºC
●
6 horas de
almacenamiento
●
Conectada a la
red de 1996 a 1999

27. Tecnologías solares
Captador de canal parabólico modular,
(130 – 300 °C)
Captador de canal parabólico
Con cubierta, (80-300 °C)
Captador de canal parabólico (100-200°C)

28. Tecnologías solares
Captador de canal con foco fijo
(100-200 °C)
Concentrador lineal tipo Fresnel
(100-400 °C)
Concentrador de canal parabólico
Combinado :calor-potencia 80-150 °C

29. Planta de generación de potencia con
captadores solares cilindricos parabólicos

30. Instalaciones
de generación
Electrica en
California, USA

31. Aplicaciones varias de captadores solares cilindros parabólicos

32. Unidades de disco parabólico con generador de motor Stirling
EL DISCO/STIRLING CONSISTE
DE UN CONCENTRADOR SOLAR
CON FOCO PUNTUAL ACOPLADO
A UN MOTOR/GENERADOR.

33. El horno solar de
1000 kW
Odeillo, Francia

34. Plantas solares de generación eléctrica de
torre central
Pueden operar a
temperaturas de 500
hasta 1500 °C.
127 < t < 2727 oc con 100 ≤ c ≤ 1500 con
seguidor solar en dos ejes
Un sistema de receptor central consiste
en una serie de HELIOSTATOS , o
espejos que rastrean el sol, los cuales
reflejan la energía solar a una torre
que tiene montado un receptor mas
grande, la concentrada cantidad de
calor que recibe el receptor, es
transferida al fluido de trabajo.

35. Sistema de Torre Central

36. Los sistemas TC presentan tres configuraciones generales. En la primera, los
helióstatos rodean totalmente la torre y el receptor, que es cilíndrico, tiene una
superficie exterior para la transferencia térmica. En la segunda configuración, los
helióstatos están localizados la norte de la torre (si se trata del hemisferio norte), y
el receptor incluye al absorbedor para llevar a cabo la transferencia de calor
radiativa a los otros dos mecanismos de transferencia de calor. En la tercera
configuración, los helióstatos están localizados al norte de la torre, y el receptor es
un plano vertical que ve hacia el Norte y es donde se lleva a cabo la transferencia
radiativa.

38. Que horizonte nos gustaría ver ?