Caracterización óptica y termodinámica de un colector solar fresnel con absorbedor de minicanales para generación directa de vapor

Abstract

En el año 2017, las energías renovables mostraron un crecimiento del 49% en la matriz energética mundial, siendo la tecnología solar fotovoltaica la tecnología con mayor crecimiento en el año. Con respecto a la tecnología solar térmica, el crecimiento se ha visto estancado desde el año 2013. De la capacidad instalada a nivel mundial, 99% corresponde a sistemas térmicos para uso domiciliario y calentamiento de piscinas, siendo prácticamente nula su participación en procesos industriales, a baja o mediana temperatura. Dentro de los esfuerzos por desarrollar colectores más eficientes, en 2008, Gerardo Diaz presentó un nuevo diseño de colector solar utilizando tubos de minicanales como absorbedor solar. Diversos estudios han demostrado que este colector presenta una eficiencia superior que los colectores utilizados comúnmente a baja temperatura. Van Doung en 2015 investigó la aplicación a mediana temperatura de estos colectores para su integración con procesos industriales, encontrando resultados poco alentadores para un diseño sin concentración solar. En este trabajo se presenta un nuevo diseño de colector solar de minicanales, integrando los tubos de minicanales con un sistema de concentración solar tipo lineal Fresnel para su aplicación a mediana temperatura. En el trabajo se describe el proceso de diseño del concentrador, receptor y el absorbedor de minicanales, y se desarrolla un modelo óptico y un modelo termodinámico para estudiar la operación del colector. Ambos modelos fueron validados utilizando referencias comerciales o resultados experimentales en la literatura. Dentro de los principales resultados, se observa que bajo las mismas condiciones de operación que los colectores Fresnel comerciales, el colector Fresnel con minicanales produce un 26% más de potencia térmica por unidad de área de captación, alcanzando 702,2 W/m^2. Debido a la mayor superficie de absorción del absorbedor y la geometría del receptor, la eficiencia óptica alcanza un valor de 0,934, siendo un 50% mayor que los colectores Fresnel comerciales. Sin embargo, ya que el absorbedor de minicanales no se encuentra al vacío, las pérdidas térmicas son 12 veces mayores que en un tubo evacuado convencional. Con respecto a la generación de vapor, un módulo del colector de 6 metros de largo, con una radiación de 900 W/m^2, alcanza un título de vapor de 0,12, produciendo 31,7 kg. de vapor por hora. Se concluye que integrar un absorbedor de tubos de minicanales a un colector lineal Fresnel mejora la eficiencia óptica del colector, alcanzando una potencia térmica superior que los modelos comerciales. Adicionalmente, gracias a la concentración solar se demuestra la factibilidad de utilizar tubos de minicanales para la generación de calor a mediana temperatura, incluyendo la generación directa de vapor.