Caracterización de geometrías de concentración solar utilizando modelos de trazado de rayos

Abstract

Con la motivación de aportar al conocimiento que existe sobre las energías renovables, en especial la energía solar, en el presente trabajo se planteó estudiar, analizar y caracterizar el comportamiento óptico de un colector solar de tipo cilindro parabólico, específicamente analizando la distribución del flujo energético presente en el receptor frente a la variación de parámetros geométricos y ópticos del colector solar. Los parámetros a variar fueron la distancia focal, el tamaño y forma del receptor de diferentes perfiles (circular, hexagonal y elíptico) y el ángulo cenital. Los indicadores estadísticos a medir fueron: la no uniformidad del flujo en el receptor, su desviación estándar, el porcentaje de superficie del receptor que recibe flujo, la eficiencia óptica del colector y la potencia estimada en el receptor. La metodología de trabajo de dividió en 3 partes principales: generación de geometrías en el software Autocad Inventor, simulación de trazado de rayos para las diferentes geometrías en el software Tonatiuh y su posterior procesamiento y cálculo de indicadores y ajustes de curvas en el software Mathematica. Se obtuvieron las curvas deseadas que permiten obtener los indicadores estadísticos del perfil del flujo energético en el receptor frente a la variación de los parámetros geométricos del colector solar anteriormente descritos.

Dentro de los principales resultados obtenidos se encuentra que el punto de máxima eficiencia óptica corresponde a una distancia focal de f=147 cm, que difiere con el tamaño estándar del colector estandarizado EuroTrough. En la variación del radio del receptor circular se obtuvo que al disminuir su valor aumenta la concentración del flujo energético, el porcentaje superficie con flujo y la desviación estándar. Este experimento también arrojó un máximo de eficiencia óptica para una distancia focal para f~ 140cm. En el perfil hexagonal se obtuvo un comportamiento muy similar al perfil circular (salvo para a = 10 mm) en los indicadores de desviación estándar, eficiencia óptica y porcentaje de superficie con flujo. El comportamiento del perfil elíptico depende de su orientación, obteniéndose un 19% más de porcentaje de superficie con flujo para el semieje mayor = 10mm en relación al semieje menor = 10 mm, sin embargo, dicho valor (76%) no supera al máximo porcentaje de superficie con flujo del perfil circular (81%). Por último en relación a la variación del ángulo cenital se obtuvo que su aumento, está asociado con una menor desviación estándar del flujo, menor eficiencia óptica y una mayor pérdida de potencia por la pérdida o efecto del coseno y por la porción del receptor que no recibe flujo.