análisis y diseño de un sistema de generación eléctrica

Ingeniera Investigacin y Tecnologa. Vol. XIII, Nm. 1, 2012, 43-53ISSN 1405-7743 FI-UNAM(artculo arbitrado)

Anlisis y diseo de un sistema de generacin elctrica termosolar con concentrador de disco parablico y motor Stirling

de 2.7 kW enfriado por aire

Analysis and Design of a Dish/Stirling System for Solar Electric Generation with a 2.7 kW Air-Cooled Engine

Informacin del artculo: recibido: febrero de 2009, reevaluado: septiembre de 2010, aceptado: febrero de 2011

Beltrn-Chacn R.Centro de Estudio de las Energas Renovables

Instituto de IngenieraUniversidad Autnoma de Baja California

Correo: [email protected]

Velzquez-Limn N.Centro de Estudio de las Energas Renovables

Instituto de IngenieraUniversidad Autnoma de Baja CaliforniaCorreo: [email protected]

Sauceda-Carvajal D.Universidad Politcnica de Baja California

Correo: [email protected]

Resumen

Este trabajo presenta un modelado matemtico, la simulacin y diseo de un sistema de generacin elctrica termosolar de disco parablico con motor Stirling de 2.7 kW enfriado directamente por aire. El modelo utilizado para el concentrador, la cavidad y el motor Stirling, fueron validados satisfacto-riamente con datos experimentales. Con base en un estudio paramtrico se realiz el dimensionamiento de los componentes del motor. El estudio reali-zado muestra que conforme se incrementa la capacidad del sistema, la efi -ciencia global se ve limitada por la potencia requerida por el ventilador, dado que el diseo del enfriador necesita retirar mayores cantidades de ca-lor aumentando el fl ujo de aire, sin afectar las condiciones internas del pro-ceso (fl ujo msico del gas de trabajo y dimensiones internas del mismo). El sistema fue optimizado obteniendo una efi ciencia global de conversin de energa solar a elctrica de 26.7%. Este estudio muestra que el uso de un motor Stirling enfriado directamente por aire es potencialmente atractivo para la generacin de energa elctrica en bajas capacidades.

Descriptores

motor Stirling solar modelo simulacin diseo enfriado por aire

Anlisis y diseo de un sistema de generacin elctrica termosolar con concentrador de disco parablico y motor Stirling de 2.7 kW enfriado por aire

Ingeniera Investigacin y Tecnologa. Vol. XIII, Nm. 1, 2012, 43-53, ISSN 1405-7743 FI-UNAM44

Introduccin

El continuo incremento en la demanda de energa elc-trica y la contaminacin asociada a los modos de pro-duccin convencionales han demandado el desarrollo de tecnologas sustentables que permitan aprovechar las energas renovables, dentro de las cuales la energa solar es la ms abundante. Actualmente existen distin-tas tecnologas para convertir la energa solar en ener-ga elctrica, destacando entre ellas el disco/Stirling por su mxima efi ciencia (Parlak et al, 2009; Reza et al, 2008; Thombare et al, 2008).

El motor Stirling fue inventado por Robert Stirling en 1816 y aunque su aplicacin lleg a ser popular, fue remplazado por el motor de combustin interna y el motor elctrico (Sentf, 1993). Recientemente, la necesi-dad de aprovechar las energas renovables para obtener un desarrollo sustentable ha despertado un renovado inters en el desarrollo de tecnologa Stirling; sin em-bargo, no se han encontrado trabajos sobre motores en-friados directamente por aire para la generacin de energa elctrica de baja capacidad (Kongtragool, 2003). Por tal motivo, el objetivo de este trabajo es proporcio-nar una metodologa para el diseo y optimizacin de sistemas disco/Stirling y evaluar el potencial del enfria-miento directo por aire en las unidades de baja capaci-dad. Para ello, se muestra el modelo matemtico, la simulacin y un estudio paramtrico que permite esta-blecer el punto de diseo de los principales componen-tes de un sistema para una capacidad de 2.7 kW elctricos. El modelo desarrollado a diferencia de otros trabajos es sensible a la variacin de la irradiancia solar, la temperatura ambiente, la velocidad del viento y la orientacin del receptor solar. El rendimiento terico del sistema propuesto, permite sugerir su aplicacin para la generacin de energa elctrica en bajas capaci-

dades bajo el concepto de generacin distribuida, satis-faciendo los requerimientos de los sectores residencial, comercial y agrcola, as como de los usuarios alejados de la red elctrica.

Descripcin del sistema disco/Stirling

En la fi gura 1 se muestra esquemticamente un sistema de generacin elctrica termosolar de disco/Stirling que se compone por un concentrador solar, un receptor, el motor Stirling y un generador elctrico. El absorbedor se coloca dentro de una cavidad para disminuir las pr-didas trmicas por conveccin y radiacin hacia el am-

Abstract

This paper presents a mathematical modeling, simulation and design of a solar pow-er system of a parabolic dish with an air-cooled Stirling engine of 2.7 kW. The mod-el used for the solar concentrator, the cavity and the Stirling engine were successfully validated against experimental data. Based on a parametric study, the design of the components of the engine is carried out. The study shows that as sys-tem capacity increases, the overall e ciency is limited by the power required by the fan, since the design of the cooler needs greater amounts of heat removal by increas-ing the air fl ow without a ecting the internal conditions of the process (mass fl ow of working gas and internal dimensions of the same). The system was optimized and achieves an overall e ciency of solar to electric energy conversion of 26.7%. This study shows that the use of an air-cooled Stirling engine is potentially a ractive for power generation at low capacities.

Cdigo de clasificacin: 221302.

Keywords

stirling engine solar model simulation design air cooled

Figura 1. Diagrama ptico y trmico del sistema de generacin elctrica termosolar

Regenerador

Absorbedor

Enfriador

totn

Irradiancia solar reflejada

Q rad. emitida

Q conveccin

Q rad,reflejada

Q conduccin

Q til (Qen,mot)

Potencia motor

Q enfriamiento Potencia ventilador

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Beltrn-Chacn R., Velzquez-Limn N. y Sauceda-Carvajal D.

Ingeniera Investigacin y Tecnologa. Vol. XIII, Nm. 1, 2012, 43-53, ISSN 1405-7743 FI-UNAM

biente. El motor utiliza helio como fl uido de trabajo y tiene dos pistones de simple accin en acoplamiento tipo alfa, un regenerador de mallas metlicas y un disi-pador de calor compacto enfriado por aire directamen-te del tipo de tubos con aleta ondulada. Una de las ventajas de utilizar enfriamiento directo, es que elimina el circuito de tuberas, la bomba de agua y el intercam-biador agua/aire utilizados en el enfriamiento indirecto convencional, reduciendo el costo y complejidad del sistema.

Metodologa

El modelo matemtico desarrollado para el sistema de generacin elctrica termosolar de disco parablico con motor Stirling enfriado por aire, se resuelve de acuerdo al algoritmo mostrado en la fi gura 2. En el planteamien-to de dicho modelo se considera que los procesos se realizan en estado estacionario y que las variables ope-rativas tienen valores instantneos. El algoritmo de so-lucin utiliza procedimientos iterativos (regla falsa) para las variables de fl ujo msico del aire de enfria-

miento, la temperatura de la superfi cie externa del ab-sorbedor y enfriador, as como para la temperatura del gas en el absorbedor y enfriador. Como apoyo al diagra-ma del algoritmo de solucin, a continuacin se mues-tran las principales ecuaciones del modelo matemtico de cada uno de los componentes del sistema.

Concentrador solar

Para predecir el comportamiento de un concentrador de disco parablico, el modelo utiliza los errores tpicos reportados por Stine y Harrigan (1983), dentro de los cuales se encuentra el error de la estructura, el sistema de seguimiento (sensor y mecanismo), la posicin del receptor y la refl ectividad especular de la superfi cie, en-tre otros.

Las principales variables del concentrador son el an-cho de la imagen solar en la zona focal (w) y el factor de intercepcin () (Stine y Harrigan, 1983):

( ) cos2

tan2 total

= np

(1)

Figura 2. Diagrama del algoritmo de solucin del sistema

Inicio

Datos: geometra, condiciones de operacin, propiedades pcas,

parmetro DT

Suponer Tint,abs 1, Tint,enf 1

Calcular a, b, Wmot, Welec

Calcular , Qen,rec, Q rad,ref

Calcular Q cond, Q conv,nat, Q conv,viento, Q rad,emit

Suponer Tsup,int,abs 1

moten,refrad,recen,1 perdidas QQQQ =

2 perdidas1 perdidas1 QQER =

Calcular prdidas trmicas, uido-dinmicas, mecnicas y

calor requerido del motor (Qen,mot)

Calcular potencia y calor ideales del motor

emitrad,totconv,cond2 perdidas QQQQ +=

motmoten,enf WQQ =

Anlisis nal del diseo

( )bQTT enfint,enfsup,2 int,enf +=

2 absin,1 absin,2 TTER =

2 enfin,1 enfin,1 TTER =

2 fsup,ext,en1 fsup,ext,en2 TTER =

Suponer mfe

( )aQTT moten,absint,sup,2 absint, =

Calcular enfext,sup, salfe,utilelec,vent ,,, hTWW

DTTT += salfe,2 fsup,ext,en

( ) sal fe,totext,enfsup,enf1 fsup,ext,en TAhQT +=

no

si

001.0|2| ER

no

si

001.0|4y 3| ERER

Fin

no

si 001.0|1| ER



El factor de intercepcin, defi nido como:

( )( )( ) orconcentradd0 2

2d

cos18 AIsenfI

o

+

=

=

(2)

Receptor de cavidad

El receptor del sistema est compuesto por dos elemen-tos, una cavidad que limita las prdidas trmicas hacia los alrededores y dentro de ella un absorbedor de tubos donde se calienta el gas de trabajo del motor. El anlisis de la cavidad considera las prdidas trmicas por con-veccin natural y la debida al viento, la radiacin refl e-jada y emitida, y la conduccin de calor a travs del aislante. Suponiendo que la distribucin de la irradian-cia es uniforme y que las propiedades pticas y trmi-cas de la cavidad y absorbedor permanecen constantes, el fl ujo de calor que es transferido al motor (Qen,mot) se calcula mediante:

(3)

El fl ujo de calor hacia el receptor (Qen,rec) considerando el rea de apertura no sombreada del concentrador so-lar (Aconcentrador) es: (4)

La irradiancia refl ejada fuera de la cavidad se calcula con (Du e, 2006):

(5)

Las prdidas trmicas por conduccin a travs del ais-lante se disipan posteriormente por conveccin en el exterior de la cavidad y se obtienen mediante:

( ) ( )fsup.ext.ennatrecaislanteambssup.ext.ab

cond 1 AhAkLTT

Q

+

= (6)

El clculo de las prdidas por conveccin desde el inte-rior del receptor, se realiza mediante la correlacin pro-puesta por Stine y McDonald (1989), que tambin se utiliz en otros estudios (Nepveu, 2008; Sendhil, 2007):

(7)

donde b se defi ne como:

Para calcular las prdidas trmicas por conveccin des-de el interior del receptor debidas a la velocidad del viento, se utiliza el modelo propuesto por Ma (1993), donde el coefi ciente de conveccin se obtiene de:

(8)

La radiacin emitida fuera del receptor a travs de la apertura de la cavidad est dada por:

(9)

El fl ujo de calor absorbido por el absorbedor es condu-cido hacia el interior de los tubos y se calcula mediante:

( )( ) abstubotubointext

absint,sup,absext,sup,moten,absen, 2log NLkDD

TTQQ

==

(10)

Una vez conocida la temperatura de la superfi cie inter-na de los tubos del absorbedor, es posible calcular el fl ujo de calor suministrado al motor y simular el com-portamiento termodinmico utilizando el modelo de segundo orden propuesto por Martini (1983).

Motor Stirling

El anlisis fl uido-dinmico y de transferencia de calor en el interior del motor Stirling se realiza suponiendo un fl ujo estacionario equivalente al fl ujo no estacionario promedio, y la potencia ideal producida se calcula asu-miendo que:

1. El espacio que ocupa el gas de trabajo dentro del motor est dividido en tres secciones y cada sec-cin tiene una temperatura isotrmica uniforme.

2. La variacin del volumen del gas de trabajo es sin-usoidal y la ley del gas ideal aplica.

( )0.181 3conv,nat sup,ext,abs amb0.088Nu Gr T T= ( ) ( )2.47 ap reccos bD D

( )ap rec0.982 1.12b D D= +

( )conv,viento [0.1634 0.7498h sen = + ( ) ( ) 1.4010.5026 2 0.3278 3 ]sen sen +

( )4 4rad rec ap sup,ext,abs ambQ A T T = ( )en,mot en,rec rad,ref cond conv,tot rad,emitQ Q Q Q Q Q= + +

( ) ( )cavrad,ref en,reccav cav ap cav,total1 1Q QA A

= +

,en rec d concenttradorQ I A =

47



3. No hay diferencia de presin entre las secciones que ocupa el gas.

4. La transferencia de calor y las prdidas fl uido-di-nmicas en las conexiones entre los intercambiado-res son despreciables.

5. La expansin y compresin del gas de trabajo es isotrmica y la transferencia del gas a travs del re-generador es a volumen constante.

La potencia del motor se defi ne como la diferencia entre la potencia ideal calculada y la sumatoria de las prdidas trmicas, fl uido-dinmicas y mecnicas del motor. Las prdidas consideradas por el modelo son:

1. Conduccin de calor a travs de la cara del pistn, la pared del cilindro de expansin, y de la pared y matriz del regenerador hacia el enfriador.

2. Emisin de radiacin desde la cara del pistn hacia el crter.

3. Friccin mecnica del motor y friccin fl uido-din-mica del gas de trabajo.

4. Inefi ciencia trmica y oscilacin de la temperatura de la matriz del regenerador.

El mtodo propuesto por Martini (1983) considera que las prdidas por friccin mecnica del motor son equivalentes a 20% de la potencia ideal. El modelo ma-temtico fue validado por Chen y Gri n (1983), quie-nes reportaron que corrigiendo el factor de friccin del gas por un factor de 2.9, se reduce el porcentaje de error a slo 10% en el clculo de la potencia y efi ciencia. Di-cha correccin se implement corroborando la mejora en la prediccin del valor experimental cerca del punto de diseo.

Considerando un fl ujo estacionario, la temperatura del gas en el interior del absorbedor se calcula mediante:

( )aQTT moten,absint,sup, 2 absint, = (11)donde a se defi ne como:

(12)

Enfriador

El calor removido del motor Stirling se realiz por me-dio de un enfriador compacto y de alta efi ciencia. Para calcular el nmero de Nusselt y el coefi ciente de fric-cin (f) en la superfi cie externa del enfriador (aire de enfriamiento) se utiliz la correlacin propuesta por Wang y otros (1997):

(13)

El factor de friccin para el clculo de la cada de pre-sin externa est dado por:

(14)

La efi ciencia de superfi cie se defi ne como:

( )aletatotal

aletasup,ext 11 = A

A

(15)

Considerando un fl ujo estacionario, la temperatura del gas en el interior del enfriador se calcula mediante:

( )bQTT enfenfint,sup, 2 enfint, +=

(16)

donde b se defi ne como: (17)

El fl ujo de calor removido por el enfriador (Qenf): (18)

Generador elctrico

El generador propuesto es del tipo de induccin y se acopla directamente al motor. La efi ciencia asociada a estos generadores vara entre 96 y 97% (Hau, 2006) y se supone que permanece constante.

La energa elctrica til se defi ne como la diferencia entre energa elctrica producida y la potencia requeri-da por el ventilador del enfriador: (19)

Resultados y discusin

El dimensionamiento y anlisis operativo del sistema se realiza por medio de un estudio paramtrico donde se establecen los puntos de diseo para cada una de las variables que permiten obtener una mxima efi ciencia y capacidad.

( )2.921 1 3crsup,ext,enf ext,tubo ext,tubo1.201 ln Re Re PrD DNu =

( )0.096

0.098totalenf2.64

tuboD,ext,tubo

16.67

ln Re

Afr N

A

=

( )( )enf nt,enf enf2 exp 1ib Fc m Cv NTU=

( )enf fe fe fe,salida ambQ Cp m T T=

( )elec,util mot gen ventW W W= ( )( )abs int,abs abs2 exp 1a Fc m Cv NTU=



Validacin de los modelos matemticos

Con la fi nalidad de validar el simulador desarrollado, se realiz una comparacin entre los resultados experi-mentales reportados en la literatura contra los resulta-dos obtenidos mediante la simulacin, para las mismas geometras y condiciones de operacin. Los parmetros comparados fueron el factor de intercepcin y las pr-didas por conveccin en la cavidad, as como el fl ujo de calor suministrado y la potencia producida por el mo-tor Stirling.

La comparacin del factor de intercepcin obtenido con el simulador contra los valores experimentales para el concentrador WGA-500 (Diver, 2001) se presen-ta en la fi gura 3, obteniendo un excelente acercamiento para valores por encima de 0.95; por debajo de este va-lor el modelo sobreestima dicho factor. Sin embargo, no resulta de gran inters disear sistemas con factores de intercepcin menores a 0.95. En la fi gura 4, se mues-tra la comparacin de las prdidas trmicas en el re-ceptor de cavidad obtenidas con el simulador contra

las reportadas por Ma (1993), los resultados obtenidos presentan un error promedio de 7.2% para las prdi-das por conveccin y un error promedio de 0.5% para la emisin de radiacin.

Para validar el fl ujo de calor suministrado y la po-tencia producida por el motor, en la fi gura 5 se mues-tra la comparacin hecha para el motor GPU-3 (Martini, 1983, Timoumi et al., 2008), donde el fl ujo de calor suministrado result con un error promedio de 5.7% y un error mximo de 9.6%. La potencia produci-da a una presin de operacin de 6.89 MPa, result con un error mnimo de 8.2%, y un mximo de 17.7%, cuando la presin de operacin es 1.72 MPa. Con esta comparacin se observa que el modelo pro-puesto tiene una buena representatividad del compor-tamiento del concentrador y el receptor de cavidad, mientras que para el motor, la estimacin del fl ujo de calor suministrado resulta aceptable dentro del rango explorado; sin embargo, la potencia del motor tiene mejor ajuste conforme aumenta la presin y disminu-yen las revoluciones.

Figura 3. Influencia del dimetro de apertura sobre el factor de intercepcin

Figura 4. Influencia de la inclinacin de la cavidad y la velocidad del viento sobre las rdidas trmicas

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Estudio paramtrico

Discusin de resultados del receptor

Una de las principales variables que infl uye sobre el comportamiento trmico del receptor es el dimetro in-terno de los tubos del absorbedor, como se muestra en la fi gura 6, donde al aumentar dicho dimetro se incre-menta el rea transferencia de calor y disminuye el co-efi ciente de conveccin en el interior de los tubos del absorbedor, dando como resultado un mnimo en la temperatura del absorbedor y en las prdidas trmicas, presentando un punto de mxima efi ciencia del recep-tor cuando el dimetro es 0.22 cm. Sin embargo, con un dimetro de 0.26 cm, la efi ciencia combinada alcanza

un mximo, por tal razn se selecciona este dimetro como punto de diseo. La infl uencia del nmero de tu-bos sobre la efi ciencia y capacidad del receptor mante-niendo el rea del absorbedor constante, result des-preciable.

En la fi gura 7 se muestra que al aumentar el dime-tro de apertura de la cavidad se incrementa la cantidad de irradiancia interceptada, as como la temperatura del absorbedor. Bajo estas condiciones un dimetro de apertura mayor a 8.4 cm provoca mayores prdidas tr-micas, en comparacin con el aumento de la irradiancia interceptada, presentndose un punto de mxima po-tencia producida por el motor.

Figura 5. Prediccin del flujo de calor suministrado (a) y la potencia producida (b) a diferentes velocidades y presiones de operacin

Figura 6. Influencia del dimetro sobre la transferencia calor Figura 7. Influencia del dimetro de apertura sobre la capacidad



Discusin de resultados del enfriador

En la fi gura 8 se observa que al aumentar el dimetro de los tubos del enfriador manteniendo fi ja el rea frontal del banco de tub os, se reduce el rea de fl ujo para el aire de enfriamiento, lo que incrementa la cada de presin y el coefi ciente externo de transferencia de calor por conveccin. Bajo estas condiciones la potencia elctrica til comienza a disminuir de manera considerable para dimetros mayores que 0.28 cm, debido al aumento de la potencia requerida por el ventilador. Por otra parte, los puntos de mxima potencia para el motor y para la energa elctrica til estn ligeramente prximos, esto indica que la transferencia de calor por conveccin en el interior de los tubos no es una etapa limitante para el logro de altas potencias y efi ciencias.

En la fi gura 9 se observa cmo la potencia elctrica til alcanza un valor mximo antes de que la potencia producida por el motor llegue a su mayor capacidad. Esto sucede debido a que al aumentar el nmero de co-lumnas del enfriador, la altura del banco de tubos se reduce, lo que aumenta la velocidad del aire de enfria-miento, la cada de presin y en consecuencia la poten-cia requerida por el ventilador. De igual manera, al aumentar el nmero de columnas, se incrementa el co-efi ciente de conveccin externo y la capacidad de en-friamiento del motor, reduciendo la temperatura y trabajo de compresin, lo que resulta en una mayor po-tencia neta del motor. El punto de diseo se elige para la mxima potencia elctrica.

La potencia requerida por el ventilador es uno de los principales factores que limitan la obtencin de una mayor efi ciencia global. No obstante, el sistema disea-do para una capacidad de 2.7 kW enfriado por aire lo-gra una efi ciencia aceptable.

Comportamiento del sistema

En la fi gura 10 se observa que al aumentar la irradian-cia solar el sistema incrementa su capacidad y efi cien-cia, no obstante, la temperatura de la superfi cie del absorbedor se eleva en una forma considerable. En la fi gura 11 se muestra que al aumentar la velocidad del motor, la temperatura del absorbedor disminuye, lo que provoca un aumento de la efi ciencia de la cavidad debido a la disminucin de las prdidas trmicas. La efi ciencia combinada del sistema presenta un valor mximo de 32%, no obstante, a pesar de tener una me-nor efi ciencia se selecciona el punto correspondiente a una temperatura de 957 K, debido a que la temperatu-ra de operacin es menos severa, evitando utilizar ma-teriales costosos y manteniendo una efi ciencia acep-table del sistema.

Con los resultados anteriores se muestra la factibili-dad terica del sistema de generacin elctrica termo-solar de disco parablico y motor Stirling de baja capacidad enfriado por aire.

En la tabla 1 se observa el valor de los parmetros ptimos y condiciones de operacin encontrados a tra-vs del estudio paramtrico.

Figura 8. Dimetro de diseo de los tubos del enfriadorFigura 9. Influencia del nmero de columnas de tubos del enfriador

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Conclusiones

Se desarroll un modelo matemtico para la simulacin y diseo de un sistema de generacin elctrica termoso-lar disco/Stirling de 2.7 kW enfriado directamente por aire.

El simulador desarrollado es sencillo y fcil de utili-zar como herramienta de diseo y optimizacin. Los re-sultados obtenidos por el simulador fueron comparados contra datos experimentales mostrando buena concor-dancia. El diseo del receptor tiene una gran infl uencia sobre el fl ujo de calor y la temperatura que se suministra

al motor, por lo que debe especifi carse tomando en cuen-ta su orientacin y geometra. Se encontr que el diseo del enfriador tiene una gran infl uencia sobre la potencia y efi ciencia del sistema, debido a que su mxima capaci-dad est limitada por la potencia requerida por el venti-lador. Se dise un motor Stirling enfriado directamente por aire, con una efi ciencia de 35%. El sistema de genera-cin elctrica optimizado produce 2.7 kW a una efi cien-cia global (solar a elctrica) de 27.6% y una irradiancia de 900 W/m2. Estos resultados indican que un sistema de disco/Stirling de baja capacidad enfriado por aire es po-tencialmente atractivo para la produccin de energa elctrica bajo el concepto de generacin distribuida.

Figura 10. Influencia de la irradiancia solar directa sobre la potencia

Figura 11. Comportamiento del sistema a diferentes velocidades de rotacin

Tabla 1. Parmetros de diseo del sistema Disco/StirlingConcentrador 2.7m Cavidad 30cm

Reflectividad 92% Apertura 19cm

ngulodeborde 40 Inclinacincavidad 40

Factordeintercepcin 99% Espesordelaislante 7cm

Materialaislante lanamineral Conductividaddelaislante 0.09W/mK

Condicionesdeoperacin Absorbedor Enfriador

Irradiancia 900W/m2 No.detubos 42 interno 25mm

Velocidadaireamb. 2.3m/s Interno 28mm Espesortubo 1.85mm

Tambiente 312.15K Espesortubo 2.2mm Longituddetubos 120mm

Texpansin 957K Longituddetubos 17cm No.detubos 82

Tcompresin 390K Material SS304 ngulodelarreglo 40

Sep.Transversal 110mm

Regenerador Motor Sep.Longitudinal 153mm

Regenerador 10cm Presinmedia 6.89Mpa No.dealetas 23mm1

Longitud 2cm Gasdetrabajo Helio Espesordealetas 0.33mmNo.Demallas 200 Velocidadmotor 1100rpm No.decolumnas 8

Tamaodemalla 90hiloscm Cilindro 5.24cm Materialaleta aluminioEspesordelalambre .032mm Carrera 4.4cm Tipodealeta herringbone

Concentrador/Receptor

m2



Nomenclatura

A rea, m2

Cp capacidad calorfi ca a presin constante, J/kgKcr relacin de la mnima rea de fl ujo respecto al rea

frontal, adim.Cv capacidad calorfi ca a volumen constante, J/kgKD dimetro, mDT diferencia de temperatura, Kf distancia focal, mfr factor de friccin, adim.Fc fraccin del ciclo para el fl ujo del gas hacia el inter-

cambiador, adim.Gr nmero de Grashof, adim.h coefi ciente de conveccin, W/m2K Id irradiancia solar directa, W/m

2

k conductividad, W/m2KL espesor, longitud, mm fl ujo msico, kg/sn nmero de desviaciones estndar consideradas,

adim.N nmero de tubos, adim.NTU nmero de unidades de transferencia, adim.Nu nmero de Nusselt, adimp distancia del concentrador a la zona focal, mPr nmero de Prandtl, adimQ fl ujo de calor, WT temperatura, KRe nmero de Reynolds, adimW potencia, W

Smbolos griegos

absorbancia efectiva, adim emisividad, adim constante de Stefan-Boltz mann W/m2K4

ngulo subtendido del sol, mradtot error total del colector, mrad efi ciencia, adim refl ectividad de la superfi cie, adim factor de intercepcin, adim. ngulo de inclinacin de la cavidad, grados velocidad del viento, m/s ancho de la imagen focal, m ngulo de borde del concentrador, grados incremento del ngulo de borde, grados fraccin capturada del fl ux, adim

Subndices

abs absorbedoramb ambienteap aperturacav cavidadcomb combinada (recmot)cond conduccinconv conveccinelec elctricaemit emitidaen entraenf enfriador, enfriamientoext externafe fl uido de enfriamientogen generadorint interna, internomot motornat naturalrad radiacinrec receptor (cavidad)ref refl ejadasup superfi cietot totalvent ventilador

Agradecimientos

Los autores extienden su agradecimiento a CONACYT por su apoyo a travs del proyecto con clave CONAVI- 200901-127156 y la beca otorgada para los estudios de doctorado. De igual manera, agradece a Franois Nepveu las consultas y material bibliogrfi co proporcionados.

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Semblanza de los autores

Ricardo Beltran-Chacn. Es ingeniero mecnico por la Facultad de ingeniera de la Uni-versidad Autnoma de Baja California. Actualmente es candidato a doctor en el programa MyDCI de la misma universidad y su trabajo se dirige hacia el desarrollo de tecnologas sustentables para la generacin de energa elctrica, principalmente a travs de sistemas con motor Stirling, activados trmicamente mediante energa solar.

Nicols Velzquez-Limn. Es ingeniero industrial qumico por el Instituto Tecnolgico de Los Mochis, maestro en ciencias de ingeniera qumica por el Instituto Tecnolgico de Celaya y doctor en ingeniera qumica por la Facultad de Qumica y Centro de Investigacin en Energa de la UNAM. Es investigador y jefe del Centro de Estu-dios de las Energas Renovables del Instituto de Ingeniera de la UABC. Sus inves-tigaciones se dirigen al desarrollo de tecnologas sustentables aprovechando las energas renovables, enfocndose principalmente a la aplicacin de la energa solar trmica y sistemas avanzados de enfriamiento termosolar en los sectores residen-cial, comercial e industrial.

Daniel Sauceda-Carvajal. Es ingeniero mecnico por el Instituto Tecnolgico de Mexicali. Actualmente es candidato a doctor en el programa MyDCI del Instituto de Ingenie-ra de la UABC. Sus reas de inters son el desarrollo de ciclos de enfriamiento avanzados, as como el estudio e integracin de colectores solares de mediana y alta concentracin para su aplicacin en la conservacin de alimentos y acondicio-namiento de espacios.

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análisis y diseño de un sistema de generación eléctrica

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