proyecto de investigaciÓn: diseÑo de un sistema de
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PROYECTO DE INVESTIGACIÓN:
DISEÑO DE UN SISTEMA DE COGENERACIÓN
BASADO EN UNA TURBINA Y CELDAS FOTOVOLTAICAS
PRESENTA:
Raúl López Leal
Alumno participante:
Jonathan Cortina Mavil
DICIEMBRE 2014
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Contenido
JUSTIFICACIÓN ..................................................................................................... 3
OBJETIVOS ............................................................................................................ 4
Objetivo general. .................................................................................................. 4 Objetivos específicos. .......................................................................................... 4
PROBLEMÁTICA A RESOLVER ............................................................................ 5
PROCEDIMIENTO Y DESCRIPCIÓN DE LAS ACTIVIDADES REALIZADAS ....... 6
Descripción General ............................................................................................ 6 A) Colector solar ............................................................................................... 6
B) Chimenea ..................................................................................................... 7
C) Turbina ......................................................................................................... 7
Funcionamiento y condiciones del sistema ..................................................... 10
Principio Físicos .............................................................................................. 11
HERRAMIENTAS UTILIZADAS ...................................................................... 11
Geometrías ..................................................................................................... 13
RESULTADOS ...................................................................................................... 18
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................................................ 22
COMPETENCIAS DESARROLLADAS ................................................................. 23
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JUSTIFICACIÓN
La producción de energía actual a partir del carbón y el petróleo es perjudicial para
el medio ambiente, aparte del hecho de que las fuentes de energía fósiles son no-
renovables. Las centrales nucleares no son la alternativa real, estas son un riesgo
inaceptable en muchos lugares. Lo que necesitamos es una fuente de energía
renovable con el medio ambiente que esté disponible para todas las personas.
La energía solar es la respuesta: aunque mayormente disponible en países con
mayor radiación solar, esta también puede ser viable en zonas de menor radiación
solar, esto generaría un alivio al medio ambiente. Al utilizar estas energías tiene
un efecto positivo reduciendo la producción de energía perjudicial para el medio
ambiente por las naciones industriales.
El uso de la energía solar no solo debe ser simple y confiable; sino que también
debe ser accesible tecnológicamente a los países menos desarrollados que a
menudo tienen recursos limitados de las materias primas; no debe necesitar agua
de refrigeración o producir calor residual; y debe basarse en la producción
ecológicamente racional de materiales renovables.
La chimenea solar cumple con estas condiciones: se produce aire caliente por el
sol bajo un gran techo de cristal. Este fluye a una chimenea en el centro del techo
y se extrae hacia arriba. La corriente de aire ascendente mueve las turbinas
instaladas en la base de la chimenea, y éstos producen electricidad.
La chimenea solar combina tres técnicas conocidas: el techo de cristal sencillo de
colector de aire caliente, la chimenea, y las turbinas eólicas con generadores.
Este proyecto fundamenta los principios del efecto stack y efecto chimenea
agregando una innovación tecnológica en su diseño de captación solar, la cual se
diferencia por tener un lente de fresnel como concentrador solar y este a su vez
concentra su radiación a un radiador térmico.
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OBJETIVOS
Objetivo general. Realizar un diseño de un sistema de cogeneración eléctrica basado en una estructura de efecto stack con diseño cilíndrico.
Objetivos específicos.
1.- Investigar características del fenómeno para la simulación del sistema.
2.- Cuantificar la eficiencia dinámica del sistema a través de una simulación.
3.- Cuantificar la eficiencia termodinámica del sistema de cogeneración a través
de una simulación.
4.- Analizar la eficiencia variando las dimensiones de la estructura.
5.- Estimar el impacto económico ambiental por la generación de la energía a
través del sistema
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PROBLEMÁTICA A RESOLVER
Para lograr los objetivos mencionados en el punto anterior, se requerirá la
siguiente metodología, considerando siempre cambios en ella cuando sea
necesario.
• Revisión y consulta bibliográfica: Se revisará y procederá a recopilar información
sobre las tecnologías de producción de energía eléctrica a partir de la
concentración solar, los principios físicos que rigen las chimeneas solares, para
así lograr un contexto comparativo frente a la forma de obtención de energía
eléctrica a partir de las chimeneas solares. Esta investigación, además deberá
recabar información de herramientas de simulación de análisis CFD, así como su
uso y aplicación además algunos estudios hechos definidos de forma previa al
presente trabajo.
• Modelación y análisis de datos: Se procederá de forma posterior a la modelación
de diferentes medidas en la estructura bajo consideración de la relación diámetro
superior e inferior, aplicando en la simulación cambios en la presión y la
temperatura. Se realizará un breve estudio de sensibilidad de la respuesta de la
estructura en relación al cambio de algunos de los parámetros del suelo presión
atmosférica. Por último se realizara la cuantificación de la eficiencia en la dinámica
• Revisión y análisis de resultados: Se discutirán los resultados de forma oportuna
luego de la exposición de los resultados, ya sea en gráficos o tablas para así
concluir cuales son los parámetros de real importancia y condiciones bajo las
cuales la Chimenea Solar son más viables.
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PROCEDIMIENTO Y DESCRIPCIÓN DE LAS ACTIVIDADES REALIZADAS
Descripción General
El propósito es de extraer energía mecánica de una corriente ascendente de aire
impulsado por energía solar. El objeto de éste proyecto es el demostrar la
viabilidad de las propuestas, se expondrán los resultados obtenidos, que
conllevaron a la propuesta de diseño final y las recomendaciones así como una
nueva aplicación a los actuales proyectos que involucran a la Chimenea Solar.
Cada una de las propuestas es descrita con la profundidad que permiten los
documentos disponibles, que van desde artículos divulgativos, libros y tutoriales.
Como otras muchas grandes ideas, la Chimenea Solar es un conjunto de
tecnologías ya conocidas a las que se les ha dado una aplicación diferente.
Las tecnologías básicas que conforman una planta de energía de Chimenea Solar
son:
a) Colector solar
b) Chimenea
c) Turbina
A) Colector solar
Un colector solar o invernadero es una construcción de material
transparente que eleva la temperatura del aire en su interior
absorbiendo la energía radiante del sol.
FIGURA 1 LENTE FESNEL
VS LENTE PLANO
CONVEXA
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En este caso se reemplazara del modelo original de colector tipo invernadero por
un lente Difractivo de fresnel mostrado en la figura 1como concentrador solar, este
tendrá su punto focal dirigido hacia un radiador y este a su vez radiara al aire a su
alrededor para propiciar el efecto al interior de la estructura.
B) Chimenea Las chimeneas se conocen desde tiempos más antiguos. Una
chimenea es un sistema usado para evacuar gases calientes y
humos de combustión de lugares como hornos, estufas, fogones
u hogares de calderas. Típicamente tienen la forma de un
cilindro largo que va verticalmente desde el lugar donde se
generan los gases a evacuar hasta otro lugar alto a donde los
gases se desechan. Ya desde la antigüedad, las viviendas se
construían con un calefactor interior donde se quemaba leña en
los meses fríos. La necesidad de evacuar los gases de la
combustión se hizo evidente y la chimenea aprovecha la
corriente ascendente que provoca el aire caliente para desechar
los gases. Tiempo después el mismo principio fue utilizado en
fábricas y transportes. Es un dispositivo muy simple, pero
funcional.
C) Turbina De la corriente de aire en la chimenea se puede obtener una salida mecánica en
forma de energía rotacional con el uso de una o varias turbinas. En una planta de
chimenea solar las turbinas no funcionan aprovechando la velocidad del aire,
como en los aerogeneradores al aire libre, en cambio aprovechan la presión del
viento, como en una estación hidroeléctrica, donde la presión estática del fluido es
convertida en energía rotacional por medio de turbinas cerradas.
FIGURA 2 ESTRUCTURA
DE UNA CHIMENEA
SOLAR CON UNA
TURBINA EN LA BASE
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La potencia específica entregada por una turbina de presión, (potencia entregada
por unidad de área que barre el rotor), es aproximadamente 8 veces más grande
que la que entregaría una turbina de velocidad de las mismas dimensiones. Las
velocidades del aire en la entrada y en la salida de la turbina son similares. La
potencia de salida alcanzada es proporcional al producto del flujo de volumen de
aire por unidad de tiempo (gasto volumétrico) y el diferencial de presión que actúa
sobre la turbina. El objetivo del sistema de control de la turbina es maximizar este
producto para alcanzar una máxima entrega de potencia bajo todas las
condiciones de operación posibles. El ángulo de ataque de la hoja del rotor es
ajustado durante la operación de la turbina para obtener la máxima salida de
potencia conforme la velocidad y volumen del aire varían. Si los lados planos de
las hojas del rotor se encuentran perpendiculares al flujo de aire, el aire no podrá
pasar a través de la turbina y ésta no girará. Si las hojas del rotor se colocan
paralelas al flujo de aire, este pasará a través de la turbina sin impedimento alguno
y sin caída de presión, por lo que el rotor no girará y no se generará potencia
alguna. Por lo tanto, el punto óptimo de funcionamiento se encuentra en un lugar
entre estos dos extremos. Se sabe que la salida de potencia es máxima cuándo la
caída de presión en la turbina es de alrededor de 2/3 del diferencial de presión
total disponible. La fracción óptima depende de las características de la planta,
como las pérdidas de presión por fricción.
En una chimenea solar no existen cargas dinámicas críticas que actúen sobre las
turbinas, como ocurre en los aerogeneradores al aire libre debido a la intermitencia
del viento. Por su naturaleza, el colector solar se comporta como un búfer para el
suministro de aire caliente, con un tiempo de respuesta lento, lo que significa que
si a lo largo del día los parámetros de funcionamiento cambian, cómo la
temperatura y presión del aire atmosférico y obviamente la radiación solar, los
cambios de velocidad y presión en el aire que suministra el colector serán de
manera lenta y gradual y el sistema de control de la turbina no tendrá que
enfrentarse a cambios rápidos e intermitentes, lo que disminuye el estrés de
funcionamiento y alarga la vida útil de la instalación.
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La turbina representa un obstáculo para el libre flujo de la corriente de aire, lo que
se traduce en un mayor tiempo de residencia del aire en el colector. Si el aire es
calentado más tiempo, entonces su aumento de temperatura es mayor, además,
Las turbinas por lo regular se colocan en la base de la chimenea.
Existen varias opciones para la orientación y número de turbinas, y la mejor opción
dependerá del tamaño y características de la planta, así como de los recursos y
tecnologías disponibles. Se puede elegir entre una sola turbina de eje vertical
cuyas paletas barran la totalidad del área interior de la chimenea o varias turbinas
más pequeñas dispuestas de manera que en conjunto cubran el mismo espacio.
Otra opción es instalar un gran número de pequeñas turbinas de eje horizontal en
la periferia del área de transición entre el techo del colector y la base de la
chimenea, de un modo similar a los ventiladores que se instalan en la base de una
torre de enfriamiento.
FIGURA 3 SUGERENCIA DE DISEÑOS DE ASPAS PARA LA CHIMENEA SOLAR – IZQUIERDA: POSIBLE ADAPTACIÓN A
CUALQUIER ALTURA DE LA CHIMENEA A PARTIR DEL INLET –DERECHA: IMPULSOR DE TURBINA PARA ADAPTACIÓN
EN LA BASE DE LA CHIMENEA
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Funcionamiento y condiciones del sistema
La salida de potencia de una chimenea solar depende de parámetros como las
condiciones ambientales (insolación, temperatura ambiente y velocidad del viento)
y las dimensiones de la chimenea y de la fuente colectora de la radiación solar. El
análisis aquí descrito está basado en las siguientes simplificaciones:
Se desprecia el flujo asimétrico del aire dentro del inlet, esto es, el
calentamiento no uniforme de la superficie del lente en términos del ángulo
de elevación del sol, ya que se supone la tecnología a utilizar será un lente
fresnel fijo.
Se considera 1 atm de presión en el inlet y outlet.
Velocidad de o m/s.
Se desprecian las pérdidas de calor a través de las paredes de la
chimenea.
Se considera un estado estable de la simulación.
Al modificar su densidad el aire más caliente tiende a elevarse y el más frio
a remplazar el vacío provocando un desplazamiento en las partículas de
aire y por consiguiente un aumento en la velocidad de las mismas.
El aire es considerado como un gas ideal a 25°c.
En ésta parte del análisis se determinará el aumento de temperatura en la
chimenea, asumiendo un flujo másico inicial de aire y se calculará el valor final
mediante técnicas iterativas. El inlet es considerado como una cavidad entre dos
placas paralelas.
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El radiador de una chimenea solar es un calentador solar de aire, que consiste en
un arreglo de pequeños láminas interconectadas por tubería de cobre su diseño y
eficiencia no están contemplados en este proyecto.
Principio Físicos Efecto Stack
El movimiento del aire producido por el efecto stack ocurre cuando las diferencias
de temperatura causan diferencias de densidad del aire y provocan diferencias de
presión en el interior y el exterior.
Al modificar su densidad el aire más caliente tiende a elevarse y el más frio a
remplazar el vacío provocando un desplazamiento en las partículas de aire y por
consiguiente un aumento en la velocidad de las mismas.
HERRAMIENTAS UTILIZADAS
ANSYS CFX
ANSYS CFX es un software de dinámica de fluidos computacional CFD de propósito
general, el cual combina un solucionador avanzado con poderosas de pre y post-proceso.
Tipos de Modelamiento en CFX
Fluidos en estado estable y transitorio
subsónicos, transiticos y supersónicos
-Newtonianos
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Flujos multifase
Combustión
múltiples marcos de referencia
partículas
Características de CFX
1. Un avanzado solucionador acoplado que es a la vez robusto y confiable.
2. Integración completa de la definición del problema, análisis y presentación de
resultados.
3. Un proceso intuitivo e interactivo, usando menús y graficas avanzadas.
ANSYS CFX-Pre
Ansys CFX es el procesador de definiciones físicas de Ansys CFX. Se usa para
importar el enmallado y seleccionar los modelos físicos usados en la simulación.
ANSYS CFX-Solver
Soluciona todas las variables para la simulación a partir de las especificaciones
del problema generadas en ANSYS CFX-Pre. Este solucionador es mucho más
rápido que los solucionadores segregados tradicionales y se requiere menor
número de iteraciones para alcanzar la convergencia.
ANSYS CFX-Post
Proporciona herramientas gráficas y numéricas de post – proceso para analizar y
presentar los resultados de las simulaciones de ANSYS CFX.
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Regiones de Flujo en ANSYS CFX
DOMINIOS
En ANSYS CFX, las regiones de flujo de fluidos y o la transferencia de calor, son
llamados dominios. Los dominios de fluido definen una región de flujo de fluido,
mientras que los dominios de solidos son regiones ocupadas por solidos
conductores, en los cuales se pueden especificar fuentes volumétricas de energía.
Geometrías
Las 8 geometrías se realizaron en SpaceClaim 2014 tomando como referencia
medidas indicadas previamente para poder seleccionar el modelo con mayor
eficiencia dinámica a continuación se muestra las medidas designadas para los
diámetros y alturas.
FIGURA 4 MEDIDAS DE LOS DISEÑOS DE ESTRUCTURAS A UNA ALTURA DE 5M PARA LA SIMULACIÓN.
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FIGURA 5 MEDIDAS DE LOS DISEÑOS DE ESTRUCTURAS A UNA ALTURA DE 52 PARA LA SIMULACIÓN.
ALTURA CHIMENEA (m) DIAMETRO INFERIOR DIAMETRO SUPERIOR
5 1 0.5
5 1 0.75
5 2 0.5
5 2 0.75
2 1 0.5
2 1 0.75
2 2 0.5
2 2 0.75
TABLA 1 MEDIDAS DE LAS GEOMETRÍAS
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Mallado
Luego de tener definida la geometría para la simulación, se procedió a mallar las
geometría y asignar los nombres de las fronteras, se utilizó la un mallado
automático con aplicación de un tamaño inferior en las fronteras denominadas
“inlet” y “outlet” este procedimiento se realizó en Ansys
Mechanical.
FIGURA 6 MALLADO DE LAS GEOMETRÍAS DE 5M DE ALTURA PARA LA SIMULACIÓN.
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FIGURA 7 MALLADO DE LAS GEOMETRÍAS DE 2M DE ALTURA PARA LA SIMULACIÓN.
Pre-proceso
El pre procesamiento de la simulación se desarrolló en el paquete Ansys CFX-Pre.
Aquí se importó el enmallado de la geometría definida en y se definieron las
condiciones de frontera de la simulación. Estas condiciones están dadas por las
condiciones investigadas anteriormente para propiciar el efecto stack dentro de la
chimenea, cabe destacar que las condiciones se realizaron de forma “ideal”. Estos
fueron:
a)
Definición del dominio
Se usó el modelo de turbulencia k-épsilon debido a la irregularidad geométrica del
dominio. Para definir una simulación de flujo compresible en CFX-Pre se necesitan
dos requisitos fundamentales: el primero es que las propiedades del material, en
este caso aire en configuración de gas ideal, y la densidad como una función de la
presión y/o de la temperatura; el segundo es que el modelo de transferencia de
calor tenga la opción de energía total.
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Este último requerimiento incluye los términos de energía cinética (debidos a un
cambio brusco de velocidad y/o presión) y da la posibilidad de incluir un término de
energía por disipación viscosa, que para este caso no se usó
Resumen de las condiciones configuradas para el dominio computacional
realizado a las geometrías:
Simulación en estado estable
Aire gas ideal a 25°c.
Velocidad inlet 0m/s.
Temperatura variable de 100° a 500°.
Presión de 1Atm en inlet y outlet.
Modelo de turbulencia K-épsilon.
Fluido continuo
Opción “bouyant”
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RESULTADOS
FIGURA 8 RESULTADOS DE LOS ANÁLISIS APLICADOS A LAS GEOMETRÍAS DE 5M DE ALTURA A 100°C
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FIGURA 9 RESULTADOS DE LOS ANÁLISIS APLICADOS A LAS GEOMETRÍAS DE 2M DE ALTURA A 100°C
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ALTURA
CHIMENEA (m)
DIAMETRO
INFERIOR
DIAMETRO
SUPERIOR
VELOCIDAD
INLET m/s
VELOCIDAD
CENTRO m/s
VELOCIDAD
OUTLET m/s
2 1 0.5 0.54 0.58 1.04
2 1 0.75 3.04 3.44 3.65
2 2 0.5 1.48 1.67 3.41
2 2 0.75 1.74 2.17 3.65
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
VELOCIDAD INLET m/s VELOCIDAD CENTRO m/s VELOCIDAD OUTLET m/s
RANGO VELOCIDADES CHIMENEA ALTURA 2m
Series1 Series2 Series3 Series4
TABLA 2 RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES Y GRAFICA DE LAS VELOCIDADES OBTENIDAS PARA LAS GEOMETRÍAS
DE 2M DE ALTURA
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ALTURA
CHIMENEA (m)
DIAMETRO
INFERIOR
DIAMETRO
SUPERIOR
VELOCIDAD
INLET m/s
VELOCIDAD
CENTRO m/s
VELOCIDAD
OUTLET m/s
5 1 0.5 2.82 3.59 5.51
5 1 0.75 4.31 5.03 5.65
5 2 0.5 0.77 1.31 5.56
5 2 0.75 2.19 2.76 5.46
0
1
2
3
4
5
6
VELOCIDAD INLET m/s VELOCIDAD CENTRO m/s VELOCIDAD OUTLET m/s
RANGO DE VELOCIDADES CHIMENEA ALTURA 5m
Series1 Series2 Series3 Series4
TABLA 3 RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES Y GRAFICA DE LAS VELOCIDADES OBTENIDAS PARA LAS GEOMETRÍAS
DE 5M DE ALTURA
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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Al graficar la variable de velocidad observamos el valor de esta en diferentes tipos de estructura, en donde el mayor interés era determinar el valor en la salida, debido a que a esta velocidad el aire impacta a los aspas y o impulsores de la turbina. La velocidad de la corriente ascendente de aire dentro de la chimenea es aproximadamente proporcional al aumento de temperatura en el radiador y a la altura de la chimenea
La eficiencia de la chimenea es prácticamente dependiente del aumento de la temperatura del aire en el radiador; también está determinada esencialmente por la temperatura exterior (mientras más baja sea ésta temperatura, mayor eficiencia) y por la altura de la chimenea (mientras más alta sea la chimenea, mayor eficiencia). Como se demostró en la simulación también infiere en la dinámica del fluido la geometría por lo que se recomienda una estructura cilíndrica para evitar cualquier turbulencia y recirculación del aire en la estructura, el aumento de temperatura en el radiador por la concentración del lente fresnel es determinante para la cantidad de energía que el radiador puede entregar a la chimenea. Así, aunque la energía disponible sea poca, la chimenea será capaz de transformarla
de manera satisfactoria si posee las dimensiones adecuadas. Aún con éstas características, la eficiencia de la chimenea es relativamente baja si se compara con las eficiencias del radiador y de la turbina. Es por esto que la altura y diámetro de la chimenea es tan importante, y la chimenea debe ser lo más alta posible.
FIGURA 10 CORRESPONDE AL MODELO MÁS
EFICIENTE ENCONTRADO EN LAS SIMULACIONES
CORRESPONDE AL DE 1M DIÁMETRO INFERIOR
Y .75M SUPERIOR A UNA ALTURA DE 5M