Análisis de un prototipo concentrador lineal fresnel mediante simulación de desempeño óptico para la elaboración de la propuesta de mejora
En el trabajo presente se desarrolló una propuesta de mejora geométrica para el prototipo Concentrador Lineal Fresnel (LFC) el cual fue desarrollado por el grupo de investigación GISEAC de las Unidades Tecnológicas de Santander con el fin de aumentar su eficiencia óptica. Este modelo propuesto es el...
- Autores:
-
Moreno Valencia, Daniel
Morales Anaya, Santiago
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2022
- Institución:
- Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNAB
- Repositorio:
- Repositorio UNAB
- Idioma:
- spa
- OAI Identifier:
- oai:repository.unab.edu.co:20.500.12749/17702
- Acceso en línea:
- http://hdl.handle.net/20.500.12749/17702
- Palabra clave:
- Energy engineering
Technological innovations
Energy
Tonatiuh
Optical analysis
Secondary reflection system
Reflectance
Prototype development
Programming languages
Solar radiation
Solar energy
Ingeniería en energía
Innovaciones tecnológicas
Energía
Desarrollo de prototipos
Lenguajes de programación
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SolTrace
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Análisis óptico SolTrace Sistema de reflexión secundario Reflectancia |
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En el trabajo presente se desarrolló una propuesta de mejora geométrica para el prototipo Concentrador Lineal Fresnel (LFC) el cual fue desarrollado por el grupo de investigación GISEAC de las Unidades Tecnológicas de Santander con el fin de aumentar su eficiencia óptica. Este modelo propuesto es el resultado de un análisis óptico basado en una simulación numérica en MATLAB y en el método MCRT, por medio de la aplicación de softwares como Sol trace y Tonatiuh, que utiliza una combinación de trazado de rayos y técnica de Monte Carlo. En estos softwares se evaluó la influencia de la variación de parámetros geométricos y ópticos del sistema reflector primario y secundario en la energía solar captada en el receptor y en su eficiencia óptica. Para mejorar su eficiencia óptica, se seleccionó primero un diseño de un sistema de reflexión secundario mediante el concepto de tecnología apropiada, tomando como referencia la geometría y materiales de un prototipo CPC con el fin de reemplazarlo por el modelo trapezoidal del modelo base inicial. El modelo, corresponde a una geometría tipo CPC y es validado mediante pruebas simuladas por el software Tonatiuh, Soltrace y Matlab comparado con el modelo inicial aumenta un 24% al 25% según los resultados de Soltrace y Tonatiuh. Segundo se propuso un cambio en el sistema reflector primario variando el ancho, longitud y separación entre espejos, se evalúan distintas alternativas de variaciones de la longitud del espejo entre 1 metro y 1.8 metros y para el ancho del espejo entre 0.08 metros y 0.12 metros. También se simuló con las mismas condiciones anteriores pero esta vez variando la reflectancia de 0.712 a 0.92 con un vidrio blanco de alta transparencia con un grosor de 4mm. Como resultado, se escogió un modelo conformado por el concentrador de reflexión secundario tipo CPC y se aumentó el ancho de los espejos a 0.12 metros y 1.8 de longitud con una reflectancia de 0.92 y un grosor de 4mm, mejorando la eficiencia óptica un 49% según Soltrace, 48% según Tonatiuh y un 37% según Matlab con respecto al modelo base. |
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Este modelo propuesto es el resultado de un análisis óptico basado en una simulación numérica en MATLAB y en el método MCRT, por medio de la aplicación de softwares como Sol trace y Tonatiuh, que utiliza una combinación de trazado de rayos y técnica de Monte Carlo. En estos softwares se evaluó la influencia de la variación de parámetros geométricos y ópticos del sistema reflector primario y secundario en la energía solar captada en el receptor y en su eficiencia óptica. Para mejorar su eficiencia óptica, se seleccionó primero un diseño de un sistema de reflexión secundario mediante el concepto de tecnología apropiada, tomando como referencia la geometría y materiales de un prototipo CPC con el fin de reemplazarlo por el modelo trapezoidal del modelo base inicial. El modelo, corresponde a una geometría tipo CPC y es validado mediante pruebas simuladas por el software Tonatiuh, Soltrace y Matlab comparado con el modelo inicial aumenta un 24% al 25% según los resultados de Soltrace y Tonatiuh. Segundo se propuso un cambio en el sistema reflector primario variando el ancho, longitud y separación entre espejos, se evalúan distintas alternativas de variaciones de la longitud del espejo entre 1 metro y 1.8 metros y para el ancho del espejo entre 0.08 metros y 0.12 metros. También se simuló con las mismas condiciones anteriores pero esta vez variando la reflectancia de 0.712 a 0.92 con un vidrio blanco de alta transparencia con un grosor de 4mm. Como resultado, se escogió un modelo conformado por el concentrador de reflexión secundario tipo CPC y se aumentó el ancho de los espejos a 0.12 metros y 1.8 de longitud con una reflectancia de 0.92 y un grosor de 4mm, mejorando la eficiencia óptica un 49% según Soltrace, 48% según Tonatiuh y un 37% según Matlab con respecto al modelo base.TABLA DE CONTENIDO 1. RESUMEN......................................................................................................12 2. INTRODUCCIÓN............................................................................................14 3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.............................................................16 4. JUSTIFICACIÓN.............................................................................................17 5. ALCANCES Y LIMITES. .................................................................................18 6. MARCO REFERENCIAL ................................................................................19 6.1. MARCO CONCEPTUAL ..............................................................................19 6.2. ANTECEDENTES........................................................................................24 6.3. MARCO LEGAL ...........................................................................................26 7. OBJETIVOS....................................................................................................29 7.1. OBJETIVO GENERAL .................................................................................29 7.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS........................................................................29 8. METODOLOGÍA.............................................................................................30 8.1. FASE 1. CONSOLIDACION DE INFORMACIÓN E IDENTIFICACIÓN DE PARÁMETROS......................................................................................................30 8.2. FASE 2. MODELADO DEL SISTEMA LFC Y DESARROLLO DE SIMULACIONES EN SOLTRACE, TONATIUH Y MATLAB...................................31 8.3. FASE 3. ANÁLISIS TRAZADO DE RAYOS DE MONTECARLO Y SU EFICIENCIA ÓPTICA ............................................................................................31 8.4. FASE 4. PROPUESTA FINAL DE MEJORA DE LA EFICIENCIA OPTICA.32 9. DESARROLLO DE TRABAJO DE GRADO....................................................34 9.1. CONDICIONES INICIALES DEL PROTOTIPO LFC....................................34 9.2. SELECCIÓN DEL NUEVO SISTEMA DE REFLEXIÓN SECUNDARIO......40 9.3. SISTEMA DE REFLEXIÓN SECUNDARIO NUEVO....................................44 9.4. SELECCIÓN DE LOS PARÁMETROS GEOMÉTRICOS A VARIAR DEL SISTEMA DE REFLEXIÓN PRIMARIO .................................................................47 9.5. ANÁLISIS DEL MODELO MATEMÁTICO DEL SISTEMA...........................52 9.6. SIMULACIÓN DEL SISTEMA LFC EN TONATIUH .....................................59 9.7. SIMULACIÓN SOFWARE SOLTRACE .......................................................72 10. RESULTADOS.............................................................................................79 10.1. EJEMPLO DE CÁLCULO EFICIENCIA EN TONATIUH Y SOLTRACE. ..79 10.2. RESULTADOS PARA ENCONTRAR EL PUNTO MÁXIMO DE EFICIENCIA...........................................................................................................80 10.3. RESULTADOS DEL ESCENARIO DE SIMULACIÓN CON UNA REFLECTANCIA DE 0.712....................................................................................81 10.4. RESULTADOS DEL ESCENARIO DE SIMULACIÓN CON UNA REFLECTANCIA DE 0.92......................................................................................85 10.5. COMPARACIÓN POR SOFTWARE DEL SISTEMA INICIAL Y PROPUESTO ........................................................................................................88 10.6. PROPUESTA DE MEJORA GEOMÉTRICA EN EL SISTEMA LINEAL FRESNEL. .............................................................................................................91 11. CONCLUSIONES ........................................................................................94 6 12. RECOMENDACIONES................................................................................95PregradoIn the present work, a geometrical improvement proposal was developed for the Linear Fresnel Concentrator (LFC) prototype, which was developed by the GISEAC research group of the Technological Units of Santander in order to increase its optical efficiency. This proposed model is the result of an optical analysis based on a numerical simulation in MATLAB and the MCRT method, through the application of software such as Sol trace and Tonatiuh, which uses a combination of ray tracing and Monte Carlo technique. The influence of the variation of geometrical and optical parameters of the primary and secondary reflector system on the solar energy captured in the receiver and on its optical efficiency was evaluated in these softwares. To improve its optical efficiency, a secondary reflector system design was first selected using the appropriate technology concept, taking as a reference the geometry and materials of a CPC prototype in order to replace it with the trapezoidal model of the initial base model. The model corresponds to a CPC type geometry and is validated by simulated tests by Tonatiuh, Soltrace and Matlab software compared to the initial model increases 24% to 25% according to the results of Soltrace and Tonatiuh. Secondly, a change in the primary reflector system was proposed by varying the width, length and separation between mirrors, different alternatives are evaluated for mirror length variations between 1 meter and 1.8 meters and for mirror width between 0.08 meters and 0.12 meters. It was also simulated with the same conditions as above but this time varying the reflectance from 0.712 to 0.92 with a high transparency white glass with a thickness of 4mm. As a result, a model consisting of the CPC type secondary reflection concentrator was chosen and the width of the mirrors was increased to 0.12 meters and 1.8 meters in length with a reflectance of 0.92 and a thickness of 4mm, improving the optical efficiency by 49% according to Soltrace, 48% according to Tonatiuh and 37% according to Matlab with respect to the base model.application/pdfspahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/Abierto (Texto Completo)Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 Colombiahttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Análisis de un prototipo concentrador lineal fresnel mediante simulación de desempeño óptico para la elaboración de la propuesta de mejoraAnalysis of a Fresnel linear concentrator prototype by means of optical performance simulation for the elaboration of the improvement proposalIngeniero en EnergíaUniversidad Autónoma de Bucaramanga UNABPregrado Ingeniería en Energíainfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisTrabajo de Gradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1finfo:eu-repo/semantics/acceptedVersionhttp://purl.org/redcol/resource_type/TPEnergy engineeringTechnological innovationsEnergyTonatiuhOptical analysisSecondary reflection systemReflectancePrototype developmentProgramming languagesSolar radiationSolar energyIngeniería en energíaInnovaciones tecnológicasEnergíaDesarrollo de prototiposLenguajes de programaciónRadiación solarEnergía solarAnálisis ópticoSolTraceSistema de reflexión secundarioReflectancia[1] A. 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