Proyecto mecánico y de montaje de un concentrador solar tipo Fresnel con plataforma horizontal giratoria

摘要

Desde sus inicios, la humanidad ha aprovechado el Sol como recurso energético para el desarrollo de sus actividades y la mejora de la calidad de vida. En la época griega y romana, se llevaba a cabo un aprovechamiento principalmente pasivo de la energía solar, mediante el uso de la Arquitectura Solar, la cual establecía unas pautas de la orientación y distribución de los edificios, de forma que penetrara la mayor cantidad de radiación posible al interior de las viviendas. Con la introducción por parte de los romanos del vidrio como elemento aislante en ventanas e invernaderos, se conseguiría un mayor aprovechamiento de la energía incidente, atrapando en el interior el calor procedente del sol. udYa en la Grecia y Roma antiguas se introdujo un entonces nuevo concepto: la concentración solar. Ésta consiste en la reflexión de los rayos solares incidentes mediante el uso de espejos curvados, dirigiéndolos a un foco común, en el que se sitúa el receptor. Los mayores avances en concentración solar tuvieron lugar en los siglos XVIII y XIX, gracias a las investigaciones de científicos como Mouchot, Pifre o Tellier, los cuales ante el temor de una hipotética crisis del carbón, buscaron formas alternativas de producción de vapor para alimentar las máquinas industriales, centrando sus investigaciones en la concentración solar. Ante el dominio actual de los combustibles fósiles como fuente de energía, dados sus conocidos efectos negativos sobre el medio ambiente, surge la necesidad de buscar formas alternativas de aprovechamiento de la energía. En las últimas décadas se ha producido un giro progresivo hacia el uso de energías renovables, al permitir éstas la producción de grandes cantidades de energía con un impacto ambiental reducido. Pese al dominio de la energía solar fotovoltaica, la energía de concentración solar supone una línea de investigación cargada de futuro, con el aumento de la eficiencia y la reducción de costes como uno de sus principales objetivos. udLas cuatro tecnologías de concentración solar existentes en la actualidad son la cilindro-parabólica, torre central, disco-stirling y Fresnel. La tecnología Fresnel hace uso de espejos planos o de poca curvatura, concentrando los rayos solares sobre una línea focal común, en la que se encuentra situado el receptor, por el interior del cual circula un fluido calorífico que aumenta su temperatura a su paso por éste gracias al calor procedente de los rayos concentrados. En el caso del prototipo objeto del presente proyecto, el fluido calorífico será aire a presión atmosférica, de manera que los sistemas de impulsión y conducción sean mucho más sencillos. udEl objetivo del presente proyecto es el diseño mecánico y de montaje de los principales componentes de un prototipo de concentrador solar de tipo Fresnel con plataforma horizontal giratoria, que permita el seguimiento del movimiento solar. El prototipo será instalado en el Centro Tecnológico Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid situado en el campus Tecnogetafe. udPara el aumento de la eficiencia de los sistemas Fresnel, los espejos deben estar dotados de un sistema que permita el seguimiento del ángulo solar o acimutal, de manera que se garantice en todo momento la máxima irradiación posible sobre los espejos. Uno de los principales problemas de la tecnología de concentración Fresnel es la aparición de sombras provocadas por algunos espejos sobre otros, lo que disminuye el rendimiento. Mediante el montaje de un campo de espejos Fresnel sobre una plataforma giratoria que siga la trayectoria solar, se eliminan posibles sombras, garantizando una radiación trasversal nula y se prescinde de sistemas de seguimiento individuales para cada espejo, lo que resulta en un sistema más sencillo, robusto, económico y eficiente. udEl prototipo consta por tanto de 4 elementos fundamentales: La base, el sistema de giro y soporte, el circuito del fluido calorífico y el campo de espejos. Para el correcto funcionamiento del prototipo, éste deberá contar con un firme adecuado al apoyo y un sistema de impulsión del fluido calorífico. Estos son los elementos que se diseñan y dimensionan en el proyecto, y son distribuidos en la plataforma conforme a su función, de manera que se facilite la funcionalidad del mismo. El prototipo cuenta con un plano de simetría diametral, en el cual estarán contenidos el receptor y el Sol. A ambos lados de dicho plano se distribuyen los espejos formando dos campos de espejos simétricos, formados por 4 bandas de espejos de 7, 6, 5 y 3 metros de longitud y 1 metro de ancho aproximadamente.udLa base estará constituida por una estructura circular de 8 metros de diámetro formada por 12 perfiles tubulares rectangulares de acero dispuestos en dirección radial. Entre los perfiles radiales se situarán perfiles en dirección tangencial a modo de refuerzo, otorgando a la base una mayor rigidez. udComo apoyo de la estructura se diseña un sistema formado por un rodamiento plano situado en el nodo central de la plataforma y 12 ruedas exteriores, situadas al extremo de cada uno de los 12 perfiles radiales. La plataforma pivotará entorno a su propio eje, coincidente con el eje del apoyo central, gracias a las 12 ruedas exteriores, en las cuales irá instalado un accionamiento eléctrico que otorgue al sistema el movimiento necesario para el seguimiento solar. udPara el correcto funcionamiento del sistema de giro, será indispensable garantizar un apoyo firme y liso. Par ello se diseña el acondicionamiento necesario del emplazamiento, procediendo a la construcción de un pavimento de hormigón armado con una resistencia a compresión de 40 MPa. En dicho pavimento se asentarán las 12 ruedas y se anclará el apoyo del soporte central. El emplazamiento se dotará también de los elementos auxiliares necesarios tales como arquetas, canalizaciones o vallado. Una vez diseñada la base, el apoyo de ésta y el firme donde irá instalada, se procede al diseño y distribución del resto de elementos. udEl receptor deberá estar situado en el centro de la plataforma, de manera diametral, y a una determinada altura, la cual permita la colocación de los espejos sin que se produzcan sombras. Será necesario un receptor de 7 metros de longitud, con una pendiente de 5º con respecto a la horizontal, y que esté situado a 4,5 metros sobre el nivel del campo de espejos. Para ello, se diseña un circuito continuo de tubería, sin cambios de sección ni material, por cuyo interior circulará el aire. El receptor estará constituido por un tramo recto de dicho circuito situado en la posición antes descrita. Como sistema de impulsión se emplearán ventiladores centrífugos situados al comienzo del sistema. Dado que existen dos campos de espejos a cada lado del plano de simetría, se hará uso de dos circuitos simétricos, los cuales estarán separados 1 cm en el tramo recto del receptor. udEl fluido, antes de ser expulsado pasará por un intercambiador de tubos concéntricos a contraflujo, formando una “U” de 13 metros de longitud. Observando las diferencias de temperatura que se produzcan en el agua será posible valorar cualitativamente el enfoque de los espejos sobre el receptor. udFinalmente, se diseña un sistema de soporte y combado de espejos formado por perfiles de aluminio que permita mantener a los mismos en la posición adecuada requerida por la geometría del enfoque y, mediante la aplicación de un par de giro en los extremos, otorgarle la curvatura necesaria. Para la aplicación del par de giro en el extremo de los espejos se hace uso de un sistema de pinzas las cuales, mediante un desplazamiento en el brazo de las mismas, ejercen un giro sobre el espejo. udEl proyecto presenta un presupuesto de ejecución de 31.606,10 €, en el que están incluidos tanto el coste de las piezas como la mano de obra necesaria para la fabricación y/o modificación de las mismas.