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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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Page 1: PROYECTO DE INVESTIGACIÓN: DISEÑO DE UN SISTEMA DE

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

Page 2: PROYECTO DE INVESTIGACIÓN: DISEÑO DE UN SISTEMA DE

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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

Page 3: PROYECTO DE INVESTIGACIÓN: DISEÑO DE UN SISTEMA DE

3

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.

Page 4: PROYECTO DE INVESTIGACIÓN: DISEÑO DE UN SISTEMA DE

4

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

Page 5: PROYECTO DE INVESTIGACIÓN: DISEÑO DE UN SISTEMA DE

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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.

Page 6: PROYECTO DE INVESTIGACIÓN: DISEÑO DE UN SISTEMA DE

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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

Page 7: PROYECTO DE INVESTIGACIÓN: DISEÑO DE UN SISTEMA DE

7

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

Page 8: PROYECTO DE INVESTIGACIÓN: DISEÑO DE UN SISTEMA DE

8

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.

Page 9: PROYECTO DE INVESTIGACIÓN: DISEÑO DE UN SISTEMA DE

9

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.

Page 16: PROYECTO DE INVESTIGACIÓN: DISEÑO DE UN SISTEMA DE

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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

Page 21: PROYECTO DE INVESTIGACIÓN: DISEÑO DE UN SISTEMA DE

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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